INDICE INTRODUCCION ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ................ ...2 OBJETIVOS ............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................ ..........2
OBJETIVO GENERAL ............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................. ...2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................ ..........2 MARCO TEORICO ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ..............3 SISTEMA DE CIRCULACION DE LODO DE PERFORACION ......................... ....................................... ............................ ............................. ............................ ....................... ..........3 LODOS DE PERFORACION ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ........................ ..........12 HIDRAÚLICA DE LA PERFORACION ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ........................ ..........13 OPTIMIZACION DE LA HIDRÁULICA....................................... ..................................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ...................... ........13 PERDIDA DE PRESION EN EL SISTEMA DE CIRCULACIÓN............................. CIRCULACIÓN............................................ ............................. ............................ ............................ ................. ...14 SISTEMA DE CIRCULACIÓN ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...................... ........15 PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LOS LODOS DE PERFORACIÓN. ................... ................................. ............................ ............................ ...................... ........15 REOLOGIA............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ................... .....15 TIPOS DE FLUIDOS DE PERFORACION ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ................... ..... 19
Fluido Base Agua (WBM) .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ......19 Fluido Base Aceite (OBM) ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ................. ...19 Fluidos a base de aire ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ........................ ..........20 Fluidos a base espuma ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...................... ........20 CLASIFICACION Y DESCRIPCIÓN DE LOS FLUIDOS ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ................21 FLUIDOS NEWTONIANOS ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ......22 FLUIDOS NO-NEWTONIANOS.................... NO-NEWTONIANOS.................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ..................... ........22 MODELOS REOLÓGICOS DE LOS FLUIDOS ........................................ ...................................................... ............................ ............................ ............................. ............................ ............... 24
MODELO DE NEWTON ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...................... ........24 MODELO DE BINGHAM ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...................... ........24 MODELO DE LEY DE POTENCIAS ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ................... .....25 MODELO DE LEY DE POTENCIAS MODIFICADO .......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ........................ ..........25 DESARROLLO DEL CASO ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ................. ...26
CALCULO DE VOLUMEN DE DESPLAZAMIENTO DE LA BOMBA ............................ .......................................... ............................ ............................ ................27 PERDIDA DE FRICCION EN EL INTERIOR DE LA SARTA ........................ ...................................... ............................ ............................. ............................. .......................... ............28 PERDIDA DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR. .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................. .................... .....31 PERDIDA DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR. (2)................................... (2)................................................. ............................ ............................ ............................ .................... ......33 PERDIDA DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR. (3)................................... (3)................................................. ............................ ............................ ............................ .................... ......34 CONCLUSIONES.......................... CONCLUSIONES......................................... ............................ ........................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ................. ... 37 RECOMENDACIONES .......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...................... ........37 BIBLIOGRAFIA ............................ ........................................... ............................ ........................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ................. ...38
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INTRODUCCION En el presente trabajo técnico se dará a conocer cada una de las propiedades relacionadas con los fluidos de perforación, los tipos de fluidos que existen, los modelos reológicos que son utilizados para los cálculos de pérdida de presión por fricción. Ademas darémos solución al caso propuesto del campo San Alberto X-11 y mostraremos matemáticamente matemáticamente mediante el “modelo plástico de Bingham” las pérdidas de presiones en el sistema de circulación del lodo de perforación. y se utilizan la influencia directa que estos tienen en los altos o bajos niveles dentro del o bjetivo deseado, de igual manera se detallara los equipos utilizados en la medición de estas propiedades y el procedimiento empleado.
OBJETIVOS -
OBJETIVO GENERAL
Demostrar mediante este trabajo técnico definiciones sobre hidráulica de perforación, fluidos de perforación y todo lo referente al sistema de circulación de lodo. Además modelos matemáticos para el calculo de perdida de presión por fricción.
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OBJETIVOS ESPECIFICOS
Demostrar mediante el trabajo técnico la perdida de presión por fricción tanto en el espacio anular como en el interior de la sarta y el volumen de desplazamiento de la bomba.
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INTRODUCCION En el presente trabajo técnico se dará a conocer cada una de las propiedades relacionadas con los fluidos de perforación, los tipos de fluidos que existen, los modelos reológicos que son utilizados para los cálculos de pérdida de presión por fricción. Ademas darémos solución al caso propuesto del campo San Alberto X-11 y mostraremos matemáticamente matemáticamente mediante el “modelo plástico de Bingham” las pérdidas de presiones en el sistema de circulación del lodo de perforación. y se utilizan la influencia directa que estos tienen en los altos o bajos niveles dentro del o bjetivo deseado, de igual manera se detallara los equipos utilizados en la medición de estas propiedades y el procedimiento empleado.
OBJETIVOS -
OBJETIVO GENERAL
Demostrar mediante este trabajo técnico definiciones sobre hidráulica de perforación, fluidos de perforación y todo lo referente al sistema de circulación de lodo. Además modelos matemáticos para el calculo de perdida de presión por fricción.
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OBJETIVOS ESPECIFICOS
Demostrar mediante el trabajo técnico la perdida de presión por fricción tanto en el espacio anular como en el interior de la sarta y el volumen de desplazamiento de la bomba.
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MARCO TEORICO SISTEMA DE CIRCULACION DE LODO DE PERFORACION Es el eje principal en el proceso de perforación. La función principal del sistema de circulación, es la de extraer los recortes de roca del pozo durante el proceso de perforación. El sistema de circulación sirve de apoyo vital al sistema rotatorio durante las operaciones de perforación y de reacondicionamiento. reacondicionamiento. El sistema de circulación y sus elementos abarcan la mayor parte física del taladro y de igual manera las cuadrillas dedican gran parte del tiempo a este sistema. s istema. El sistema de circulación tiene equipos, materiales y áreas de trabajo necesarias para la preparación, el mantenimiento y la verificación de las características de la perforación y el lodo a emplearse. En este sistema se trabaja con altas presiones, ya que consiste en la circulación de lodo químico a alta presión, cuyo objetivo es "Lubricar", "Refrigerar" "Refrigerar" y "Transportar" los escombros removidos por la mecha a su paso dentro del terreno. Es de vital importancia ya que sin este sistema el taladro no lograría l ograría penetrar ni siquiera 5 metros en el suelo, pues la fricción fuese tremenda y por consiguiente también la temperatura aumentaría y se fundiría la mecha. El sistema está compuesto por equipos y accesorios, todos de forma y características características diferentes, los cuales movilizan el lodo de perforación a través del sistema de circulación, por lo que permiten preparar el lodo, almacenarlo y bombearlo, hacia el pozo, estableciendo un circuito cerrado de circulación con retorno a los tanques, desde donde fue succionado por las bombas de lodo.
Los equipos y accesorios que componen el sistema son:
Depósitos de química Es el sitio donde se almacenan los productos químicos y aditivos necesarios (viscosificante, densificantes, densificantes, adelgazantes, materiales de control de filtrado, emulsificantes). emulsificantes).
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Tanques de lodos Están conjugados con el equipo de control de sólidos ya que en ellos se prepara o acondiciona el lodo proveniente del pozo para ser nuevamente succionado por las bombas y expulsado por la misma al sistema de circulación .
Bombas de lodos Son las encargadas de hacer cumplir el ciclo de circulación del lodo, desde que lo succionan del tanque respectivo, hasta que el fluido retorna al extremo opuesto del tanque de succión, después de pasar por el interior de las tuberías y los espacios anulares respectivos. Estas bombas toman el lodo de los tanques y lo impulsan hasta la sarta de perforación. Cada equipo de perforación debe tener como mínimo tres bombas para el fluido de perforación; dos deben estar conectadas de tal manera que puedan operar solas, en paralelo y una tercera como auxiliar.
Existen dos tipos de bomba:
Bomba Dúplex
Son bombas de doble acción, es decir, desplazan fluidos en las dos carreras del ciclo de cada pistón mediante válvulas y descargas en ambos lados de la Camisa. Cuando el pistón se desplaza en su carrera de enfrente, al mismo tiempo succiona por la parte posterior y viceversa. Esta bomba es la mas empleada ya que son de doble acción y por manejar caudales variados y su alto rendimiento.
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Bomba Triplex
Son bombas de acción sencilla, es decir, el pistón desplaza fluido solamente en su carrera de enfrente y no succiona. Debido a esto, las bombas triples necesitan mantener las camisas llenas de fluido y esto se logra a través de bombas centrífugas.
Líneas horizontales Son las tuberías que se encuentran en el piso o base de la torre, es decir son las tuberías que salen de la descarga de las bombas y llegan al tubo vertical.
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Línea o tubo vertical Es un tubo o tubería que se extiende hasta media altura del mástil o torre, y permiten que el lodo de perforación llegue a las mangueras de perforación o mangueras rotativas también conocidas como manguera del cuadrante.
Manguera de circulación Está fabricada con goma especial extrafuerte, reforzada y flexible. Se utiliza para conectar el extremo superior del tubo vertical a la unión giratoria. Estas son fuertes y flexibles y se mueven hacia arribas y hacia abajo con los equipos elevadores.
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Polea o unión giratoria Forma parte tanto del sistema de circulación como del rotatorio.
Cuadrante (Kelly) Al igual que la unión giratoria es componente de los sistema de circulación y rotatorio. Es un tramo de la tubería de forma cuadrada hexagonal o triangular, generalmente de 40 píes de largo, cuyo objetivo es transmitir el movimiento de rotación de la mesa rotatoria a la sarta de perforación. A medida que el buje maestro de la mesa rotatoria gira, este hace girar el buje del cuadrante; como la tubería de perforación esta conectada a la base del cuadrante, esta también tiene que girar
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Tubería o sarta de perforación La sarta de perforación es una columna de tubos de acero, de fabricación y especificaciones especiales, en cuyo extremo inferior va enroscada la sarta de lastra barrena y en el extremo de ésta está enroscada la barrena, pieza también de fabricación y especificaciones especiales, que corta los estratos geológicos para hacer el hoyo que llegará al yacimiento petrolífero. Está compuesta de tubería de perforación y una tubería especial de paredes gruesas llamada Portamechas o Lastrabarrenas. El lodo circula a través de los portamechas al igual que a través de la tubería de perforación. Transmite la potencia rotatoria a la mecha para poder perforar.
Lastrabarrena (Porta mecha) Son cuerpos de acero más pesados que la tubería de perforación y se utilizan en la parte más profunda del hoyo para darle peso a la mecha y permitir que esta avance y se perfore un hoyo lo más vertical posible.
Barrena o mecha En perforación se requieren mechas capaces de perforar con la mayor rapidez posible, o sea, que se obtengan altas tasas de penetración.
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Espacios anulares Son los diferentes espacios que hay entre el hoyo perforado y la pared interna del revestidor y la sarta de perforación, desde el fondo hasta el cabezal del pozo.
Línea de retorno Es el conducto o tubería que va desde la boca del pozo donde llega el lodo con los ripios y gases hasta los equipos de control de sólidos.
Equipo separadores de sólidos o control de sólidos Son los equipos encargados de limpiar y acondicionar el fluido de perforación, antes de ser inyectado nuevamente al pozo. La ubicación ideal para los equipos separadores de sólidos, en función del orden de su secuencia de operación es: la zaranda, trampa de arena, los desarenadores, los deslimadores y las centrifugas.
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El volumen y tipo de sólidos que se encuentren en el lodo de perforación afecta directamente las propiedades del mismo, la hidráulica, la rata de penetración, la estabilidad del hoyo y el costo total del pozo. De allí la importancia del control de sólidos en los lodos. El buen funcionamiento del fluido depende del control diario de sus características. El control de sólidos es la función más importante del tratamiento del lodo. Es una tarea difícil pero necesaria para prolongar la vida útil de la barrena, prolongar la vida útil de las bombas de lodo.
El Equipo separadores de sólidos o control de sólidos se compone de: -
Zaranda. Trampas de Arenas o asentamiento Desarenadores Deslimadores Centrifuga de decantación Hidrociclones Desgasificador
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SISTEMA DE CIRCULACION DE LODOS
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LODOS DE PERFORACION “Mezcla heterogénea de una fase continua (agua o aceite) con la fase que son los aditivos que se
agregan y que pueden estar disueltos o dispersos en el medio continuo con la finalidad de darle al lodo propiedades adecuadas para que pueda cumplir funciones específicas en la perforación de pozos petroleros” Son varias las funciones, y para saber si un lodo está cumpliendo sus funciones, de este se miden sus propiedades que tienen que estar dentro de un rango de trabajo. Es una mezcla de un solvente (base) con aditivos ó productos, que cumplen funciones físicoquímicas específicas, de acuerdo a las necesidades operativas de una formación a perforar. En el lenguaje de campo, también es llamado Barro o Lodo de Perforación, según la terminología más común en el lugar Los lodos de perforación son fluidos que circulan en los pozos de petróleo y gas para limpiar y acondicionar el hoyo, para lubricar la broca de perforación y para equilibrar la presión de formación. Los lodos de perforación típicamente usan agua o petróleo como fluido base. En años recientes, los lodos de perforación a base de sintéticos formulados empleando éster, éteres o polialfaolefinas como fluidos de base, se encuentran disponibles como alternativas. La información existente sugiere que los lodos de perforación a base de sintéticos son relativamente no tóxicos en los ambientes marinos y tienen un alto grado de biodegradación.
Funciones de los aditivos El lodo es una suspensión de arcilla en agua, con los aditivos necesarios para cumplir las siguientes funciones: -
Extraer el detritus o ripio de la perforación.
-
Refrigerar la herramienta de corte.
-
Sostener las paredes de la perforación.
-
Estabilizar la columna o sarta de perforación.
-
Lubricar el rozamiento de ésta con el terreno.
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HIDRAÚLICA DE LA PERFORACION La hidráulica es la parte de la mecánica que estudia el comportamiento de los fluidos en movimiento, la transmisión de energía y los efectos del flujo. Su empleo en el campo tiene como objetivo:
Mantener limpio el agujero de los recortes de la barrena.
Proporcionar una fuerza de impacto debida al flujo expulsado a través de l as toberas de la barrena, con la finalidad de optimizar la velocidad de perforación.
Controlar el tipo de flujo en el espacio anular para no dañar las paredes del agujero descubierto.
Controlar las condiciones reológicas y presiones de bombeo, para evitar la fracturación de las formaciones.
Conocer los valores reales de la presión hidrostática, para evitar brotes o fracturas en formaciones débiles o de baja presión.
Permitir el cálculo del efecto de pistón o émbolo, sobre las formaciones, al bajar o levantar la sarta de tubería de perforación a velocidades excesivas.
OPTIMIZACION DE LA HIDRÁULICA En general, los aspectos hidráulicos de la barrena se optimizan para mejorar la velocidad de perforación; sin embargo, hay muchos factores que afectan la velocidad de perforación:
Tamaño de la barrena
Tipo de la barrena
Características de la barrena
Tipo y resistencia de la formación
Aspectos hidráulicos de la barrena
La optimización de la hidráulica es el uso eficiente y racional de la energía o presión de bomba necesaria para hacer circular el lodo a través del sistema de circulación, con el fin de obtener una apropiada remoción del ripio y, consecuentemente, mejorar la tasa de penetración de la mecha. El objetivo de la optimización hidráulica es obtener un buen equilibrio en c ontrolar las presiones en el pozo, el gasto o tasa de bombeo, la limpieza del pozo, la presión de bombeo, ECD y la caída depresión a través de la barrena. La presión y la velocidad de circulación máximas son restricciones limitadas ligadas a las capacidades del equipo de perforación.
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PERDIDA DE PRESION EN EL SISTEMA DE CIRCULACIÓN Para determinar la pérdida de presión en el sistema de circulación es necesario determinar la presión por fricción en cada parte del mismo, para luego obtener la caída total de presión. La presión por fricción en cada parte del sistema depende principalmente de los siguientes parámetros:
Diámetros de tuberías o espacio anular.
Velocidad del fluido.
Viscosidad del fluido.
Numero de Reynolds.
FUNCIONES DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN -
Ejercer una presión hidrostática para contrarrestar la presión de formación.
-
Acarreo de recortes a la superficie
-
Suspensión de recortes al detenerse la circulación
-
Enfriamiento y lubricación de la barrena.
-
Formación de enjarre para evitar derrumbes.
CAIDA DE PRESION Cuando los fluidos circulan a través de un tubo o espacio anular se desarrollan fuerzas de fricción. Como resultado, se disipa energía del fluido. Estas fuerzas friccionales se conocen como caídas de presión, y comúnmente se designan en forma de presión por longitud unitaria. Cuanto más largo sea un tubo o espacio anular, tanto mayor será la caída de presión. Los factores que pueden afectar la magnitud de la caída de presión incluyen:
Longitud
Indice de flujo (régimen de flujo de tipo laminar o turbulento)
Propiedades reológicas del fluido
Excentricidad del tubo
Geometría del tubo/espacio anular
Aspereza del tubo, etc.
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SISTEMA DE CIRCULACIÓN Este sistema es el encargado de mover el fluido de perforación en un circuito cerrado de circulación, succionándolo de los tanques activos y enviándolo por medio de las líneas de descarga hacia la cabria, y pasando luego a través de las conexiones superficiales, de la sarta de perforación, de las boquillas de la mecha y delos espacios anulares hasta retornar nuevamente a los tanques activos, pasado por los equipos separadores de sólidos. Los componentes del sistema de circulación son: El fluido de perforación, tanques activos, bombas de lodo, conexiones superficiales, sarta de perforación, espacios anulares, línea de retorno y equipos separadores de sólidos.
PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LOS LODOS DE PERFORACIÓN. Debido a que el lodo de perforación es uno de los componentes más importante durante la perforación de un pozo, es de suma importancia el control de sus propiedades físicas y químicas, de tal forma que el fluido proporcione un trabajo eficiente durante la etapa de perforación. Por esta razón, el operador de registro debe de conocer las características reológicas de los fluidos de perforación, refiriéndose a los análisis necesarios que hay que efectuar al lodo para conocer las condiciones del mismo. Dichas condiciones son propuestas de antemano en el programa de perforación de cada pozo dependiendo del tipo de roca que se va a perforar y de las posibles presiones del yacimiento que pudiera cortarse con la barrena.
REOLOGIA La reología es la ciencia que trata de la deformación y del flujo de fluidos. Al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que dicho fluido fluirá bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte. Las propiedades reológicas fundamentales son la viscosidad y la resistencia del gel. La medición de las propiedades reológicas de un lodo es importante en el cálculo de:
Las pérdidas de presión por fricción
Para determinar la capacidad del lodo para elevar los recortes y desprendimientos a la superficie
Para analizar la contaminación del fluido por sólidos, substancias químicas y temperatura.
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Para determinar los cambios de presión en el interior del pozo durante un viaje.
Las principales características reológicas de un lodo de perforación son: densidad, viscosidad, viscosidad plástica, viscosidad aparente, gelatinización, punto cedente, filtrado, enjarre, pH y cloruros.
Densidad: Se define como la relación de masa dividida por unidad de volumen. Su función es el mantener a los fluidos contenidos dentro del agujero en el yacimiento durante la perforación, manteniendo de este modo la presión requerida que ejercen las paredes del agujero. Las unidades comunes de densidad son las libras por galón (lb/gal), libras por pie cúbico (lb/ft 3), kilogramos por centímetro cúbico (kg/cm 3) y gramos por centímetro cúbico (gr/cm3); siendo esta última la más utilizada en el campo. Los lodos de perforación pueden tener un rango de densidades de 1.07 a 2.50 gr/cm 3 lo que permite una óptima velocidad de penetración al contrarrestar la presión de formación, sin provocar pérdidas de circulación. La densidad máxima del lodo que se requiere en la perforación de un pozo, está determinada por el gradiente de presión., la presión de poro a una profundidad dada excede la presión ejercida por el peso de la formación sobre la profundidad evaluada (presión de sobrecarga). Para prevenir la entrada de fluidos desde la formación al agujero, el lodo debe proveer una presión mayor a la presión de poros encontrada en los estratos a ser perforados. Un exceso en la densidad del fluido puede ocasionar la fractura de la formación con la consiguiente pérdida de fluido de control.
Viscosidad: Es una medida de resistencia interna que presenta un fluido al desplazarse en función directa a la presión y temperatura del yacimiento. Los lodos de perforación tienen características de flujos no lineales (tixotrópicos) y requieren de más de un término de viscosidad para definir su comportamiento viscoso. La viscosidad se expresa en medidas relativas (viscosidad aparente o de embudo), o en medidas absolutas (viscosidad plástica, punto cedente y gelatinosidad). Para un fluido de perforación, las propiedades deseadas de viscosidad efectiva proporcionan a la barrena una óptima potencia hidráulica, manteniendo el agujero limpio en el espacio anular. Así mismo, se requiere de una baja viscosidad efectiva para que el lodo desprenda los cortes al llegar a la
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superficie también debe tener suficiente gelatinosidad para mantener a los cortes sólidos en suspensión cuando el fluido no esté en movimiento.
Viscosidad Plástica: Es la parte de la resistencia del fluido en movimiento causada por fricción mecánica. Esta fricción se produce entre los sólidos contenidos en el lodo y el líquido que lo rodea y por el esfuerzo cortante del propio líquido. En general, al incrementar el porcentaje de sólidos en el sistema, se aumenta la viscosidad plástica. El control en lodos de bajo y alto peso es indispensable para mejorar la reología y alcanzar promedios altos de penetración de la formación.
Viscosidad Aparente: Se define como la medición en centipoises (cps) que un fluido Newtoniano debe tener en un viscosímetro rotacional a una velocidad de corte previamente establecida, con los efectos simultáneos de todas las propiedades de flujo.
Gelatinización: Es una medida del esfuerzo de ruptura o resistencia de la consistencia del gel formado que muestra la fuerza de la floculación del lodo bajo condiciones estáticas. La tasa de gelatinización se refiere al tiempo requerido para formarse el gel. Si la gelatinización se forma lentamente después de que el lodo está en reposo, se dice que ésta es baja, siendo alta en caso contrario. Un lodo que presenta esta propiedad se le denomina tixotrópico y su grado se determina midiendo la fuerza de gel. El conocimiento de esta propiedad es importante para prever dificultades durante la circulación del fluido cuya resistencia a la gelatinización debe ser suficientemente baja para: • Permitir que la arena y el recorte sean depositados en el tanque de decantación. • Conservar el buen funcionamiento de las bombas y una adecuada velocidad de circulación. • Minimizar el efecto de succión cuando se saca la tubería, y el efecto de pistón cuando se introduce
la misma en el agujero. • Lograr la separación del gas incorporado en el lodo. • Mantener la suspensión de los sólidos incorporados cuando se esta añadiendo la barita y al estar
el lodo estático.
Punto cedente: Es la resistencia que presenta el lodo a fluir a causa de las fuerzas electroquímicas de atracción entre las partículas sólidas. Estas fuerzas son el resultado de las cargas negativas y FLUIDOS DE PERFORACION
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positivas localizadas cerca de la superficie de las partículas. Bajo condiciones de flujo, el punto cedente depende de las propiedades de los sólidos en el lodo en la superficie, de la concentración de los sólidos en el volumen del lodo y de la concentración y tipos de iones en la fase liquida del lodo. Cuando el punto cedente es alto, debido a los contaminantes solubles como el calcio, carbonatos y por los sólidos arcillosos de las formaciones, se provoca la floculación del lodo que debe de controlarse con dispersantes. El punto cedente y los esfuerzos de gelatinización son considerados medidas de la hidratación y de la floculación de las arcillas.
Filtrado: También conocido como pérdida de agua, es la cantidad de agua proveniente del lodo que se filtra hacia la formación en las formaciones permeables, y que debe mantenerse lo más bajo posible para tener una buena estabilidad del agujero y evitar daños a la formación. Básicamente hay dos tipos de filtración: estática y dinámica. La estática ocurre cuando el fluido no está en movimiento, mientras que la dinámica ocurre cuando el lodo fluye a lo largo de la superficie filtrante;. Durante el proceso de filtración estática, el revoque (embarrado) aumenta de espesor con el tiempo mientras que la velocidad de filtración disminuye, por lo que el control de este tipo de filtración consiste en prevenir la formación de revoques muy gruesos. Por otro lado, la filtración dinámica se diferencia de la anterior debido a que el flujo de lodo a medida que pasa por la pared del pozo tiende a raspar el revoque a la vez que se va formando, hasta que el grosor se estabiliza con el tiempo y la velocidad de filtración se vuelve constante. El control de este tipo de filtración consiste en prevenir una pérdida excesiva de filtrado a la formación. La temperatura, el tipo y tamaño de las partículas suspendidas en el lodo y la presión de formación, son algunos de los factores que afectan en la pérdida de agua del fluido de perforación, Teniendo una relación directa en el ritmo de penetración y en la concentración de gas en el lodo al momento de la perforación. La medida del filtrado se realiza mediante la prensa de filtrado a temperatura ambiente, colocando el lodo dentro de la prensa con una presión de 100 psi durante 30 minutos. El líquido filtrado resultante se mide en centímetros cúbicos. (Se pude observar en Fotografía equipo para procesado y análisis de muestras).
Enjarre: Es una capa o película delgada de lodo que se forma en las paredes del agujero. Se presenta principalmente en aquellas formaciones permeables; el espesor de la capa puede variar de 1 a 4 mm. Cuando el enjarre no se forma, el lodo invade las formaciones permeables. Para la formación de enjarre, es esencialmente necesario que el lodo contenga algunas partículas de un FLUIDOS DE PERFORACION
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tamaño muy pequeño para el cierre de los poros de la formación. Los enjarres pueden ser compresibles o incompresibles, dependiendo de la presión a la que sean sometidos. La formación del enjarre va a depender principalmente de la pérdida de agua y de la permeabilidad de la roca.
pH, (potencial Hidrógeno): Es el grado de acidez o de alcalinidad en el lodo. Se define como el logaritmo negativo de la concentración de iones o cationes de hidrógeno [H+], y es una medida que se usa para describir el carácter ácido (acidez) o básico (basicidad) relativo a una solución (lodo); donde los valores bajos de pH corresponden a una acidez creciente y los altos valores de pH a una alta basicidad. Un cambio de una unidad de pH corresponde a un aumento de diez veces la concentración de iones de hidrógeno. Los valores del pH van de 1 a 14, cuya solución neutra es el agua destilada con un pH de 7. El valor propio del pH para un fluido de perforación depende de su tipo, pero normalmente deben de ser de 8.5 a 10.5 para obtener un pH estable y duradero; para esto se utiliza sosa cáustica o hidróxido del potasio. La medida del pH en el campo en general se determina colorimétricamente por medio del papel indicador de pH (tornasol) que muestra la variación del color al mojarlo con la solución. En el caso del lodo, se utiliza el líquido del filtrado resultado del mismo.
TIPOS DE FLUIDOS DE PERFORACION Los fluidos de perforación pueden ser aire, gas, agua, lodo o combinaciones de los mismos, también se usa petróleo, diesel y fluidos sintéticos. -
Fluido Base Agua (WBM)
Frecuentemente se usa agua para hacer el lodo. El agua conforma la parte o fase líquida del lodo. La cuadrilla le adiciona arcillas y otros aditivos especiales al agua para crear el lodo con las propiedades requeridas para llevar a cabo un buen trabajo. Por ejemplo, las arcillas le dan grosor o viscosidad. El agua usada puede ser dulce, agua de mar o salmuera. El tipo de agua a usar depende de su disponibilidad y de las propiedades que debe tener el lodo para perforar el hueco eficientemente. -
Fluido Base Aceite (OBM)
En algunos casos, las condiciones de fondo de pozo hacen necesario agregarle aceite al lodo base agua, o usarlo en lugar de la misma como fase continua del lodo. Esto se conoce como lodo base aceite, y tienen muchas ventajas: Ventajas del lodo base aceite: Es bueno para ambientes de altas temperaturas debido a su base aceitosa. Bueno para perforación en formaciones lutiticas debido a que no que reacciona FLUIDOS DE PERFORACION
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con las arcillas de la formación causando inestabilidad en el fluido. Casi siempre crea delgados revoques, lo cual reduce el riesgo de atascamiento de la tubería. Puede ser tratado y rehusado, asi como ser empleado para largas corridas pudiendo con ello reducir los costos totales debidos a fluidos de perforación. Teniendo al aceite como fase externa funciona como buen lubricante, reduciendo con ello los torques de perforación. Es excelente para usarse en algunas áreas donde se enfrenta con problemas de hidratos como en perforaciones de aguas profundas. -
Fluidos a base de aire
Algunas veces el fluido de perforación es aire seco o gas natural. Cuando se perfora con aire, se usan compresores en lugar de bombas de lodo. Al perforar con aire o gas se previene el daño de formación y se evitan problemas graves por pérdidas de circulación, además el aire o gas hace que la broca perfore muy rápido. Las condiciones de fondo de pozo deben ser las adecuadas para poder usar aire o gas. Por ejemplo, la broca no puede perforar fluidos de formación que contengan grandes cantidades de agua. El agua se mezcla con los cortes y el aire o gas, taponando el pozo. -
Fluidos a base espuma
Es una combinación agua o polímetro/bentonita mezclada con un agente espumante y aire de un compresor para formar las burbujas. Cuando en la formación que se está perforando hay presentes pequeñas cantidades de agua, un equipo especial puede inyectar la espuma dentro del flujo de aire. La espuma ayuda a separar los cortes y remueve el agua del pozo.
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TIPOS DE FLUIDOS DE PERFORACION ::::::::::
CLASIFICACION Y DESCRIPCIÓN DE LOS FLUIDOS Los fluidos pueden ser clasificados de acuerdo con su comportamiento bajo la acción de un esfuerzo cortante y a la velocidad de corte inducida por dicho esfuerzo resultante en un flujo laminar y unidireccional, a temperatura constante. Basados en la forma de las ecuaciones reológicas o en sus reogramas (representación gráfica de la ecuación reológica), los fluidos se clasifican en varios tipos. Los fluidos se clasifican principalmente en dos grandes grupos: FLUIDOS PURAMENTE VISCOSOS y fluidos que exhiben propiedades viscosas y elásticas, denominados FLUIDOS VISCOELÁSTICOS. Sin embargo, de acuerdo con su comportamiento bajo la acción de un esfuerzo cortante y la velocidad de corte inducida por dicho esfuerzo, los fluidos se clasifican como FLUIDOS NEWTONIANOS y FLUIDOS NO-NEWTONIANOS, como se muestra en la siguiente tabla.
FLUIDOS DE PERFORACION
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FLUIDOS NEWTONIANOS Los fluidos newtonianos o ideales son aquellos cuyo comportamiento reológico puede ser descrito de acuerdo con la LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON. Es decir, son aquellos fluidos que exhiben una proporcionalidad directa entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de corte inducida.
FLUIDOS NO-NEWTONIANOS Los fluidos no-Newtonianos son aquellos fluidos que no se comportan de acuerdo con la Ley d e la Viscosidad de Newton. Por exclusión, en este grupo se incluye a todos los fluidos que no exhiben una relación directa entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. A su vez, éstos pueden ser subdivididos en dos grupos: Fluidos Independientes del Tiempo y Fluidos Dependientes del Tiempo.
FLUIDOS INDEPENDIENTES DE TIEMPO Son así denominados debido a que sus propiedades reológicas no cambian con la duración del corte o con su historia de corte. Entre éstos se encuentran los Fluidos Plásticos de Bingham, Seudoplásticos, Dilatantes, y Seudoplásticos y Dilatantes con Punto de Cedencia.
FLUIDOS DE PERFORACION
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FLUIDOS PLÁSTICOS DE BINGHAM
Son un caso idealizado de los fluidos no-Newtonianos; pues a fin de iniciar su movimiento se requiere vencer un esfuerzo inicial finito, denominado esfuerzo o punto de cedencia. Una vez que dicho esfuerzo inicial ha sido excedido, estos fluidos exhiben una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. -
FLUIDOS DILATANTES
Estos fluidos presentan un comportamiento similar a los Fluidos Seudoplásticos, con la diferencia de que en los Fluidos Dilatantes el ritmo del incremento del esfuerzo cortante con la velocidad de corte se incrementa. -
FLUIDOS SEUDOPLÁSTICOS Y DILATANTES CON PUNTO DE CEDENCIA
Son aquellos fluidos que exhiben un esfuerzo inicial finito o punto de cedencia, como en el caso de los Fluidos Plásticos de Bingham; pero una vez que el esfuerzo inicial ha sido rebasado la relación entre el esfuerzo cortante, en exceso del esfuerzo inicial, con la velocidad de corte resultante no es lineal. Es decir, una vez que el esfuerzo de cedencia ha sido excedido, su comportamiento esfuerzodeformación se asemeja al comportamiento de los Fluidos Seudoplásticos o Dilatantes,
FLUIDOS DEPENDIENTES DE TIEMPO Estos fluidos se caracterizan porque sus propiedades reológicas varían con la duración del corte (esfuerzo cortante y velocidad de corte), dentro de ciertos límites. Los Fluidos Dependientes del Tiempo se subdividen en: Fluidos Tixotrópicos y Fluidos Reopécticos. -
FLUIDOS TIXOTRÓPICOS
Son aquellos fluidos en los cuales el esfuerzo cortante decrece con la duración del corte. -
FLUIDOS REOPÉCTICOS
A diferencia de los Fluidos Tixotrópicos, en los Fluidos Reopécticos el esfuerzo cortante se incrementa conforme se incrementa la duración del corte.
FLUIDOS VISCOELÁSTICOS FLUIDOS DE PERFORACION
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Los Fluidos Viscoelásticos son así denominados debido a que presentan características intermedias entre los fluidos puramente viscosos y los sólidos puramente elásticos, especialmente la característica de deformación bajo la acción de un esfuerzo y de retornar a su forma original indeformada cuando cesa la acción de dicho esfuerzo. Es decir, recobran su forma original después de la deformación a la que han estado sujetos, cuando cesa la acción del esfuerzo.
MODELOS REOLÓGICOS DE LOS FLUIDOS La descripción reológica de los fluidos ha sido expresada mediante relaciones matemáticas complejas. Afortunadamente en el campo de la ingeniería los fluidos no-Newtonianos más abundantes, estudiados y mejor entendidos son los fluidos seudoplásticos. Algunas de las relaciones empleadas para describir a estos fluidos han sido aplicadas al comportamiento reológico de los fluidos de perforación, terminación y reparación de pozos petroleros. Por lo tanto, los fluidos de perforación, terminación y reparación de pozos pueden ser representados por varios modelos reológicos o ecuaciones constitutivas; entre las cuales, las más empleadas son el modelo de Bingham, Ostwald-de Waele y Herschel-Bulkley. Recientemente, los modelos de Robertson y Stiff y de Casson han sido propuestos para caracterizar a los fluidos de perforación y las lechadas de cemento.
MODELO DE NEWTON
Este modelo propuesto por Newton, representa a los fluidos ideales. Es decir, caracteriza a aquellos fluidos cuya relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte es lineal. La constante de proporcionalidad, conocida como coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad, es suficiente para describir su comportamiento de flujo.
MODELO DE BINGHAM
Este tipo de fluidos es el más simple de todos los fluidos no-Newtonianos, debido a que la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte exhibe una proporcionalidad directa, una vez que un esfuerzo inicial finito, necesario para iniciar el movimiento, ha sido excedido. A este esfuerzo FLUIDOS DE PERFORACION
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inicial se le denomina punto de cedencia, τy; en tanto que la pendiente de la porción lineal del reograma es conocida como coeficiente de rigidez o simplemente viscosidad plástica, ηp. Aunque este modelo es un caso idealizado, las suspensiones de arcillas (20 a 6 0% de arcillas cálcicas en agua) y el flujo de fluidos de perforación en espacios anulares, asemejan su comportamiento de flujo a este modelo. Por simplicidad, este modelo ha sido empleado extensivamente en la ingeniería petrolera; aun cuando el comportamiento real del lodo de perforación no presenta una relación lineal entre el esfuerzo y la velocidad de corte.
MODELO DE LEY DE POTENCIAS
El modelo de Ostwald-de Waele, comúnmente conocido como modelo de Ley de Potencias, es uno de los más usados en el campo de la ingeniería y una de las primeras relaciones propuestas entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte.
MODELO DE LEY DE POTENCIAS MODIFICADO
El modelo de Herschel-Bulkley, también conocido como modelo de Ley de Potencias con Punto de Cedencia, fue propuesto con el fin de obtener una relación más estrecha entre el modelo reológico y las propiedades de flujo de los fluidos seudoplásticos y dilatantes que presentan un punto de cedencia. El modelo de la Ley de Potencia Modificado es el modelo matemático que describe mejor el comportamiento de los fluidos de perforación.
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DESARROLLO DEL CASO Según Luis Alberto Sanchez, titular de la Gerencia Nacional de Fiscalizacion (GNF) de YPFB actualmente se estan realizando las operaciones de perforacion en 12 pozos, en los cuales se ejecutan tareas de desarrollo, dos de intervencion y uno de explracion. En el 2012, siete pozos iniciaron actividades de desarrollo, entre los que se destaca los pozos San Alberto e Itaú, ambos ubicados en Tarija a cargo de la empresa brasileña Petrobras. De acuerdo con el reporte de la GNF de YPFB, en San Alberto (SAL – X11) se ejecutan desde el 19 de febrero los trabajos de Reentry, que hasta la fecha se asento la cañeria de 13 3/8 ” x 12.415” a los 4411 m, la profundidad final del pozo esta a 5322m, se esta perforando un pozo con un equipo tipo 4; la densidad del lodo es de 1.15 gr/cc, la sarta de perforacion esta compuesta de trepano de 12 ¼”, + 149m de PM de 9 1/2” x 3.0” + TP de 4 ½ x 3.826”. el fluido de perforacion se desplazara con bomba triplex diametro de camisa 7”, longitud de camisa 12”, la presion de la bomba es de 3423 PSI y
trabaja con una eficiencia de 91% a 60 emb/min. La lectura dada por el reómetro son VP de 35 cp y el PC de 28 lbs/100pie2. Calcular: a) La pérdida de presion total por fricción en el interior de la sarta. b) La pérdida de presión total por fricción en el espacio anular. c) Calcular el volumen de desplazamiento de la bomba.
DATOS: Diametro cañeria: 13 3/8” x 12.415”
Bba triplex
h cañeria: 4411m
14472. 49 pies
dc= 7”
h total: 5322m
17461. 48 pies
Lc: 12”
equipo tipo 4
Presion de bomba: 3423 PSI
densidad del lodo: 1.15 gr/cc * 8.33 LPG =
e: 91%
9.58 LPG
Vb: 60 emb/ min
trepano 12 ¼”
VP: 35 cp
PM = 149m – 9 ½” * 3”
PC: 28 lbs/ 100pies2
TP: 4 ½” x 3.826”
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CALCULO : -
CALCULO DE VOLUMEN DE DESPLAZAMIENTO DE LA BOMBA
:::: DONDE:
Vdb = Volumen de Desplazamiento de la Bomba. dc = Diámetro de la camisa. Lc = Longitud de la camisa.
-
CALCULO DE CAUDAL DE BOMBA
:::: DONDE:
Qb = Caudal de la Bomba. Vdb = Volumen de Desplazamiento de la Bomba. Vb = Velocidad de la Bomba.
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PERDIDA DE FRICCION EN EL INTERIOR DE LA SARTA -
VELOCIDAD MEDIA DEL LODO – TUBERIA DE PERFORACIÓN
:::: DONDE:
Vi = Velocidad Media del Lodo. Qb = Caudal de la Bomba. di = Diámetro interno.
-
VELOCIDAD CRITICA – TUBERIA DE PERFORACIÓN
Cálculo de n
) ( () Cálculo de K
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+ *
+ * [( )( )] + *+ * [()( )] Flujo turbulento :::: DONDE:
Vc = Velocidad Crítica. k = Indice de Consistencia. n = Indice de Comportamiento de Flujo. = Densidad del Lodo. di = Diámetro Interno.
-
PERDIDA DE PRESION POR FRICCION – INTERIOR DE LA TUBERIA (FLUJO TURBULENTO)
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:::: DONDE:
= Densidad del Lodo Vi = Velocidad Media del Lodo. VP = Viscosidad Plástica. L = Longitud.
CÁLCULO EN EL PORTAMECHA -
VELOCIDAD MEDIA DEL LODO – PORTAMECHA
-
VELOCIDAD CRITICA – PORTAMECHA
+ + * * [( )( )] + + * * [( )( )] FLUJO TURBULENTO
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PERDIDA DE PRESION POR FRICCION – INTERIOR PORTAMECHA (FLUJO TURBULENTO)
SUMATORIA DE PRESIONES EN EL INTERIOR DE LA SARTA:
∑ ∑ PERDIDA DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR. -
VELOCIDAD MEDIA DEL LODO – (1)
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-
VELOCIDAD CRITICA (1)
+ * [()( )] + * [()( )] (flujo laminar) :::: DONDE:
-
k = Indice de Consistencia de fluido. n = Indice de comportamiento. dh = Diámetro interno, caño exterior o diámetro del pozo. dp = Diámetro externo de la tuberia o portamecha. φL = Viscosidad del lodo.
PERDIDA DE PRESION POR FRICCION – ESPACIO ANULAR. (Flujo Laminar) (1)
] [() ( )] [ [( ) ( )] [] :::: DONDE:
VA= Velocidad Media del Lodo n = Indice de comportamiento. k =Indice de Consistencia dp = Diámetro externo de la tuberia o portamecha. dh = Diámetro externo de caño exterior o diámetro del pozo.
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PERDIDA DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR. (2) -
VELOCIDAD MEDIA DEL LODO – (2)
-
VELOCIDAD CRITICA (2)
+ * [()( )] + * [()( )] (flujo laminar) :::: DONDE:
k = Indice de Consistencia de fluido. n = Indice de comportamiento. dh = Diámetro interno, caño exterior o diámetro del pozo. dp = Diámetro externo de la tuberia o portamecha. φL = Viscosidad del lodo.
FLUIDOS DE PERFORACION
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-
PERDIDA DE PRESION POR FRICCION – ESPACIO ANULAR. (Flujo Laminar) (2)
] [() ( )] [ [() ( )] [] :::: DONDE:
VA= Velocidad Media del Lodo n = Indice de comportamiento. k =Indice de Consistencia dp = Diámetro externo de la tuberia o portamecha. dh = Diámetro externo de caño exterior o diámetro del pozo.
PERDIDA DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR. (3) -
VELOCIDAD MEDIA DEL LODO – (3)
-
VELOCIDAD CRITICA (2)
+ * [()( )] + * [()( )] FLUIDOS DE PERFORACION
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(flujo laminar)
:::: DONDE:
-
k = Indice de Consistencia de fluido. n = Indice de comportamiento. dh = Diámetro interno, caño exterior o diámetro del pozo. dp = Diámetro externo de la tuberia o portamecha. φL = Viscosidad del lodo.
PERDIDA DE PRESION POR FRICCION – ESPACIO ANULAR. (Flujo Laminar) (2)
] [() ( )] [ [() ( )] [] :::: DONDE:
VA= Velocidad Media del Lodo n = Indice de comportamiento. k =Indice de Consistencia dp = Diámetro externo de la tuberia o portamecha. dh = Diámetro externo de caño exterior o diámetro del pozo.
SUMATORIA DE PRESIONES EN EL ESPACIO ANULAR :
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SUMATORIA TOTALES DE PRESIONES EN EL INTERIOR DE LA SARTA Y ESPACIO ANULAR :
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CONCLUSIONES Podemos decir que en todo proceso de perforación la tarea mas importante es el sistema de circulación de lodo por tanto médiate cálculos de presión por fricción y la reologia podremos saber la perdida de presión y el comportamiento del fluido de perforación
RECOMENDACIONES Se recomienda calcular la perdida de presión por fricción tanto en el interior de la sarta como en el espacio anular para conocer el comportamiento de los fluidos para controlar las caídas de presiones y asi mantener estable el sistema de circulación de lodo, cuando existe perdida e presión se debe aumentar presión desde la bomba de lodo.
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