COMANDO GENERAL DEL EJÉRCITO ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA “MCAL. ANTONIO JOSE DE SUCRE”
BOLIVIA
CARRERA
: INGENIERIA PETROLERA
SEMESTRE
: SEPTIMO ¨A¨
MATERIA
: PERFORACION PETROLERA II
NOMBRES
: FAVIO JUNIOR HINOJOSA SUARES ALFREDO MORALES CHAVEZ MARCO ANTONIO PONCE SEJAS
DOCENTE
: ING. JOSE MEJIA RAMOS
FECHA
: 7 DE ABRIL DEL 2016
COCHABAMBA – BOLIVIA
C4498-9 C4504-7 C4723-6
Contenido INTRODUCCION .............................................................................................................................. 3 ANTECEDENTES ............................................................................................................................ 3 MARCO TEORICO ........................................................................................................................... 5 DEFINICION DE FLUIDO DE PERFORACION ...................................................................... 5 ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA DE LA BARRENA (TREPANO). ........................................ 5 PÉRDIDAS DE PRESIÓN DEL EQUIPO SUPERFICIAL ...................................................................... 5 PÉRDIDAS DE PRESIÓN DE LA COLUMNA DE PERFORACIÓN ...................................................... 6 PÉRDIDA DE PRESIÓN EN LOS INTERVALOS DE TUBERÍAS .......................................................... 6 PÉRDIDA DE PRESIÓN DEL INTERVALO ANULAR ......................................................................... 6 PERDIDA DE PRESIÓN EN LA BARRENA ....................................................................................... 6 POTENCIA DE FUERZA HIDRÁULICA EN LA BARRENA ................................................................. 7 POTENCIA HIDRÁULICA POR PULGADA CUADRADA DEL AREA DE LA BARRENA ........................ 7 VELOCIDAD DE LAS TOBERAS DE LA BARRENA ........................................................................... 7 FUERZA DE IMPACTO .................................................................................................................. 8 FUERZA DE IMPACTO POR PULGADA CUADRADA DEL AREA DE LA BARRENA ........................... 8 POTENCIA HIDRÁULICA TOTAL DEL SISTEMA CIRCULANTE ........................................................ 8 DENSIDAD EQUIVALENTE DE CIRCULACIÓN ............................................................................... 8 REGÍMENES DE FLUJO ..................................................................................................................... 9 Flujo laminar ................................................................................................................................ 9 Flujo turbulento........................................................................................................................... 9 Flujo transicional ......................................................................................................................... 9 TÉRMINOS USADOS EN LOS CÁLCULOS DE HIDRÁULICA ................................................................ 9 NÚMERO DE REYNOLDS (N ) RE .................................................................................................. 9 NÚMERO CRÍTICO DE REYNOLDS (N ) ....................................................................................... 10 FACTOR DE FRICCIÓN (F) ........................................................................................................... 10 FACTOR DE FRICCIÓN DEL ESPACIO ANULAR ............................................................................ 10
LOS PARÁMETROS CALCULADOS EN LA HIDRÁULICA DE UN POZO SON LOS SIGUIENTES ................................................................................................................................... 10 OPTIMIZACION DE LA HIDRAULICA ........................................................................................ 11 CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 11
HIDRAULICA DE PERFORACION
INTRODUCCION La perforación de pozos petroleros requiere de una hidráulica que cumpla con los objetivos de mejorar la eficiencia de la barrena y proveer un eficiente acarreo de los recortes de formación a la superficie. El sistema hidráulico está integrado por el equipo superficial, la sarta de perforación, y el espacio anular. El cálculo hidráulico en este sistema define el diámetro óptimo de las toberas de la barrena, con el cual se obtendrá la potencia hidráulica del flujo del fluido de perforación que promueva la óptima remoción de recortes, incremento en la velocidad de penetración y en la vida de la barrena. En consecuencia, una reducción en el costo total de la perforación.
ANTECEDENTES Uno de los aspectos más estudiados sobre los factores que afectan a la eficiencia de la perforación ha sido el efecto de la hidráulica de perforación. No obstante la gran cantidad de estudios e investigaciones realizadas, aún existe una gran falta de entendimiento de los fundamentos; a la fecha existe aún desacuerdo entre los llamados expertos.
Es pertinente aclarar que el fluido de perforación, independientemente de la velocidad de éste a través de las toberas de la barrena, no destruye la roca consolidada significativamente en ningún grado. Por lo tanto, en lo que a “hacer agujero” se refiere, la función de la hidráulica y
fluido de perforación es únicamente eliminar los recortes del fondo del pozo y del agujero. La remoción instantánea de los recortes debajo de la barrena es prácticamente imposible; sin embargo, la utilización apropiada de la energía hidráulica disponible puede minimizar la permanencia de los recortes en el fondo y evitar que sean remolidos por la barrena y de esta forma incrementar la velocidad de penetración. Generalmente se ha aceptado el hecho de que se requiera de un gasto de flujo suficiente para limpiar la barrena y que la velocidad del fluido a través de las toberas sea la necesaria a fin de liberar los recortes debajo de la barrena, que son retenidos contra el fondo del pozo por efectos de la presión diferencial. Por otra
parte, se ha establecido que la velocidad del fluido debajo de la barrena tiene un mayor efecto sobre la velocidad de penetración que el gasto de flujo. En muchas formaciones suaves y medias es difícil determinar el límite de limpieza del fondo necesaria para obtener una mayor velocidad de penetración. En muchos casos, la velocidad de penetración es tan alta que parece que el agujero está siendo excavado por la acción del fluido y la hidráulica. MARCO TEORICO DEFINICION DE FLUIDO DE PERFORACION El API define un fluido de perforación como un fluido de circulación utilizado en perforación rotaria para realizar cualquiera o todas las funciones requeridas en operación de perforación. Desde otro punto de vista es un fluido de características físico químicas apropiadas. Puede ser aire, gas, agua, petróleo y combinaciones de agua-aceite con diferente contenido de sólidos. ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA DE LA BARRENA (TREPANO). La presente secuencia de cálculos ha sido diseñada con el fin de permitir al técnico analizar con rapidez y exactitud los diversos parámetros de la hidráulica de la barrena. Se proporcionan ciertas Reglas básicas como lineamientos para que los principiantes interpreten los datos resultantes. Debe recordarse que dichas “Reglas” no son absolutas y tampoco se aplican a todos los casos. Cada vez que
se excedan los valores máximos, existe la posibilidad de reducir la vida útil de la barrena. La pérdida de presión total para este sistema se puede describir matemáticamente como: PTotal = PEquipo Superf . + PColumna Perf . + PBarrena + PEspacio Anular PÉRDIDAS DE PRESIÓN DEL EQUIPO SUPERFICIAL Las pérdidas de presión superficiales incluyen las pérdidas entre el manómetro del tubo vertical y la tubería de perforación. Esto incluye el tubo vertical, la manguera del kelly, la unión giratoria y el kelly o la rotaria viajera.
PÉRDIDAS DE PRESIÓN DE LA COLUMNA DE PERFORACIÓN La pérdida de presión en la columna de perforación es igual a la suma de las pérdidas de presión en todos los intervalos de la columna de perforación, incluyendo la tubería de perforación, los portamechas, los motores de fondo, las herramientas de MWD/LWD/PWD o cualquier otra herramienta de fondo. PÉRDIDA DE PRESIÓN EN LOS INTERVALOS DE TUBERÍAS Los intervalos de la columna de perforación (incluyendo los portamechas) son determinados por el DI de la tubería. La longitud de un intervalo es la longitud de la tubería que tiene el mismo diámetro interior.
PÉRDIDA DE PRESIÓN DEL INTERVALO ANULAR La pérdida de presión para cada intervalo debe ser calculada separadamente y sumada para obtener la pérdida total de presión total del intervalo anular. Esta ecuación se usa para calcular las pérdidas de presión de los intervalos Individuales.
PERDIDA DE PRESIÓN EN LA BARRENA
Permite obtener la presión circulante total que se consume en la barrena. Regla: En general, cuando se utiliza entre el 50% y el 65% de la presión superficial en la barrena, se obtiene una hidráulica adecuada.
La pérdida de presión a través de la barrena se calcula con la siguiente ecuación:
En el caso de barrenas sacanúcleos o de cortadores de diamantes, el Área de Flujo Total (TFA) y los factores apropiados de conversión son sustituidos dentro de la ecuación para obtener:
POTENCIA DE FUERZA HIDRÁULICA EN LA BARRENA Calcula el total de caballos de fuerza hidráulica disponibles a lo largo de la cara
de la barrena. Los caballos de fuerza hidráulica son una medida del trabajo que se realiza al moverse el fluido.
POTENCIA HIDRÁULICA POR PULGADA CUADRADA DEL AREA DE LA BARRENA Convierte el total de caballos de fuerza hidráulica en la barrena a caballos de
fuerza hidráulica disponibles por pulgada cuadrada de la cara de la barrena. Regla: Un intervalo general de HHPB/PULG2 para la perforación optimizada es de 2.5 a 5.0.
VELOCIDAD DE LAS TOBERAS DE LA BARRENA Calcula la velocidad a la cual se mueve el fluido a través de las toberas de la
barrena a la tasa existente de flujo. Regla: La velocidad de las toberas varía entre 250 y 450 pies/seg. Para la mayoría de las operaciones de perforación.
FUERZA DE IMPACTO Proporciona el total de la fuerza en libras que se ejerce en la cara de la formación
al hacer circular el fluido a través de las toberas de la barrena. Regla: En la mayoría de las operaciones de perforación se maximiza la fuerza de impacto cuando el 50% de la presión superficial se consume en la barrena.
FUERZA DE IMPACTO POR PULGADA CUADRADA DEL AREA DE LA BARRENA Convierte la fuerza total de impacto en la fuerza disponible por pulgada cuadrada
del área de la cara de la barrena.
POTENCIA HIDRÁULICA TOTAL DEL SISTEMA CIRCULANTE Permite calcular el caballaje hidráulico total que se consume en el sistema
circulante. Se utiliza como criterio de comparación de la eficiencia del programa hidráulico.
DENSIDAD EQUIVALENTE DE CIRCULACIÓN La presión en una formación durante la circulación es igual al total de las pérdidas de presión de circulación anular desde el punto de interés hasta el niple de campana, más la presión hidrostática del fluido. Esta fuerza se expresa como la densidad del lodo que ejercería una presión hidrostática equivalente a esta
presión. Este peso equivalente del lodo se llama Densidad Equivalente de Circulación (ECD). ECD (lb/gal) = ⟆ /) +
() , ()
REGÍMENES DE FLUJO Hay tres tipos básicos de regímenes de flujo, que son: 1) Laminar 2) Turbulento 3) Transición Flujo laminar tiene lugar entre bajas y moderadas velocidades de corte en que las
capas de fluido pasan unas junto a otras en forma ordenada. Este movimiento es paralelo a las paredes del cauce a través del cual se mueve el fluido. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es menor en este tipo de flujo. Flujo turbulento se produce a altos índices de cizallamiento, cuando el fluido se
mueve en forma caótica. En flujo turbulento las partículas son arrastradas por giros al azar y remolinos de corriente. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es mayor para este tipo de flujo. Flujo transicional cuando el flujo cambia de flujo laminar a flujo turbulento o
viceversa. La velocidad crítica de un fluido es la velocidad particular a la cual el flujo cambia de laminar a turbulento o viceversa.
TÉRMINOS USADOS EN LOS CÁLCULOS DE HIDRÁULICA Se usan ecuaciones matemáticas para predecir el comportamiento de los fluidos de perforación que circulan a través de las tuberías y espacios anulares. Las velocidades y caídas de presión encontradas durante la circulación son de particular importancia para las operaciones de perforación. Varios importantes términos usados en cálculos de hidráulica se definen debajo. NÚMERO DE REYNOLDS (N ) RE Un término numérico adimensional decide si un fluido circulante estará en flujo
laminar o turbulento. A menudo un número de Reynolds mayor de 2,100 marcará el comienzo de flujo turbulento, pero no siempre es así.
NÚMERO CRÍTICO DE REYNOLDS (N ) Este valor corresponde al número de Reynolds al cual el flujo laminar se convierte
en flujo turbulento. FACTOR DE FRICCIÓN (F) Este término adimensional es definido para fluidos de la ley de la potencia en flujo
turbulento y relaciona el número de fluido de Reynolds con un factor de “aspereza” de la tubería. La Figura 9-2 muestra la relación entre el número de Reynolds y el factor de fricción para flujo laminar (N < 2100), y de diversos valores de n para fluidos en flujo turbulento (Re > 2100). Si el número de Reynolds es inferior o igual a 2100:
Si el número de Reynolds es mayor que 2100:
FACTOR DE FRICCIÓN DEL ESPACIO ANULAR Si el número de Reynolds es inferior o igual a 2100:
Si el número de Reynolds es mayor que 2100:
LOS PARÁMETROS CALCULADOS EN LA HIDRÁULICA DE UN POZO SON LOS SIGUIENTES Caudal reducido
Caudal crítico
Perdidas de presión por fricción en conexiones superficiales
Perdidas de presión por fricción en el interior de la sarta
Perdidas de presión por fricción en el espacio anular
Perdidas de presión por fricción en las boquillas del trépano
Cálculos y análisis de los parámetros de la hidráulica
Porcentaje de limpieza del pozo
OPTIMIZACION DE LA HIDRAULICA La optimización de la hidráulica es el uso eficiente y racional de la energía o presión de la bomba que se está empleando para desplazar o circular el lodo a través del sistema. Uno de los factores más importantes para una buena penetración es una hidráulica óptima. Los métodos utilizados para realizar la optimización hidráulica de un pozo son los siguientes:
Máxima Potencia o Potencial Hidráulico
Fuerza de Impacto o Máximo Impacto
Velocidad en las boquillas
Los parámetros calculados en la optimización son los siguientes:
Caudal máximo
Caudal mínimo
Pérdida de presión excluyendo el trépano
Cálculo de la pendiente
Presión óptima en las boquillas
Velocidad óptima en las boquillas
Área óptima en las boquillas
Diámetro óptimo en las boquillas
CONCLUSIONES Con la ayuda del cálculo hidráulico definiremos el diámetro óptimo de las toberas de la barrena, con el cual se obtendrá la potencia hidráulica del flujo del fluido de perforación que promueva la óptima remoción de recortes, incremento en la velocidad de penetración y en la vida de la barrena.
Podemos establecer que la aplicación de la hidráulica no tiene como función perforar el agujero, sino acelerar la remoción de los recortes.