Principios sobre Hidráulica de PerforaciónIPM

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Principios sobre Hidráulica de Perforación

Programa de Entrenamiento Acelerado para Supervisores

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• 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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• 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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• 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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• 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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• 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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• 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:

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Bomba de lodos

Tubería de Perforación

Espacio Anular

BarrenaBarrena

Agujero Abierto

Tubería de Revestimiento & cemento

Presa de Lodo

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• 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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• Margen Operativo de las Presiones del Lodo:

Presión

Hidráulica de la PerforaciónP

rofu

nd

idad

Presión de porosDEC

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);

vQ

d df =∗

−24 51

22

12

.

• Velocidad del fluido a través de la sarta de perforación Vf (pies/min):

vQ

df =∗24 51

2

.

• 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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• Número Reynolds (para flujo en el espacio anular):

( )[ ] ''2

22300 *69.8**/*69.43 NN

qN DpDhDpDh

QEMWR −

−

Θ=−

Laminar si RN < 2000Transición RN está entre 2000 y 3000Turbulento si RN >3000

Donde:

RN , Número Anular de Reynolds (sin dimensión)MW, Densidad del Lodo (lbs/gal)EqΘ300 Lectura del Viscosímetro Fann a 300 RPMDh, Diámetro del Agujero (pulgadas)Dp, Diámetro de la tubería (pulgadas)N’, valor “n” en la Ley de Potencia = log (Θ600 /Θ300 ) / log (600/300)

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• 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.

{ }n

nNC

c )DpDh(..R

)DpDh(Q−

−

−=2

1

30022

6986443 ρθ

Qc, Gasto o tasa de bombeo ,gpmRNC , Número Reynolds crítico , usualmente 2,000Dh , diámetro del agujero en pulgadasDp , diámetro de la tubería en pulgadas n, valor “n” de la Ley de Potencia = log (Θ600 /Θ300 ) / log (600/300)

Θ300 , lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM.

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• 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:

n

n

DpDhQ

DpDhAPL

+

−= +

)(69.8)/(75.3 12

300θ

Q,,, Gasto o tasa de bombeo, gpmAPL, pérdida de presión en el espacio anular psi/1000 ft.Dh , diámetro del agujero en pulgadasDp , diámetro de la tubería en pulgadasn, valor “n” en laLey de potencia = log (Θ600 /Θ300 ) /log (600/300)

Θ300 , lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM

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• 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:

23

2

)()(67.163

DpDhDpDhRQ

APLNC −−

⋅=

ρ

Q,, Gasto o tasa de bombeo ,gpmAPL, pérdida de presión en el espacio anular en psi/1000 pies.Dh , diámetro del agujero en pulgadasDp , diámetro de la tubería en pulgadasRNC , Número Reynolds crítico , usualmente 2,000ρ densidad del lodo en lbs/gal

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•• Densidad Equivalente de CirculaciónDensidad Equivalente de Circulación (DEC):(DEC):

• DEC es la suma de pérdidas de presión en el espacio anular dividida (profundidad x factor). En unidades de campo se expresa como:

oa

TVDP

DEC ρ+∗

Σ∆=

052.

DEC, Desnsidad Equivalente de Circulación en lbs/gal∆pa, Pérdida de la presión en el espacio anularTVD, Profundidad vertical verdadera en pies ρο Densidad del lodo en el pozo en lbs/gal

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• 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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•• Densidad Equivalente de CirculaciónDensidad Equivalente de Circulación (DEC):(DEC):

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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.

LD

VfP pp

p ×∗

=81.25

2 ρ

Pp , Pérdida de presión en la tubería en psifp , Factor de fricción para la tubería ρ Densidad del lodo en lbs/galVp, Velocidad de promedio dentrode la tubería en pies/segD, Diámetro interno de la tubería en pulgadasL, Longitud de la tubería en pies

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• Pérdida de fricción en las Toberas de la Barrena:

[ ] 22

2156

nb D

QP

Σ=∆

ρ

∆Pb , Pérdida de presión en la barrena en psiQ , Gasto o tasa de bombeo en galones por minuto, gpmDn , Diámetro de las toberas en 1/32 de pulgadaρ , Densidad del lodo en ppg

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• 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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• 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:

2

3.418

nDQ

VnΣ

=

• 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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• Fuerza de Impacto del Chorro: • La fuerza ejercida por el fluido de salida por debajo de la

barrena,• Se expresa como:

1930

ρni

QVF =

Donde:Fi , Fuerza de impacto del chorro en libras, Q, gasto o tasa de bombeo en gpm,Vn , velocidad del chorro en la tobera en pies/segρ , Densidad del lodo en lbs/gal

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• 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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• 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.

Optimización de la Hidráulica en la Barrena

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 JIF3. Decida la combinación de Toberas.4. Calcule los requerimientos de caballaje de la Bomba.

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• 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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