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República Bolivariana de Venezuela Instituto de Capacitación Integral “Jesús Adolfo Chacín” Curso “Procesos en la Perforación de Pozos Petrolíferos” Objetivo: Hidráulica en la Perforación. Instructor: Ing. José Rafael Argüello Ruz. CIV: 118.845. HIDRÁULICA EN LA PERFORACIÓN. Generalidades. La introducción de la perforación rotatoria trajo como consecuencia el uso de un fluido, que introducido por la sarta de perforación y regresando por el espacio anular, mantuviera limpio el pozo de los cortes que la barrena (mecha) iba haciendo a medida que iba penetrando las formaciones. Aquí empezó el concepto de hidráulica, en vista de que el fluido utilizado fue un líquido, siendo agua agua en un princi principio pio,, y luego luego las necesida necesidades des de operac operación ión y seguri seguridad dad dieron dieron origen origen a una suspensión coloidal, cuyas propiedades difieren a las del agua y que su estudio en vez de una técnica se ha consti constitui tuido do en una cienci ciencia. a. Sin Sin embarg embargo, o, el concep concepto to especí específi fico co de hidráu hidráuli lica ca apareci apareció ó conjuntamente con el uso de chorros (Jet) en la mecha. Al reducir bruscamente el área de circulación del fluido, se está creando un cambio brusco de la velocidad del mismo y por consiguiente, una variación grande de la presión entre los puntos antes del orificio y después de este, o sea, se produce una caída de presión grande. En vista de esto fue necesario conocer, como la presión usada para poner el fluido en movimiento se va perdiendo en el sistema de circulación para poder soportar esa caída grande de presión en la barrena, originada por los chorros y aún levantar la columna de fluido hasta la superficie. Como el impacto hidráulico originado por el fluido, contra la formación, cuando sale a gran velocidad por los chorros, es favorable a la penetración de la barrena, se ha tratado entonces de minimizar la caída de presión en todo el sistema y permitir que la máxima presión se pierda en la barrena. Por todo esto es necesario conocer muy bien de la energía que se dispone para circular el fluido, las secciones que componen el sistema de circulación y en que régimen de flujo está fluyendo el fluido para así, poder determinar como se está perdiendo la presión transportado por el fluido cada vez que este realiza un ciclo de circulación.
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FLUIDO DE PERFORACIÓN. Definición. Todos los fluidos utilizados durante la perforación de un pozo, son clasificados como fluido de perforación; término que está restringido a los fluidos que circulan a través del hoyo y que poseen características físicas y químicas apropiadas, que por circulación remueve el ripio de formación del hoyo en perforación o del pozo en operaciones de reacondicionamiento. Puede ser aire o gas, agua, petróleo y combinaciones de agua y aceite con diferentes contenidos de sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo, ni inflamable, pero sí inerte a las contaminaciones de sales solubles o minerales, y además, estables a las temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las operaciones y debe ser inmune al desarrollo de bacterias.
Funciones. El propósito fundamental del lodo es hacer rápida y segura la
perforación o el
reacondicionamiento del pozo y sus funciones son: a. Remover y transportar los ripios del fondo del pozo a la superficie: La densidad y la viscosidad son dos propiedades del lodo que tienen influencia en la extracción del ripio. Sin embargo, el factor más importante es la velocidad de circulación o velocidad anular, la cual depende del caudal circulante o régimen de bombeo y del volumen anular. b. Enfriar y lubricar la barrena y la sarta de perforación: La fricción originada por el contacto de la barrena y de la sarta de perforación con las formaciones, genera calor, el cual es removido en parte por el lodo circulante y expedido a medida que el lodo alcanza la superficie. En cierto grado, por sí mismo, el lodo actúa como lubricante y esta característica puede ser incrementada cos gas oil o con productos químicos elaborado para tal fin. c. Cubrir la pared del hoyo con un revoque liso, delgado flexible e impermeable: El revoque que posee estas características ayuda a minimizar los problemas de derrumbe y atascamiento de la tubería o su adhesión a la pared del hoyo. Este tipo de revoque se logra incrementando la concentración y dispersión de los sólidos arcillosos comerciales. d. Controlar las presiones de las formaciones: La presión hidrostática ejercida por la columna de lodo debe controlar la presión de las formaciones. El gradiente normal de presión es 0.465 lppc/pie y corresponde a un peso de ± 8.94 lb/gal. El control de las presiones anormales requiere que se agregue al lodo material de alta gravedad específica,
3 como barita, para aumentar la presión hidrostática, ya que esta disminuye por efecto de succión al sacar la tubería o por falta de mantener lleno el hoyo. La presión hidrostática es igual a PH (lppc) = 0.052 x Prof (pies) x peso del lodo (lb/gal) ó PH (lppc) = 0.00695 x Prof (pies) x peso del lodo (lb/pie3). e. Mantener en suspensión, cuando se interrumpa la circulación, el ripio y el material que le imparte peso: La propiedad tixotrópica del lodo permite mantener en suspensión las partículas sólidas cuando se interrumpe la circulación para luego depositarlas en la superficie cuando esta se reinicia. Bajo condiciones estáticas la resistencia o fuerza de gelatinización debe evitar, en lodos pesados, la precipitación de material densificante (barita). f. Soportar, por flotación, parte del peso de la sarta de perforación y de las tuberías de revestimiento, durante su inserción en el hoyo: El peso de la sarta de perforación y de la tubería de revestimiento en el lodo, es igual a su peso en el aire multiplicado por el factor de flotación. A medida que aumenta el peso del lodo disminuye el peso de la tubería. El factor de flotación es igual a FF = 1 – (0.015 x peso del lodo (lb/gal)) ó FF = 1 – (0.002 x peso del lodo (lb/pie3)). g. Mantener en sitio y estabilizada la pared del hoyo, evitando derrumbes: Además de mantener en sitio y estabilizadas las paredes del hoyo para evitar derrumbes, el lodo debe ofrecer máxima protección para no dañar ninguna formación productiva durante la perforación. h. Facilitar la máxima obtención de información deseada acerca de las formaciones atravesadas o perforadas: La calidad del lodo debe permitir la obtención de la información necesaria para valorar la capacidad productiva de petróleo de las formaciones atravesadas. Las características físicas y químicas del lodo deben ser tales que puedan asegurar la información geológica deseada, la obtención de mejores registros eléctricos y la toma de núcleos. i.
Transmitir potencia hidráulica a la barrena: El lodo es el medio por el cual se trasmite, a través de la barrena, la potencia hidráulica al fondo del hoyo desde la superficie. El diseño del programa hidráulico trata de optimizar esta potencia. Las propiedades reológicas, la viscosidad plástica y el punto cedente, ejercen influencia considerable sobre la potencia hidráulica aplicada y por tanto deben mantenerse a valores adecuados.
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Propiedades del lodo de perforación y su control. Para que un fluido pueda cumplir eficientemente con sus funciones, es necesario mantener un control sobre las principales propiedades del mismo, durante el desarrollo de la perforación del pozo. Densidad: Esta propiedad es muy importante en el lodo de perforación, ya que ejerce primordial importancia sobre la presión hidrostática del lodo, lo cual permite tener un control sobre las presiones de las formaciones atravesadas en la perforación de un pozo. Ph(lpc) = 0.052 x ϕ l(lb/gal) * h(pies). Esta propiedad se determina en el laboratorio por medio de la balanza de lodo; generalmente se expresa en lb/gal.
Viscosidad: El control de la viscosidad del lodo debe ser de gran preocupación para el Ingeniero de Perforación, ya que ésta no puede ser muy alta porque disminuiría grandemente la penetración de la barrena y no puede ser muy baja ya que se necesitaría una gran velocidad de asenso para acarrear los cortes desde el fondo del pozo hasta la superficie. La viscosidad se define como la resistencia del fluido a fluir. Para medir estas propiedades se utiliza el viscosímetro Fann o el embudo Marsh..
Resistencia a la fuerza de gelatinidad: Otra propiedad importante la cual es función directa de la viscosidad es la fuerza de gelatinización que representa una medida de las propiedades tixotrópicas de un fluido y denota la fuerza de floculación en condiciones estática. Tiene que ver con la capacidad del lodo de mantener en suspensión los ripios cuando se detienen el bombeo. Esta propiedad se puede medir por medio el Viscosímetro Fann como Gel inicial y Gel final del lodo.
5 Filtración o pérdida del agua: Indica la cantidad relativa de líquido que se filtrará a través del revoque hacia la formación, al ser sometidos a la presión diferencial.
El Ph: Tiene que ver con la estabilización de las otras propiedades cuando se tiene el Ph apropiado, la mayoría de los lodos tienen un ph alcalino entre 7.5 a 11.
Tipos de fluidos de perforación. Básicamente los fluidos de perforación se preparan a base de agua, de aceite (derivados del petróleo) o emulsiones. En su composición interactúan tres partes principales: la parte líquida; la parte sólida, compuesta por material soluble que le imprime las características tixotrópicas y por material insoluble de alta densidad que le imparte peso; y materias químicas adicionales, que se añaden directamente o en soluciones, para controlar las características deseadas.
Fluido de perforación a base de agua.
El agua es uno de los mejores líquidos básicos para perforar, por su abundancia y bajo costo. Sin embargo, el agua debe ser de buena calidad ya que las sales disueltas que pueda tener, como calcio, magnesio, cloruros, tienden a disminuir las buenas propiedades requeridas. El fluido de perforación más común está compuesto de agua y sustancia coloidal. Por tanto es preferible utilizar bentonita preparada con fines comerciales como la mejor fuente del componente coloidal del fluido. El fluido bentonítico resultante es muy favorable para la formación del revoque sobre la pared del hoyo. Sin embargo, a este tipo de fluido hay que agregarle un material pesado, como la baritina (preparada del sulfato de bario), para qu e la presión que ejerza contra los estratos domine las presiones subterráneas que se estiman encontrar durante la perforación.
6 Fluido de perforación a base de petróleo.
Para ciertos casos de perforación, completación o reacondicionamiento de pozos se emplean fluidos a base de petróleo o de derivados del petróleo. En ocasiones se ha usado crudo liviano, pero la gran mayoría de las veces se emplea diesel u otro tipo de destilado pesado al cual hay que agregarle negrohumo o asfalto para impartirle consistencia y poder mantener en suspensión el material pesante y controlar otras características. Generalmente, este tipo de fluido contiene un pequeño porcentaje de agua que forma parte de la emulsión, que se mantiene con la adición de soda cáustica, cal cáustica u otro ácido orgánico. La composición del fluido puede controlarse para mantener sus características, así sea básicamente petróleo o emulsión, petróleo/agua o agua/petróleo. Estos tipos de fluidos requieren un manejo cuidadoso, tanto por el costo, el aseo del taladro, el mantenimiento de sus propiedades físicas y el peligro de incendio.
Otros tipos de fluidos de perforación. Para la base acuosa del fluido, además de agua fresca, puede usarse agua salobre o agua salada (salmuera) o un tratamiento de sulfato de calcio. Muchas veces se requiere un fluido de pH muy alto, o sea muy alcalino, como es el caso del hecho a base de almidón. En general, la composición y la preparación del fluido son determinadas según la experiencia y resultados obtenidos en el área. Para satisfacer las más simples o complicadas situaciones hay una extensa gama de materiales y aditivos que se emplean como anticorrosivos, reductores o incrementadores de la viscosidad, disminuidores de la filtración, controladores del pH, lubricadores, antifermentantes, floculantes, arrestadores de la pérdida de circulación, surfactantes, controladores de lutitas deleznables o emulsificadores y desmulsificadores, etc. Actualmente existen alrededor del mundo más de 120 firmas que directa o indirectamente ofrecen la tecnología y los servicios que pide la industria petrolera sobre diagnósticos, preparación, utilización y mantenimiento de todo tipo de fluido de perforación para cada clase de formaciones y circunstancias operacionales, como también fluidos específicos para la completación, la rehabilitación o limpieza de pozos. El progreso y las aplicaciones en esta rama de ingeniería de petróleos es hoy tan importante que se ha transformado en una especialidad operacional y profesional.
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Sistema de circulación. El fluido de perforación es impulsado por una bomba y efectúa un recorrido por tuberías, mangueras, canales, tanques, etc., todos de forma y características diferentes, lo que hace que cuando el fluido llega nuevamente a la bomba para iniciar un nuevo ciclo de circulación ha sufrido cambio en su régimen de flujo lo que hace dificultoso el cálculo de las caídas de presión, por esto en necesario conocer por donde el fluido circula y analizar para cada sección la forma como el fluido fluye. Como el fluido realiza ciclos de circulación, se debe seleccionar un punto de partida y generalmente se parte de la bomba, luego tenemos que el fluido circula por: 1. Tanque. 2. Bomba. 3. Líneas horizontales de la bomba a la base del pozo. 4. Línea vertical de la base del pozo hasta ± la mitad de la torre (vertical). 5. Manguera de circulación. 6. Polea giratoria. 7. Cuadrante (Kelly). 8. Tubería de perforación. 9. Lastrabarrena (Porta mecha). 10. Barrena. 11. Anular Hoyo – Lastrabarrena. 12. Anular Hoyo –Tubería de Perforación. 13. Anular Revestimiento – Tub. de perforación. 14. Línea de retorno. 15. Tanques 16. Equipos de control de Sólidos
La presión de la bomba para poner en movimiento al fluido, se pierde totalmente cuando recorre de la sección 2 a la sección 13, de allí en adelante el fluido sigue circulando por gravedad. Desde la sección 2 hasta la sección 6 se les conoce como conexiones superficiales, y se agrupan según las características del equipo de perforación. Si la presión del fluido cuando alcance la línea de retorno es cero, esto quiere decir que las sumas de las caídas de presión en todo el sistema deben ser igual a la presión de salida de la bomba.
8 Tanques de lodo: Aquí comienza la circulación del lodo. En estos tanques se prepara el lodo
para ser bombeado al sistema. Están conjugados con el equipo de control de sólidos ya que en ellos se prepara o acondiciona el lodo proveniente del pozo para se nuevamente bombeado al sistema de circulación.
Bombas para el Fluido de Perforación: El fluido de perforación es puesto en movimiento
por unas bombas llamadas “Bombas de Lodos” las cuales son bombas reciprocantes de doble o triple acción. Esta bomba o bombas toman el lodo de los tanques y los 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 o en serie y una tercera como auxiliar.
Líneas Horizontales: Son las tuberías que se encuentran en el piso de la torre, es decir son
las tuberías que salen de la descarga de las bombas y llegan al vertical.
9 El vertical y La Manguera de Rotativa: El vertical una tubería que se extiende hasta media
altura del mástil. Y permiten que el lodo de perforación llegue a las mangueras de perforación o mangueras rotativas. La manguera rotativa, esta conectada al vertical y llega al cuello de cisne del Swivel o unión giratoria. Ellas son fuertes y flexibles y se mueven hacia arriba y hacia abajo con los equipos elevadores.
Polea giratoria (Swivel), Cuadrante (Kelly) y Sarta de perforación: Cada uno de estos
equipos fueron descritos en el capitulo anterior en los componentes y partes de los taladros de perforación. El lodo sale por los jet u orificios de la mecha y llega al pozo.
Anulares: Los anulares son los espacios existentes entre el hoyo y los drill collar; el hoyo t la
tubería de perforación; el revestimiento y la tubería de perforación. Por donde circula el lodo en su ascenso hasta la superficie.
10 Línea de retorno: Es la tubería que va desde la boca del pozo donde llega el lodo con los
ripios y va hasta los equipos de control de sólidos.
Control del fluido de perforación.
El volumen y tipo de sólidos que se encuentren 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 mantenimiento y 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, mejorar las propiedades del revoque, evitar los atascamientos de la tubería, evitar alta presión de bombeo, prolongar la vida útil de las bombas de lodo.
Zarandar, Shale Sheker o Separador de Lutitas: Es el primer equipo que interviene en el proceso de eliminación de sólidos. Maneja lodos de cualquier peso. El lodo cargado de sólidos llega al vibrador; el cual retiene a los sólidos grandes con su malla y deja caer el líquido y sólidos más pequeños al fondo.
11 Hidrociclones: Mecanismo que separa sólidos de distintos, tamaños, por asentamiento de partículas. El lodo pasa tangencialmente por la parte superior del cono o ciclón, simultáneamente se propicia una fuerza centrífuga que obliga las partículas a orientarse hacia la pared del cono. Las partículas grandes y pesadas precipitar y son eliminadas por el fondo del cono. El lodo restante se desborda por arriba y sale por la abertura del vértice.
Desarenador: Está diseñado para manejar grandes volúmenes de fluidos y remover sólidos livianos que han pasado por la malla de la zaranda.
Deslimador: Remueve sólidos que no retiene el desarenador.
Limpiadores de Lodo (Mud Cleaner): El principio básico de funcionamiento consiste en hacer pasar la descarga inferior del lodo del deslimador a través de una malla fina, recuperar la barita y eliminar los sólidos indeseables.
12 Centrífuga de Decantación: Remueve sólidos más pequeños 3.5 micrones. Elimina a demás de sólidos parte de la fase liquida del lodo que contiene material químico en solución tales como lignosulfonato, soda cáustica etc.
Desgasificador: Mecanismo que se encarga de retirarle gas al lodo a fin de propiciarle la densidad debida al lodo, evitar arremetidas y para facilitar bombeos efectivos de lodo y no de lodo con gas.
Agitador: Se instala en tanques, se encargan de batir al lodo, para evitar que los sólidos precipiten mantener uniforme las propiedades del lodo.
