Programa de Entrenamiento
Acelerado para Supervisores
Principios sobre
Hidráulica de Perforación
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IPM
Principios sobre Hidráulica de Perforación
Hidráulica de la Perforación
• Contenido:
• Objetivos,
• Conceptos básicos de Hidráulica,
• Pérdidas de Presión y Densidad Equivalente de
Circulación,
• Selección de Toberas para la Barrena,
• Optimización Hidráulica.
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Hidráulica de la Perforación
• Objetivos:
• Al final de esta presentación USTED PODRA:
• Entender los conceptos básicos de la hidráulica de la
perforación,
• Describa varias pérdidas de presión
• Factores que afectan la DEC
• Seleccione las toberas de la barrena para optimizar la
hidráulica de la barrena
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Hidráulica de la Perforación
• Circulación de Fluidos:
• La circulación del fluido tiene que diseñarse para
remover los recortes con eficiencia y también para
enfriar la cara de la barrena,
• Estos requerimientos pueden satisfacerse al
aumentar el caudal o gasto de la bomba,
• Sin embargo, el incremento en la velocidad de
bombeo del fluido (gasto) puede causar una
erosión excesiva de la cara y una falla prematura
de la barrena.
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Hidráulica de la Perforación
• Barrena de Conos de Rodillo:
• La velocidad de penetración es función de muchos
parámetros incluyendo:
• Peso Sobre la Barrena, WOB,
• Velocidad de Rotación de la barrena, RPM,
• Propiedades del Lodo,
• Para evitar un influjo de fluidos desde la formación
al agujero, la presión hidrostática del lodo debe ser
ligeramente más alta que la presión de la formación
(margen de seguridad),
• Eficiencia Hidráulica.
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Hidráulica de la Perforación
• Eficiencia Hidráulica :
• Los efectos del aumento de caballaje hidráulico en la
barrena son similares a su efecto sobre las barrenas de
cono,
• El fabricante con frecuencia recomienda un caudal de
flujo mínimo en un intento por asegurar que la cara de
la barrena se mantenga limpia y la temperatura del
cortador se mantenga al mínimo,
• Este requerimiento para la tasa de flujo puede tener un
afecto adverso sobre la optimización del caballaje
hidráulico en la barrena, HHP.
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Hidráulica de la Perforación
• Importancia de una buena Hidráulica para perforar:
• Remoción de recortes en el espacio anular,
• Presión hidrostática para balancear la presión del poro y
prevenir que se colapse el agujero del pozo,
• DEC (Densidad Equivalente de Circulación),
• Presiones de Surgencia / suaveo durante los viajes de
entrada y salida de la sarta en el pozo
• Limitación de la capacidad de bombeo,
• Optimización del proceso de perforación (Max HHP
consumido en la barrena o Max Impacto del Chorro),
• Efectos de Presión y Temperatura.
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• Limpieza del Agujero:
• Velocidad Anular,
• Velocidad de penetración (ROP),
• Viscosidad,
• Angulo del Agujero,
• Densidad del Lodo,
• Ensanchamiento del Agujero por erosión (lavado)
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• Sistema de Circulación:
Bomba
de lodos
Presa de Lodo
Tubería de
Perforación
Espacio Anular
Barrena
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Tubería de Revestimiento
& cemento
Agujero Abierto
Barrena
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Hidráulica de la Perforación
• Pérdidas de Presión en el Sistema Circulante:
• Pérdida de presión en el equipo de la superficie,
• De la bomba al “stand pipe”, manguera rotaria, Kelly o
Top Drive, hasta la parte superior de la tubería de
perforación.
• Pérdida de presión a través de la sarta de perforación,
• Pérdida de presión en las herramientas del fondo:
• PDM / Turbinas,
• Absorbedores de impacto / Martillos de Perforación,
• MWD / LWD.
• Pérdida de presión a través de las toberas en la barrena,
• Pérdidas de presión en el espacio anular.
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Hidráulica de la Perforación
• Margen Operativo de las Presiones del Lodo:
Profundidad
Presión
Presión de poros
DEC
Presión de Fractura
Presión Hidrostática del Lodo
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• Conceptos Básicos de Hidráulica;
• Velocidad promedio del fluido,
• Velocidad del fluido a través del espacio anular Vf (pies/min);
v f =
24 . 51 ∗ Q
d 22 − d 12
• Velocidad del fluido a través de la sarta de perforación Vf (pies/min):
v f
•
•
•
•
Q = Gasto o tasa de bombeo (gal/min, gpm),
d2 = Diámetro del agujero (pulgadas),
d1 = Diámetro externo de la sarta de perforación (pulgadas),
d = Diámetro interno de la sarta de perforación (pulgadas).
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IPM
=
24 . 51 ∗ Q
d 2
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Hidráulica de la Perforación
• Número Reynolds (para flujo en el espacio anular):
Q
R N = 43 . 69 * MW / E q Θ 300 *
2
2
Dh − Dp
2− N '
* [8 . 69 * ( Dh − Dp )]
Laminar si RN < 2000
Transición RN está entre 2000 y 3000
Turbulento si RN >3000
Donde:
RN ,
MW,
EqΘ300
Dh,
Dp,
N’,
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IPM
Número Anular de Reynolds (sin dimensión)
Densidad del Lodo (lbs/gal)
Lectura del Viscosímetro Fann a 300 RPM
Diámetro del Agujero (pulgadas)
Diámetro de la tubería (pulgadas)
valor “n” en la Ley de Potencia = log (Θ600 /Θ300 ) / log (600/300)
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N'
Hidráulica de la Perforación
• Cálculos para el Flujo Crítico:
• La velocidad de bombeo (gasto) a la cual el perfil de flujo en el
espacio anular más pequeño pasa de laminar a turbulento.
• Es importante mantener el flujo en laminar al perforar a través
de formaciones mecánicamente inestables.
R NC θ 300
Q c = ( Dh 2 − Dp 2 )
43 . 64 ρ
Qc,
RNC ,
Dh ,
Dp ,
n,
Θ300 ,
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IPM
{ 8 . 69 ( Dh − Dp ) }
n
1
2−n
Gasto o tasa de bombeo ,gpm
Número Reynolds crítico , usualmente 2,000
diámetro del agujero en pulgadas
diámetro de la tubería en pulgadas
valor “n” de la Ley de Potencia = log (Θ600 /Θ300 ) / log (600/300)
lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM.
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Hidráulica de la Perforación
• Pérdidas de Presión en el Espacio Anular – Flujo Laminar:
• Si la tasa de bombeo (gasto) está por debajo del Número
Reynolds crítico en el espacio anular el cálculo de pérdida
de presión en psi/1000 ft. es:
APL
= 3 . 75 θ 300
Q,,,
APL,
Dh ,
Dp ,
n,
Θ300 ,
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IPM
Q
2 n +1
/( Dh − Dp )
8 . 69 ( Dh + Dp )
n
Gasto o tasa de bombeo, gpm
pérdida de presión en el espacio anular psi/1000 ft.
diámetro del agujero en pulgadas
diámetro de la tubería en pulgadas
valor “n” en laLey de potencia = log (Θ600 /Θ300 ) /log (600/300)
lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM
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Hidráulica de la Perforación
• Pérdidas de Presión en el Espacio Anular – Flujo Turbulento:
• Si el gasto de flujo está por arriba del número Reynolds
crítico, el cálculo de pérdida de presión del espacio anular
en psi/1000 ft. será:
APL
Q,,
APL,
Dh ,
Dp ,
RNC ,
ρ
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IPM
=
R NC
163 . 67 ρ ⋅ Q 2
( Dh − Dp ) 3 ( Dh − Dp ) 2
Gasto o tasa de bombeo ,gpm
pérdida de presión en el espacio anular en psi/1000 pies.
diámetro del agujero en pulgadas
diámetro de la tubería en pulgadas
Número Reynolds crítico , usualmente 2,000
densidad del lodo en lbs/gal
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Hidráulica de la Perforación
• Densidad Equivalente de Circulación (DEC):
• DEC es la suma de pérdidas de presión en el espacio anular dividida
(profundidad x factor). En unidades de campo se expresa como:
DEC
DEC,
∆pa,
TVD,
ρο
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IPM
Σ∆ P a
=
TVD ∗ . 052
+ ρo
Desnsidad Equivalente de Circulación en lbs/gal
Pérdida de la presión en el espacio anular
Profundidad vertical verdadera en pies
Densidad del lodo en el pozo en lbs/gal
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Hidráulica de la Perforación
• Densidad Equivalente de Circulación (DEC):
• Factores que afectan la DEC:
• Densidad del lodo.
• Pérdidas de presión en el espacio anular Pa.
• Geometría del agujero, viscosidad efectiva,
temperatura, presión, gasto o tasa de bombeo,
• Velocidad de penetración y tamaños de los
recortes,
• Eficiencia de la limpieza del agujero
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• Pérdida de presión dentro de la tubería:
• Suponiendo flujo turbulento dentro de la sarta de
perforación o el número Reynolds > 2100.
P
Pp ,
fp ,
ρ
Vp,
D,
L,
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IPM
p
=
f
25
p V
. 81
2
p
∗
ρ
D
×
L
Pérdida de presión en la tubería en psi
Factor de fricción para la tubería
Densidad del lodo en lbs/gal
Velocidad de promedio dentrode la tubería en pies/seg
Diámetro interno de la tubería en pulgadas
Longitud de la tubería en pies
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Hidráulica de la Perforación
• Pérdida de fricción en las Toberas de la Barrena:
∆ Pb
∆Pb ,
Q ,
Dn ,
ρ ,
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IPM
156 Q
=
2
Σ D n
[
2
]
ρ
2
Pérdida de presión en la barrena en psi
Gasto o tasa de bombeo en galones por minuto, gpm
Diámetro de las toberas en 1/32 de pulgada
Densidad del lodo en ppg
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Hidráulica de la Perforación
• Caballaje Hidráulico:
• HHP en la barrena = (∆Pb Q ) / 1714
• Donde;
• HHP , caballaje hidráulico,
• .∆Pb , pérdida de presión en la barrena en psi,
• Q , gasto o tasa de bombeo en gpm.
• HHP en la bomba = (∆Pt Q) / 1714
• Donde;
• HHP , caballaje hidráulico,
• ∆Pt , pérdida total de presión en el sistema, psi (SPP),
• Q , gasto o tasa de bombeo en gpm.
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Hidráulica de la Perforación
• Velocidad del chorro en las Toberas:
• Se relaciona muy estrechamente con la acción de limpieza
que se está dando en la barrena,
• Puede llevar a la erosión del agujero a altas velocidades en
formaciones frágiles,
• Se expresa como:
Vn
=
418
.3 Q
Σ D n2
• Donde:
• Vn , velocidad del chooro en la tobera en pies/seg
• Q,
gasto o tasa de bombeo en gpm
• .ΣDn 2, suma del cuadrado de los diámetros de las toberas en 1/32 de pulg
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Hidráulica de la Perforación
• Fuerza de Impacto del Chorro:
• La fuerza ejercida por el fluido de salida por debajo de la
barrena,
• Se expresa como:
Fi =
QV n
ρ
1930
Donde:
Fi ,
Q,
Vn ,
ρ ,
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IPM
Fuerza de impacto del chorro en libras,
gasto o tasa de bombeo en gpm,
velocidad del chorro en la tobera en pies/seg
Densidad del lodo en lbs/gal
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Hidráulica de la Perforación
• Otras Aplicaciones de la Hidráulica;
• Para calcular o estimar las velocidades de asentamiento
de los recortes perforados con o sin circulación,
• Para calcular las presiones de surgencia y de suabeo,
• Para calcular velocidades seguras en corridas de sartas
de perforación y de revestimiento,
• Para calcular la máxima velocidad de penetración para
un gradiente de fractura dado.
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Optimización de la Hidráulica en la Barrena
• Máximo Caballaje Hidráulico
Debe adoptarse para uso en formaciones blandas a medias.
• Máxima Fuerza de Impacto del Chorro
Debe adoptarse para uso en formaciones medias a duras..
• Máxima Velocidad del Chorro
Se basa en la presión máxima permisible en la superficie a
un gasto o tasa de bombeo seleccionado.
Cálculo del flujo:
1. Después de determinar el modelo de reología, calcule la capacidad
de transporte del fluido.
2. Calcule la caída de presión para el agujero usando ya sea el Max HHP o JIF
3. Decida la combinación de Toberas.
4. Calcule los requerimientos de caballaje de la Bomba.
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Hidráulica de la Perforación
• Ahora USTED podrá:
• Entender los conceptos básicos de hidráulica de la
perforación
• Describir y calcular las pérdidas de presión en el
sistema
• Describir los factores que afectan la DEC
• Entender el proceso para optimizar la hidráulica de
la barrena
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