Perforando sin Problemas
Capitulos VII
LIMPIEZA DE AGUJEROS MI José Luis González González
Contenido
Introducción Eficiencia de limpieza de agujeros en pozos verticales. Factores que afectan la limpieza de agujeros en pozos verticales Eficiencia en la limpieza de agujeros en pozos direccionales Fact Factor ores es que que afe afect ctan an la la li limp mpie ieza za del del agu aguje jero ro en en pozo pozoss Direccionales Mecanismos de transporte de los recortes Perforación con aire y espuma Eficiencia de limpieza del agujero durante la perforación con aire Resumen
Introducción
Una insuficiente limpieza de agujeros
es en gran medida el responsable de las pegaduras de tuber í ía . Algunos argumentan que es la causa número 1 de pegaduras de tuber ías alrededor del mundo, especialmente en agujeros con ángulos de agujeros muy elevados.
Un estudio en el Mar del Norte, atribuye un 33%
de los incidentes de pegaduras de tuber ía a una limpieza pobre del agujero. De hecho cualquier empacamiento y pegadura de puente tienen a la limpieza del agujero como parte del proceso.
Introducción Los primeros trabajos se enfocaron en la remoción de los recortes de pozos verticales. Sin embargo en los últimos 20 años los esfuerzos de perforación han estado enfocados en los direccionales y alcance extendido de perforación.
Si los recortes generados por una barrena no son sacados de forma efectiva del espacio anular y eliminados posteriormente del pozos, nosotros comenzaremos a pegarnos. Los recortes pudieran pasearse en el agujero del pozo justo por debajo de los lastra barrenas mientras se perfora.
Eficiencia de limpieza de agujeros en pozos verticales Hay dos métodos matemáticos generalmente usados para predecir y evaluar la eficiencia en la limpieza de los agujeros en pozos verticales, un método es el de la concentración volumétrica de los recortes en el espacio anular y la otra es el de relación de transporte.
Concentración volumétrica de recortes =
Volumen de recortes en el anular
-----------------------------------------Total del volumen del anular
Una baja concentración significa que nosotros tenemos la mejor limpieza de agujeros. Nosotros debemos estar empeñados en levantar los recortes arriba del pozo. Los recortes sin embargo comienzan a ser empujados hacia abajo a través del lodo por gravedad con una velocidad terminal conocida como velocidad de deslizamiento. Para tener una velocidad de los recortes hacia arriba, la velocidad anular debe ser más grande que la velocidad de deslizamiento. La relación de velocidad de recortes y la velocidad en el espacio anular es llamado relación de transporte, y es otro método usado para
describir la eficiencia de la limpieza.
Eficiencia de limpieza de agujeros en pozos verticales
Relación de transporte = Vc/Vs Donde: Vc= Velocidad de recortes = V a-Vs Va= Velocidad anular = gasto del flujo/ área de flujo
Vs= Velocidad de deslizamiento= g = constante gravitacional dc= diámetro de los recortes ρ c= densidad del recorte ρ r = densidad del fluído.
2gdc(ρc-ρr ) 1.12ρf
Factores que afectan la limpieza de agujeros en pozos verticales
Los factores que se incluyen por tener un efecto en la limpieza de agujeros en pozos verticales: •Peso del lodo •Velocidad anular •Reología del fluido y régimen de flujo •Tamaño de recortes, forma y cantidad •Velocidad de penetración •Rotación de tubería y excentricidad •Tiempo.
Factores que afectan la limpieza de agujeros en pozos verticales Peso del lodo (factor de limpieza en pozos verticales) La influencia del peso del lodo en la limpieza de agujeros se ve de tres maneras: •Provee flotación para ayudar al levantamiento de recortes. •Afecta el momento del fluido •Afecta la fricción que el fluido puede impartir a los recortes cuando este pasando a través de este. La cantidad de levantamiento que nosotros obtenemos de la fuerza de
flotación, puede ser encontrada por la relación de la densidad de recorte y la densidad del fluido. Porcentaje de levantamiento = ρf /ρc Donde: ρf = densidad de recorte ρc= densidad del fluido
Factores que afectan la limpieza de agujeros en pozos verticales Densidad del lodo
+
Densidad del recorte
*100
8.33 ppg 10.5 ppg 16.0 ppg
+ + +
21 ppg 21 ppg 21 ppg
*100= *100= *100=
% de levantamiento 40 % 50 % 76 %
El lodo más pesado transfiere más momento a los recortes. La fricción
también pudiera ayudar a arrastrar los recortes lejos de la pared y regresarlos al flujo. La fricción también es influenciada por el peso del lodo mientras más alto sea el peso del lodo más alta será la fricción. Si el peso del lodo pudiera ser más bajo que cero, entonces no actuaría ninguna fuerza de flotación, momento o fricción al corte. Es por esto que el agujero no pudiera ser limpiado sin importar que tan alta fuera la velocidad en el espacio anular. Si el peso del lodo pudiera ser llevado más arriba que la densidad de los recortes, ninguna velocidad seria necesaria para limpiar el agujero los recortes simplemente flotarían hacia fuera del pozo. La experiencia de campo nos dice que cuando el peso del lodo incrementa nosotros tenemos menos problemas con la limpieza de agujeros y la podremos obtener con una velocidad menor en el espacio anular.
Peso del lodo Nada contribuirá mas a la eficiencia en la limpieza de agujeros en pozos verticales como un incremento en el peso del lodo. La razón de transportación incrementará y la concentración de recortes reducirá drásticamente en cuanto el peso del lodo comience a incrementar. Generalmente no ajustamos nuestro peso del lodo para mejorar la limpieza del agujero. Nosotros tratamos de mantener el peso del lodo con la condiciones que el agujero lo permita por razones de economizar. Así nosotros ajustamos nuestra velocidad anular o propiedades reológicas en primer lugar.
Velocidad anular (factor de limpieza para pozos verticales) La velocidad anular es el segundo factor que más afecta la limpieza eficiente de los agujeros en pozos verticales. La velocidad anular provee una fuerza de elevación a través de una transferencias de momento y fricción así como el lodo lo hace con los recortes. La transferencia de momento aumenta linealmente con la velocidad en flujos laminares así como lo hace el peso del lodo. Hay que darnos cuentas que la contribución proveniente de la velocidad anular depende, del peso del lodo. Si el peso del lodo fuera cero, no habría contribución a la limpieza del agujero por parte de la velocidad anular.
Figura 7-2
Perfil de flujo laminar
La distribución desigual de velocidades causa que los recortes sean presionados hacia la pared.
Velocidad anular (factor de limpieza para pozos verticales) Cuando nosotros hablamos acerca de la velocidad anular, generalmente nos referimos a un promedio en la velocidad anular , por que la velocidad anular no es constante en el diámetro del agujero del pozo. Es cero en las paredes y progresivamente se hace más rápido a medida que se separa de estas. Esto crea el perfil de la velocidad del flujo . El perfil del flujo representa la velocidad de el flujo a cierta distancia de las paredes. El perfil del flujo del lodo en nuestra línea de flujo, puede ser observada por una línea que se dibuje en la salida del flujo con bentonita pulverizada u obturantes. Esta línea nos da un perfil del flujo de 1 segundo el cual representa la velocidad de el lodo en pies/segundos en cualquier punto de la presa (figura 7-2)
Figura 7-2
Perfil de flujo laminar
La distribución desigual de velocidades causa que los recortes sean presionados hacia la pared.
Velocidad anular (factor de limpieza para pozos verticales) Como la velocidad corriente abajo de los recortes va incrementando, una fuerza de Bernoulli arrastra los recortes de regreso hacia donde hay más flujo donde es llevado hacia arriba de nuevo. Este movimiento cíclico (hacia arriba y hacia abajo), es conocido como reciclo del recorte, y causa que aumente la concentración de recortes en el espacio anular. La severidad del reciclado de los recortes depende en gran parte del perfil del flujo. Con un perfil del flujo plano, existe una menor tendencia que una partícula sea presionada contra la pared, y que la velocidad cerca de la pared se también mas rápida. Obviamente, nuestra meta es crear un perfil de flujo plano. Esto se logra con una combinación de velocidad anular y propiedades en el fluido.
Los recortes caen al acercarse a las paredes donde la velocidad es más lenta hasta que eventualmente regresan a donde hay un flujo más rápido corriente arriba donde son arrastrados a la parte alta de nuevo.
Figura 7-4 Reciclaje del recorte
Velocidad anular (factor de limpieza para pozos verticales) La velocidad anular y el perfil del flujo son influenciados por el tamaño del agujero. Mientras más grande sea el agujero, la velocidad cerca de las paredes va a ser más lenta. Esto es especialmente cierto, en secciones de lavado al sacar recortes. Así el problema de los recortes se empeora en diámetros más grandes y en las secciones más grandes del agujero. Los recortes pudieran también pegarse a la pared o reciclarse continuamente en la sección más agrandada del espacio anular. Cuando las bombas están apagadas. Estos recortes pueden caer de nuevo al agujero del pozo.
La velocidad cerca de las paredes es mucho mayor cuando el perfil del flujo es plano
Figura 7-5
Perfil de flujo
Reología de fluido y regimenes del flujo (Factores de limpieza en limpieza de pozos verticales) La forma de el perfil del flujo anular, depende del régimen del flujo que hay en este. El régimen del flujo es un tipo de relación entre la presión y la velocidad. Hay tres tipos de regímenes de flujo:
Flu jo jo Tur bu bulento
Flu jo jo Laminar
Turbulento Laminar Tapón
Velocidad
La presión incrementa más rápido en flujos turbulentos Fig 7-6
Gasto del flujo vs presión
Reología de fluido y regimenes del flujo (Factores de limpieza en limpieza de pozos verticales)
Fig. 7 7-7 A A Flu jo Tur bulento jo T
Fig. 7 7- 7 B Flu jo Laminar jo L
Fig. 7 7- 7 C Flu jo de T T ap ó n jo d
Fig. 7-7 Regímenes del flujo
Con menor presión y velocidad, el flujo es laminar , con mayor presión y velocidad el flujo es turbulento (Figura 7-6) con fluidos extremadamente viscosos a velocidades bajas, una variación de flujo laminar es conocido como “flujo tapón” existente. (Figura 7.7C). La velocidad a la cual los flujos se cambian de laminar a turbulento es influenciado por las propiedades del lodo.
Flujo Laminar Flujo laminar esta gobernado principalmente por las propiedad de viscosidad de el fluido. El fluido fluye suavemente, con todas las moléculas moviéndose en la misma dirección, pero a diferentes velocidades. El agua fluye lentamente en una línea de flujo este es un ejemplo de flujo laminar, como la figura adjunta, el agua se adhiere a un lado de la línea, y así la velocidad en las paredes es cero. Las propiedades de cohesividad del agua causa una fuerza de atracción que hace más lenta las moléculas de agua adyacentes que pasan cerca de las paredes. El perfil del flujo laminar es parabólico. La forma de este perfil depende de la viscosidad plástica de el fluido y de su punto de cedencia. El perfil plano se va desapareciendo, mientras el punto de cedencia y la viscosidad plástica (YP/PV)
Flujo Turbulento El flujo turbulento es más caótico y gobernado por propiedades internas del fluido. El flujo no fluye suavemente con todas las moléculas moviéndose en la misma dirección, como en el flujo laminar. Las moléculas se pegan en las paredes, así que el flujo en las paredes es cero igual como en el flujo laminar. En el cuerpo de todo el flujo, sin embargo, las moléculas se
mueven en todas las direcciones y a diferentes velocidades como en la figura. El promedio del flujo esta en la dirección corriente abajo, con un perfil del flujo que es mucho más plano que el flujo laminar. Un río rápido es un ejemplo de un flujo turbulento. Un perfil del flujo más plano provee una mejor limpieza del agujero. Un flujo parabólico grande como el agua en flujo laminar es ineficiente para la limpiezas en agujeros.
Curvas de consistencia El gasto de corte no es constante en el agujero del pozo (fig 7-10) este es muy alto en las paredes y muy pequeño en el centro del pozo. Esquematizando el esfuerzo cortante y el gasto cortante para cualquier lodo se produce una gráfica llamada curva de consistencia. Una curva de consistencia para agua limpia es mostrada en la figura 7-10 A.
Viscosidad Plástica La pendiente de la parte de línea recta en la gráfica en la figura 7-10 representa la viscosidad plástica. La viscosidad plástica representa la razón del incremento de las cargas en el esfuerzo cortante y el gasto cortante (∆τ⁄∆ν). Este es un resultado de interfaces mecánicas entre las partículas sólidas y el fluido. Y es mayormente una función del área de superficie total de los sólidos.
El área específica del recorte incrementa conforme su tamaño disminuye. El área específica es el total del área superficial, dividida entre el peso del recorte. Observe que el área específica aumenta al doble cada vez que el diámetro del recorte es dividido.
Viscosidad Plástica
Una película delgada de líquido de al menos 2 micrones cubre cada partícula sólida en el lodo. Cuando las partículas son grandes no mucho líquido se necesita para cubrirlas. De
acuerdo a como se van rompiendo estas piezas en partículas cada vez más pequeñas su área total incrementa. Cada vez más y más liquido se va encerrando entre las partículas que van cubriendo a medida que se van haciendo más pequeñas. Eventualmente, este líquido inmóvil constituye una porción considerable del porcentaje del volumen total del lodo. Fig 7-12 Viscosidad plástica
Viscosidad aparente La viscosidad aparente representa el total de presión requerida para originar cierto gasto al flujo. Este es una combinación de ambos, punto de cedencia y viscosidad plástica . Este se representa en una pendiente en la línea que intercepta cualquier punto de la curva de consistencia y el origen. Observe en la figura 7-13 que la viscosidad aparente disminuye en cuanto el gasto del corte aumenta. El punto de cedencia y la viscosidad plástica de un fluido sigue siendo constante en gastos del flujo moderados y nos da información significativa.
La viscosidad apar ente esta r epr esentada por una pendiente en la línea punteada. La viscosidad apar ente disminuye a como va incr ementando e el g gasto d de ccor te. Gasto de cor te
Fig. 7-13 Viscosidad aparente contra gasto de corte
Midiendo el punto de cedencia y la viscosidad plástica Los ingenieros de lodos miden el punto de cedencia y la viscosidad plástica con un viscosímetro FANN V-G. Este instrumento mide el esfuerzo de corte a diferentes velocidades de corte. El esfuerzo de corte es trazado por el flujo de corte producido en una copa rotatoria a 300 y 600 rpm. La viscosidad plástica es la tendencia de la línea. La ecuación para encontrar esta pendiente es:
PV = (Esfuerzo de corte a 600rpm – esfuerzo de corte a 300 rpm)/(velocidad de corte a 600 rpm- velocidad de corte a 300 rpm). PV = (Esfuerzo de corte 600 rpm- Esfuerzo de corte a 300 rpm) YP = Esfuerzo de corte a 300 rpm-(esfuerzo de corte a 600 rpm-esfuerzo de corte a 300 rpm) Puede ser como sigue:
YP = Esfuerzo de corte a 300 rpm – PV
Reograma
Determinación gráfica de punto de cedencia y viscosidad plástica.
θ
e n
Determinación gráfica de punto de cedencia y viscosidad plástica de un viscometro FANN V-G.
g r a d o s
θ=
esfuerzo de corte medido en grados.
Fig. 7-14
Gráfica de determinación de yp, vp
Velocidad de penetración El gasto de penetración controla tanto el tamaño como la cantidad de recortes generados. A altas velocidades de penetración, la barrena esta perforando en profundidades donde produce recortes grandes. Esto esta también produciendo más de ellos. Como la velocidad de penetración aumenta, la eficiencia en la limpieza del agujero debería aumentar. Un incremento en el torque con un incremento en la velocidad de penetración nos puede indicar que la barrena esta cavando en la parte más profunda y esta generado recortes muy grandes.
Tamaño de recortes, formas y cantidad ( Pozos Verticales) La velocidad de asentamiento incrementa con el tamaño y la densidad de los recortes. Esto incrementa también si los recortes son esféricos. Los
recortes grandes tienen una mayor tendencia a adherirse a las paredes, donde la velocidad de los fluidos es menor. Los efectos de la forma y la naturaleza de los recortes afecta la calidad del corte mínimo del lodo. Los sólidos inertes, y esféricos muestra poco corte mínimo.
Grandes cantidades de recortes interfieren con el perfil del flujo y también unos recortes con otros, reduciendo la eficiencia en la limpieza del agujero. La concentración de recortes a lo largo de las paredes incrementa la concentración de recortes en el agujero. Esto causa un cambio del perfil del flujo interno.
Una concentración de recortes forzaran el perfil interno de flujo. La velocidad cerca de las paredes será más lenta y los recortes se ciclaran
Fig. 7-15 Sólidos excesivos deforman el erfil del flu o
Rotación de la tuber ía y excentricidad ( Pozos Verticales) La rotación de la tubería mejora la relación de transporte de recortes, por el barrido de recortes lejos de las paredes y regresando al rápido movimiento de la corriente del flujo. La excentricidad de la tubería en el espacio anular reduce la relación de transporte de recortes. El perfil del flujo es más alargado del lado que no tiene tubería. El efecto de ambas, tanto rotación como excentricidad tienen un muy pequeño impacto en pozos verticales , pero llega a ser mucho más significativo en ángulos altos en los pozos.
La rotación de la tubería empuja los recortes lejos de las paredes y regresan al movimiento rápido del flujo.
La excentricidad de la tubería fuerza el perfil del flujo lejos del el lado de de la la tubería tubería que que esta esta lejos lejos la la parte que está recargada la la tubería.
Tiempo ( Pozos Verticales) Toma tiempo para circular los recortes lejos de la barrena y de las herramientas de fondo, antes de hacer una conexión. También toma tiempo circular para limpiar el agujero antes de comenzar a sacar tubería. Un gran número de incidente de pegaduras de tubería puede pasar por no permitir una suficiente circulación antes de una conexión o viaje. Una estimación de la cantidad de tiempo para limpiar el agujero debe ser establecido y comparado contra el tiempo actual observado para limpiar el pozo antes de cada viaje.
Eficiencia en la limpieza de agujeros en pozos direccionales
Limpieza en Agujeros Direccionales Introducción El mismo factor que tiene influencia en la limpieza en pozos verticales también tiene influencia en la limpieza en pozos direccionales. Sin embargo, hay algunas diferencias fundamentales en la cual estos factores aplican. Esto es debido mayormente a la cama de recortes de formación y al rápido acomodamiento de estos en algunos ángulos debido a un fenómeno conocido como Asentamiento de Boycott” En pozos verticales, la efectividad de la limpieza del agujero es monitoreado por el torque y las tendencias de arrastre y por inspección visual en las temblorinas. En un pozo direccional sin embargo, pueden haber camas de recortes substanciales incluso si las temblorinas están limpias y el torque y arrastre son moderados. En un pozo vertical, la limpieza del agujero puede ser mejorado por el decremento de la
Cuando el ángulo de inclinación aumenta, el componente axial de la velocidad de deslizamiento disminuye
Fig 7-18 Velocidad de deslizamiento en pozos inclinados
La diferencia en la Limpieza La diferencia fundamental entre los pozos verticales y horizontales son: •En pozos verticales, el esfuerzo de la limpieza de agujeros esta concentrada en reducir el asentamiento de los recortes. •En pozos direccionales, el énfasis esta en el arrastre de recortes de la cama de recortes y en la suspensión. •En el laboratorio, el promedio y la máxima altura de cama de recortes es usado para medir el funcionamiento de la limpieza de agujeros. El promedio de la altura de la cama nos da una indicación del volumen total de recortes en el espacio anular, mientras la altura máxima indica donde pudieran ocurrir las pegaduras, La razón de limpieza del agujero (HCR Hole Cleaning Ratio) propuesta por Marco Rasi, en un ejemplo de la evaluación de la eficiencia de la limpieza de agujeros usando la altura de las camas de recortes.
Factores que Afectan la Limpieza del Agujero en Pozos Direccionales
•
• • • • • •
El ángulo de inclinación Las propiedades del lodo y régimen de flujo La velocidad de penetración El tiempo El gasto Las capas (acumulación) de recortes La rotación y excentricidad de la tubería
Ángulo de Inclinación Hay tres zonas de inclinación distintas en un pozo direccional • 0° a 30° • 30° a 65° • 65° a 90° Las tres zonas a veces se dominan como regiones vertical, horizontal y de transición. La naturaleza de la acumulación de recortes y los mecanismos de la limpieza del pozo son marcadamente distintos en cada zona. En la sección vertical, algo que reduce la velocidad de deslizamiento mejora la limpieza del pozo. En realidad, solo el componente axial de la velocidad de deslizamiento afecta la limpieza del agujero. En la sección vertical, la mayoría del componente axial esta en la dirección vertical.
Fig. 7-19 Tres regiones de inclinación
