Para Lavado de Pozos
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Terminación
GUÍA DE DISEÑO
GUÍA DE DISEÑO PARA LAVADO DE POZOS
Una de las operaciones importantes durante la etapa de terminación es el proceso de lavado de pozo . Esta operación evita la depositación de sólidos en el intervalo productor y por consiguiente la disminución de la permeabilidad de la misma. Esta guía presenta la metodología práctica para llevar a cabo un diseño apropiado para lavado de pozos.
LAVADO DE CONTENIDO POZOS 1. OBJETIVO 2. INTRODUCCIÓN 3. METODOLOGÍA DE DISEÑO a. Sarta de lavado. b. Tipo, posición y cantidad de baches. c. Volumen o longitud lineal de baches. d. Presión diferencial máxima durante el desplazamiento. e. Ingeniería de fluidos. e.1. Velocidades anulares e.2. Régimen de flujo. e.3. Eficiencia de transporte. e.4. Gasto óptimo de desplazamiento. F.Nivel de turbidez (NTU). APÉNDICE 1. Nomenclatura. APÉNDICE 2. Presión diferencial dinámica. APÉNDICE 3. Caracterización de los Baches viscosos. APÉNDICE 4. Guía rápida de cálculo.
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1. OBJETIVO
Si la operación de lavado es ineficiente, los sólidos no removidos pueden taponar los poros y canales de la formación productora durante los disparos, causando una drástica reducción de la permeabilidad y con esto una disminución de la producción.
Desarrollar una guía práctica para diseñar y estandarizar el lavado de pozos durante la terminación, considerando los conceptos de ingeniería, así como el principio de daño a la formación, con la finalidad de E l a l c a n c e d e e s t a g u í a e s realizar una operación efectiva, rápida y exclusivamente el de diseñar una al menor costo posible. operación de lavado rápida, efectiva y al menor costo posible, con esto, la 2. INTRODUCCIÓN recomendación del tipo y propiedades del fluido de terminación queda fuera del El proceso de lavado de pozo tiene la alcance de esta guía. Lo anterior debido finalidad de desplazar el lodo y remover a la gran variedad en los tipos y los sólidos adheridos a las paredes de la composición química de los fluidos de tubería para eliminar partículas como t e r m i n a c i ó n , a s í c o m o e n l a s barita, recortes, cemento y sedimento, características mineralógicas y esto con el objeto de tener un fluido libre propiedades de los yacimientos de contaminantes, y así evitar daño a la productores en México. Por lo que para una selección apropiada de fluido de formación durante las operaciones de terminación se recomienda realizar disparos, estimulación, y/o pruebas de laboratorio para verificar la fracturamiento. interacción y compatibilidad entre roca La operación de lavado de pozo es prácticamente desplazar el lodo de perforación empleado en la última etapa por un fluido de terminación libre de sólidos, esto se realiza con el empleo de baches tales como separadores, lavadores y viscosos, como se ilustra en la Figura 1. En la mayoría de los casos el fluido de terminación es filtrado para la eliminación de partículas contaminantes.
fluido y fluido- fluido.
Lodo
Espaciador
Lavador
Viscoso Fluido de Terminación
Pozo lleno con lodo
Desplazamiento de lodo por fluido de terminación
Pozo lleno con fluido de terminación
Figura 1. Ilustración de lavado de pozo.
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Se efectuó un diagnóstico en las · Eficiencia de transporte. operaciones de lavado de pozos que se · Gasto óptimo de desplarealizan actualmente en UPMP, zamiento. observando que existe una gran f. Nivel de turbidez (NTU) variedad en la forma y las metodologías usadas para efectuar este proceso, estas van desde una manera muy a. Sarta de lavado simple hasta otras muy complejas y costosas. Respecto a la sarta de lavado se recomienda utilizar la tubería de Se utilizan diferentes accesorios en la perforación, tubo o niple aguja en la sarta de lavado (cepillos, escareadores, parte inferior y escareadores en serie tubería franca, tubo aguja ó niple, etc.), cuando existan dos diámetros de además la cantidad, la posición, el tipo y tubería de revestimiento, como se el volumen de los baches son muy muestra en la Figura 2. La utilización de diversos. También se ha observado que herramientas tales como cepillos, las propiedades de los fluidos lavadores difusores, escareadores rotatorios o y viscosos son variadas, así como el algún otro elemento mecánico que pretende mejorar la eficiencia de la criterio para el nivel de turbidez. limpieza deberá ser analizada previa su introducción al pozo con la finalidad de 3. METODOLOGÍA DE DISEÑO evaluar el riesgo En esta guiá se consideran los Tuberia de perforación siguientes parámetros para efectuar el diseño de lavado de pozo: a. Sarta de lavado. Escareador b. Tipo, posición y cantidad de baches. Combinación c. Volumen ó longitud lineal de los baches. Tuberia de perforación d. Presión diferencial máxima durante el desplazamiento. Escareador e. Ingeniería de fluidos. Tubo o niple aguja · Propiedades de los baches. · Velocidades anulares. Figura 2. Sarta de lavado · Régimen de flujo. recomendada.
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y el beneficio esperado por el incremento de recursos a emplear. En Fluido de perforación algunas ocasiones el lavado se realiza Fluido espaciador (agua o diesel) con molino, barrena o alguna herramienta soltadora, esto es correcto Fluido lavador siempre y cuando sea técnicamente factible y el objetivo del viaje no sea Fluido viscoso únicamente el de lavar el pozo, pues se Fluido de terminación evitaría un viaje adicional para el desplazamiento de lodo. Así mismo en algunas áreas esta operación se ha hecho con el aparejo de producción, lo c. Volumen o longitud lineal de baches cual sería conveniente siempre y La función del bache espaciador es cuando se considere lo anterior. separar dos fluidos para evitar su contaminación, por lo tanto, este debe proveer una distancia suficiente para b. Tipo, posición y cantidad de mantener los fluidos alejados uno del baches otro. Debido a lo anterior se recomiendan un volumen de bache espaciador Analizando operaciones previas de equivalente a 500 m lineales en el lavado, se ha observado que no se espacio anular más amplio, esto requiere una gran variedad y cantidad siempre y cuando no altere el programa de baches para ejecutar una operación de líquidos en el equipo. Para casos rápida y exitosa de lavado, por lo que se específicos se debe considerar la sugiere emplear únicamente los logística y el costo del diesel. siguientes tipos de fluidos: Respecto al cálculo del volumen de los baches lavadores y viscosos para la · Un fluido espaciador (agua o operación de lavado, se recomiendan diesel) los siguientes criterios: · Un fluido lavador. 1. 150 m lineales en el espacio anular · Un fluido viscoso. más amplio. · Fluido de terminación. La posición adecuada sería en el orden que se muestra en la Figura 3.
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2.10 minutos de tiempo de contacto en el espacio anular.
El tiempo de contacto se refiere al tiempo que en que estarán los baches en contacto con un punto especifico en el espacio anular. Se recomienda calcular el volumen de los baches empleando los dos criterios, los cuales son matemáticamente representados por las ecuaciones 1.1 y 1.2 y seleccionar el correspondiente al de menor volumen. d. Presión diferencial máxima durante el desplazamiento Se requiere obtener la presión diferencial máxima con el objeto de determinar el equipo de bombeo a utilizar. Si la presión diferencial es mayor a la presión de trabajo de las bombas de lodo, se deberá emplear la unidad de alta presión, de lo contrario emplear las bombas de lodo con el mayor diámetro posible de camisa. Esto con la finalidad de alcanzar el mayor gasto de bombeo.
diferencial máxima de presión en condiciones dinámicas, esto es considerando las perdidas de presión en el sistema, referirse al Apéndice 2.
e. Ingeniería de fluidos Como se comentó anteriormente, los fluidos que realizan el efecto de lavado de un pozo, es decir el desprendimiento y acarreo de los sólidos son: los baches lavadores y viscosos. Por tanto se analizaron los modelos reológicos que caracterizan el comportamiento de estos encontrando lo siguiente: los baches lavadores se comportan como fluidos Newtonianos, por otra parte los baches viscosos se comportan como fluidos No-Newtonianos, siguiendo el modelo de ley de potencias. Baches lavadores
La ecuación 1.3 considera condiciones estáticas, lo cual es una buena aproximación para definir el equipo a emplear. Si se desea calcular la
Considerando lo anterior, el esfuerzo de corte en los baches lavadores es directamente proporcional a la
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velocidad de corte, por tanto la (2100), la geometría de flujo, así como viscosidad es constante. las propiedades del fluido lavador se calcula la velocidad mínima para Es conocido que el desplazamiento más a l c a n z a r l a s condiciones de eficiente es cuando el flujo alcanza el turbulencia. Posteriormente se puede régimen turbulento, esto es debido a determinar el gasto mínimo requerido que la energía del fluido remueve mas durante la operación de desplazamiento fácilmente los sólidos adheridos en las del fluido lavador. paredes del revestimiento. Por lo tanto un buen criterio es predecir las condiciones en las cuales inicia el fenómeno de turbulencia. Para obtener el tipo de flujo que se presenta en las diferentes secciones del sistema es necesario conocer el número de Reynolds. Es sabido que para alcanzar un régimen turbulento en este tipo de fluidos, se requiere alcanzar valores del numero de Reynolds mayores a 2100, en otras palabras, este sería el número de Reynolds crítico.
Una vez que se sabe el valor del número de Reynolds que se requiere obtener
Para saber si se está llevando a cabo una operación adecuada de desplazamiento, se calcula la eficiencia de transporte de los sólidos en el sistema, la cual es función de la velocidad de deslizamiento de la partícula y de la velocidad del fluido. Ver Figura 4.
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ajustan al modelo de Ley de Potencias. El Apéndice 3 presenta la Caracterización de estos fluidos. El modelo de Ley de Potencias requiere dos parámetros para su caracterización, los cuales son: el índice de comportamiento y el índice de consistencia, el primero es considerado como una medida del grado de desviación de un fluido del comportamiento Newtoniano, un valor Figura 4. Comportamiento de líneas de de uno, el fluido se comportará como un flujo sobre la partícula. fluido Newtoniano. Por otra parte el La velocidad de deslizamiento es segundo parámetro es indicativo del función de las características de los grado de bombealidad o espesamiento sólidos a transportar y del fluido lavador. del fluido. En este proceso se presentan diferentes p a r t í c u l a s t a l e s c o m o : b a r i t a , Estos índices se obtienen empleando sedimentos, contaminantes, etc. De los las lecturas del viscosímetro rotacional anteriores se considera que la barita es una de las partículas mas pesadas en el “Fann-35” proceso, por lo cual este análisis dará un buen resultado si se considera la barita En el modelo de Ley de Potencias se como el sólido a evaluar. El rango API de requiere calcular la viscosidad aparente la barita es de 25 75 micrones, por lo para obtener el número de Reynolds, que se considerara el máximo tamaño ésta es función de los índices que para este cálculo (75 micrones = 0.003 caracterizan el fluido, así como de la pulgadas). geometría y la velocidad de flujo. Baches viscosos A diferencia de los fluidos lavadores, los baches viscosos se comportan como fluidos no-Newtonianos, los cuales se
Para alcanzar condiciones de turbulencia, el número de Reynolds tiene que ser mayor que el número de Reynolds crítico, este último es función del índice de comportamiento de flujo.
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Determinación del gasto
æ ö q 600 ÷ n= 3.322 logç ç ÷ q 300 ø è 510q 300 K = 511 n
Las condiciones para alcanzar este escenario es teniendo un número de Reynolds mayor al crítico, por tanto después de obtener el índice de comportamiento es posible conocer el número de Reynolds crítico. Una vez que se conoce el número de Reynolds crítico, tenemos dos ecuaciones con dos incógnitas, resolviendo estas simultáneamente se puede calcular la velocidad crítica, la cual sería la mínima requerida para alcanzar el régimen turbulento.
Flujo Laminar
Flujo Turbulento
El procedimiento para determinar el gasto adecuado de lavado es el siguiente: 1. D e t e r m i n a r e l í n d i c e d e comportamiento de flujo. (n) 2. C a l c u l a r e l í n d i c e d e consistencia. (K) 3. Obtener el número de Reynolds. (NRec) 4. Determinar la velocidad crítica. (vc) 5. Estimar el gasto mínimo adecuado de bombeo. (qmin)
El flujo mas apropiado de los baches viscosos es el turbulento, esto se puede visualizar analizando la ecuación de eficiencia de transporte.
Debido a la alta viscosidad de los baches, es difícil alcanzar condiciones de turbulencia, por lo que se tiene que modificar las viscosidades a
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niveles donde se presenten las mejores eficiencias de transporte. Como se comentó anteriormente, la eficiencia de transporte depende de la velocidad de deslizamiento de la partícula, en este caso se aplicaran las ecuaciones para fluidos de Ley de Potencia, representadas por las ecuaciones 1.15 y 1.16.
F. Nivel de turbidez. Figura 5. Gasto mínimo para alcanzar condiciones de turbulencia.
La turbidez de un fluido es una medida de la luz dispersada por las partículas Como se ilustra en el análisis de la Figura 5, misma que muestra el gasto suspendidas en el fluido. Esta es mínimo para alcanzar las condiciones medida con un Nefelómetro. de turbulencia los fluidos con viscosidades de 50 segundos Marsh Un fluido limpio ha sido definido como fluyendo en condiciones de turbulencia, uno que no contiene partículas de alcanzan una capacidad de transporte diámetro mayor a 2 micras y dar un valor similar a un fluido de viscosidad de 250 de turbidez no mayor a 30 NTU. Por lo segundos en régimen laminar. Por tanto tanto se deberá filtrar únicamente hasta en la mayoría de los casos es más que se alcance un valor de 30 NTU. conveniente emplear un bache agua polímero (económico) de baja viscosidad en lugar de un bache de Se recomienda realizar una grafica de composición compleja (costoso) muy valores de filtrado con respecto al viscoso. tiempo.
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K= Índice de consistencia(eq cp) Índice de comportamiento de n= flujo
N= Velocidad del rotor Fann
NTU
N Re = Número de Reynolds N Re c = Número de Reynolds crítico Tiempo (min)
ptbl = Presión de trabajo de la bomba (kg/cm2)
Figura 6. Tiempo vs NTU.
Siguiendo esta simple guía se podrá obtener un eficiente lavado de pozo a un bajo costo. El Apéndice 4 muestra una guía rápida de cálculo para el lavado de pozo. Este formato indica de una manera sencilla el procedimiento para obtener los parámetros necesarios para una operación adecuada de lavado. Apéndice 1. Nomenclatura
dP = Diámetro de la partícula (pg) d1 = Diámetro externo de la T.P. (pg)
d2 = Diámetro interno de la T.R. (pg)
FT = Factor de transporte (%)
Profundidad vertical de la prof vert = sarta (m)
q= Gasto de bombeo (gal/min)
v= Velocidad media de flujo (pies/seg) Velocidad critica de flujo vc = (pies/seg)
Velocidad de los baches v fl = (pies/seg)
Vol = Volumen de los baches (lt)
vsl = Velocidad de deslizamiento (pies/seg)
r = Densidad de los baches (gr/cc) Densidad del fluido lavador r fl = (gr/cc)
Densidad del fluido separador r fs = (gr/cc)
Densidad del fluido de r fp = perforación (gr/cc)
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r Densidad de la partícula s =
Pbba = Phy-lodo -Phy-fluido+Pfric-fluido
D p=
Pbba = D p +Pfric-lodo+Pfric-fluido
(gr/cc)
Diferencial de presión (kg/cm2)
q N =
Lectura del viscosímetro Fann a velocidad N
q 300 =
Lectura del viscosímetro Fann a 300
q 600 =
Lectura del viscosímetro Fann a 600
m a =
Viscosidad aparente (cp)
m =
Viscosidad (cp)
Apéndice 2. Presión diferencial dinámica Cuando la densidad del lodo es mayor que la del fluido de terminación, La presión diferencial máxima se presenta cuando la interfase se encuentra en el fondo del pozo.
P1
La presión en P1 es igual a:
P2
P1 = Phy Pfric lodo + lodo La presión en P2 es igual a: P2 = Phy Pfric Pbba fluido fluido +
Sabemos que:
Apéndice 3.
Caracterización de los baches viscosos. Igualando y resolviendo las ecuaciones Se tomaron las lecturas en el previas para la presión de bombeo viscosímetro Fann de tres baches con tenemos tres diferentes viscosidades y los datos P1 = P2
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se graficaron en coordenadas rectangulares y logarítmicas. El comportamiento que exhibieron fue claramente el de un modelo de Ley de Potencias
2.
3.
4. Apéndice 4. Guía rápida de cálculo. 1.
Datos del pozo. Profundidad interior vertical Profundidad interior desarrollada
5.
Diámetro externo de las tuberías de la sarta de lavado d1.1. =Profundidad vertical de la sarta de lavado= d1.2. = d1.3. = Diámetro interno de las TR's expuestas al fluido de terminación. d1.1. = d1.2. = d1.3.= Datos del fluido de perfo -ración Tipo= r fp= Datos del bache separador. Tipo= R fS= m = Datos del bache lavador. Tipo= r = m = Datos del bache viscoso. L600= L300= Velocidad Marsh= Datos de las bombas de Lodo. Máxima presión de trabajo= Máximo gasto=
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6.
Cálculo de volúmenes de los 9. Baches. Estos se calculan en El espacio anular mas amplio. Bache separador.
()
Vol = 0.5067 d 22 d12 * 500 Bache lavador.
()
Vol = 0.5067 d 22 d12 * 150
Bache viscoso.
Vol = q* 37.85 7.
Cálculo de la presión diferencial e stática.
( prof vert * r r fp fs ) D p= 10 8.
Gasto mínimo de bombeo considerando turbulencia del baChe lavador y eficiencia de Transporte.
2100 m v= ( 6,318.7 r d2 d1 )
()
qmin = 2.448v d 22 d12
) 1152 ( r r d p2 vsl = s m vsl FT = 1v fl
Gasto mínimo de bombeo considerando turbulencia del bache lavador y eficiencia de transporte. æ ö q 600 ÷ n= 3.322 logç ç ÷ q 300 ø è 510q K =300 511n
() N Re c = 3470 1370 n 1 n 2n ì ü 1 æ ö 2+ ÷ ç ï ï N Re c K ï ï n ç ÷ vc = í ý ( ) 909 , 893 r 0 . 0208 d d ç ÷ 2 1 ï ï ç ÷ ï ï è ø î þ
()
qmin = 2.448vc d 22 d12
n
æ1 ö 2+ ( 1n) ç ÷ K( d2 d1 ) n ÷ ç m a = ( n) 144v 10.0208 ÷ ç ç ÷ è ø
d2 ) vsl = 692 p ( r r s m a vsl FT = 1v fl
Nota: En caso de requerir un gasto de bombeo sumamente elevado, disminuir la viscosidad del bache hasta alcanzar un gasto razonable, si esto es aún elevado realizar el desplazamiento con el mayor gasto posible.
