Hidrau para Pozos Direccionales

Hidráulica para Pozos Direccionales

♦ Superar la presión de la formación♦ Estabilizar las paredes del agujero♦ Enfriar y lubricar a la barrena y a la sarta de perforación♦ Transporte de los cortes de perforación hasta superficie.

Proporcionar la potencia hidráulicas a las herramientas en el agujero.

Fluidos de Perforación

Funciones básicas

Propiedades del Fluido sistema de circulaciónSelección del caudalSelección de las toberas de la barrenaLimpieza del agujero, transporte de cortes de perforaciónRPM del tuboErosión del agujeroECD

Tópicos

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Fluidos de perforación Fundamentales

♦ GAS es altamente compresible. Su volumen es dependiente en la presión y la temperatura

♦ ESPUMA es compresible, la mezcla de aire/gas+agua+químicos

♦ LIQUIDO es levemente compresible , las características están cambiando con la presión y la temperatura

Propiedades de un fluido de perforación

Densidad ppg kg/dm3 SGViscosidad Embudo secViscosidad (PV-YP) cP - lb/100 ft2

Fuerza de Gel lb/100 ft2

Contenido de sólidos vol%

Basic data :

Cómo medimos las características reological del Fluido?

♦ Embudo De MarshEs el tiempo requerido para que 1 U.S. cuarto de galón (o 946 cm3) de fluido drenen a través de un embudo estandarizado.Ejemplo: el agua tiene una viscosidad de embudo de 26 segundos

♦ Viscosímetro Cilíndrico rotatorioMedida del esfuerzo de torsión (usualmente a 600,300,200,100,6 y 3 rpm) en los cilindros concéntricos sumergidos en el líquido en estudio. Las figuras en el dial son grados de rotación de un cilindro. Un factor de conversión se requiere para convertir las lecturas del dial a las unidades de esfuerzo cortante.

Principio del Viscosímetro Rotatorio

6-velocidades tiene el Viscosímetro de Cilindro rotatorio

ViscosímetroFann Model 35

Modelos Reologicos (1)

Que hace el modelo?:

Fórmulas matemáticos, permiten que calculemos la fuerzas de corte cualquier tasa de corte deseada.

T = f (D)

El parámetro de la función (“ f ”) depende del modelo de fluido seleccionado:

µ para el modelo de fluido newtonianoPV, YP para el modelo de fluido Bingham plastic

n, K para el modelo de fluido Power Law

Desde el esfuerzo de corte y la tasa de corte la viscosidad del fludopuede ser calculada:

µ = T/D

Esta es la viscosidad dinámica.

Viscosidad del agua a 20°C es 1 centi Poise : cP (1 dyn-s/cm2).


♦ Newtoniano♦ Bingham-plastic ♦ Power Law

♦ Yield-Power Law


Modelo Newtoniano

T = µ x D

µ viscosidad, P, cP

D tasa de corte,1/sT esfuerzo de corte,lb/100ft2

♦ Relación de corte:

Curva De Flujo Newtoniano

1/s

lb/100 ft2

1022511

R600 - R300

511

rpm300 600

Viscosidad Newtoniana= tan α

α

τ

D

Modelo Bingham-Plastico

♦ Relación de corte :

♦ El punto cedente es un esfuerzo inicial para una tasa de corte igual a 0, medida de las fuerzas de atracciones eléctricas en el lodo bajo condición de fluir

♦ Una ves el esfuerzo de cedencia es cedido, igual incrementos en la tasa de corte produce igual incremento en el esfuerzo de corte.

Esfuerzo de corte = (Viscosidad Plástica )x(Tasa de corte)+Punto cedente

T = PV x D + YP

Parámetros del Modelo De Bingham

Al usar un viscosímetro de Fann con R1-B1-F1combinación rotor -mover–espiral :

PV = (600 rpm lectura ) - (300 rpm lectura) [cP]YP = 2(300 rpm lectura) - (600 rpm lectura) [lb/100 ft2]

Nota: Para el uso del campo, el factor de la conversión es ignorado

Curva de Flujo Bingham-Plastic

YP

1/s

lb/100 ft2

1022511

R600 - R300

511

rpm300 600

α

Viscosidad Plástica = tan ατ

D

Modelo Del Plástico De Bingham

♦ La viscosidad aparente varia con la tasa de corte para fluidos no newtoniano.

♦ Viscosidad aparente decrece con el incremento de la tasa de corte.

♦ Ventaja: fácil utilizar, y representa a la mayoría de los fluidos de perforación.

♦ Desventaja : no representa con exactitud a los fluidos de perforación a bajas tasas de corte.

Modelo Power Law

♦ Los sistemas a base de agua del lodo son típicos

♦ Los valores n y K con usados en el modelo

♦ Los fluidos de perforación se comportan más plástico que el agua cuando están sujetados a incremento de presión y temperatura.

Modelo Power Law

♦ Relacion de corte (pseudoplastic fluid) :

Esfuerzo de corte = (K Factor De Consistencia ) x (Tasa de corte)n

♦ Factor Consistencia (K) describes el espesor del fluidoy la misma análogo a la viscosidad aparente

(i.e., con K los aumentos, lodo se convierten más denso )♦ Índice del comportamiento del flujo (n) indica el grado de comportamiento no-

Neutoniano .If n = 1, el fluido es newtoniano. If n > 1, viscosidad incrementa con incrementos de la tasa de corte (dilatant fluido) If 0 < n < 1, la viscosidad incrementa con incrementos del esfuerzo de corte

(pseudoplastic fluido)

T = K x Dn

Curva de Flujo Power Law

1/s

lb/100 ft2

1022511

511

rpm300 600

τ

D

♦ Para calcular n :

n = 3.32 log (600 rpm Lectura / 300 rpm Lectura) [-]

♦ Para calcular K :

K = (300 rpm Lectura) / 511n [lb-sn/100 ft2]

Parámetros Del Modelo Power Law

Modelo Power Law

Ventaja del modelo : representa el comportamiento del fluido de perforación a bajas tasas de corte mas exactamente.

♦ La mayoría de los fluidos de perforación son seudo plásticos

♦ La viscosidad disminuye con el aumento de tasa de corte.

Curva de Flujo Yield Power-Law

1/s

lb/100 ft2

1022511

511

rpm300 600

Y

τ

D

Curvas de Flujo de Diferentes Fluidos

1/s

lb/100 ft2

1022511rpm300 600

Ps.plasticNewtonicDilatant

shear rate

Esfuerzo de corten < 1n = 1n > 1

Uso de los Modelos de Fluido de perforación

♦ Modelo Power Law para sistemas de fluidos base agua, sintético-aceite o petrolizado.

♦ Modelo Bingham Plástico para sistemas de fluidos Base-Aceite.

Los mas ajustados:

Comportamiento Dependiente del Tiempo

♦ La mayoría de los fluidos de perforación presentan comportamientos dependientes del tiempo.

♦ El Esfuerzo de corte es dependiente en la duración del corte. ¿Por qué?

♠ Las placas o fibras de arcilla se descomponen en pequeñas partículas a altas tasas de corte.

♠ Estas partículas pequeñas agregadas en capaz unidades disminuyen de la tasa de corte.

♠ Ambos en este acontecimientos toman un considerable tiempo.

Fuerza de GelLa Fuerza de Gel describe el comportamiento dependiente del tiempo del fluido de perforación.

♦ Mide las fuerza de atracción dentro del fluido en condiciones estáticas.

♦ Incrementa gradualmente con el tiempo (Fuerte) o levemente con tiempo (gel débil ).

♦ El Gel Fuerte es el resultado de la alta concentración de arcilla la cual requiere excesiva presión para romper la circulación.

♦ Puede conducir a la circulación perdida (i.e., los geles fuertes son indeseables .)

♦ El movimiento del fluido es simple, sin disturbio.

♦ El movimiento ocurre al lado de una capa delgada del líquido "que se desliza" a lo largo de una superficie del conductor

♦ El movimiento ocurre como capaz delgada de fluido que se deslizan a lo largo de la superficie del conductor.

♦ El flujo tapón generalmente ocurre a caudales muy bajos.

♦ El límite superior generalmente aceptado para el flujo tapón es Nre = 100

Flujo Tapón

Regímenes Flujo

♦ Laminares son las cáscaras cilíndricas concéntricas que deslizan o se extienden más allá uno de otro como secciones de un telescopio.

♦ La velocidad en las paredes del tubo es “0”; la máxima velocidad esta en el centro del tubo.

Flujo Laminar

Regímenes Flujo

Flujo laminar en un Tubo(Fluido Newtoniano)

Perfil de Velocidad de un FlujoLaminar en un Tubo

(Fluido Newtoniano)

Velocity

Radiusr r

dvdr = 0

MAXV

0

♦ El fluido se mueve como un tapón esencialmente, debido al perfil de movimiento caótico, al azar.

♦ Solamente cerca de las paredes del tubo existe un perfil ordenado existen (capas de límite laminar)

♦ El gradiente de la velocidad es muy cercano a las paredes pero esencialmente plano hasta otra parte -formando remolinos

Flujo Turbulento

Regímenes Flujo

Perfil de Velocidad de un FlujoTurbulento en un Tubo

(Fluido Newtoniano)

Velocity

Radiusr r

MAXV

0

FlujoRégimenComparación

Formation

Formation

DriLL

Pipe

El flujo fluido puede ser laminar, transitorio o turbulento . ¿Cómo determinamos qué régimen es?

♦ Calcule el Nre y comparar con el numero de Reynolds critico (Nrec) ♦ Calcule la velocidad critica – basado en el Nrec – y compare con la velocidad del flujo actual

♦ Nota : Nrec = 2100 para el agua y Fluido Bingham plasticNrec = 3470 - 1370 para los fluidos seudoplásticos

Determinando el Régimen de Flujo

El Número De Reynolds

Diámetro del Tubo x Velocidad prom. Del Fluido x Dens. Del FluidoNre =

Viscosidad del Fluido

Nre =928 d v MW

µ

d diámetro interno del tubo, o (dh – dp), inv velocidad del fluido, ft/secMW densidad del fluido, lb/galµ viscosidad, cP

Circulación del Fluido de perforación

♦ El fluido de perforación es a presión a traves del manifolds-standpipe, kelly hose, swivel, kelly, tubería de perforación, barras y barrena.

Calcule la velocidad promedio a tarves del tubo como sigue

Típicamente, esta es 1000 ft/min (300 m/min). Es laminar o turbulento?

♦ La caída de presión a trabes de la sarta de perforación es aprox. El 35% del total de la presión de bombeo.

v = q/A

Velocidad del Flujo Anular

Para calcular la velocidad promedio anular ...

(Dh2 - Dp2)Vpromedio = 24.51 x Q ft/min

Q Caudal, gpmDh diámetro del agujero, inDp diámetro del tubo, in

Velocidad critica del Flujo anular

Para calcular velocidad crítica en el anular :

3.04 {PV + √ PV2 + 40.05YP (Dh - Dp)2 x MW }Vc =

(Dh - Dp) x MWm/min

PV Viscosidad critica, cPYP punto cedente, lb/100 sq.ftDh,Dp diámetro del agujero, diámetro del tubo, inchMW densidad del lodo, kg/l

Velocidad Critica del Flujo del Tubo

Para calcular velocidad crítica en el tubo:

2.48 {PV + √ PV2 + 73.57YP Dpi2 x MW }Vc =

Dpi x MWm/min

PV Viscosidad plástica, cPYP punto cedente, lb/100 sq.ftDpi diámetro interno del tubo, inchMW densidad del fluido, kg/l

Regimen de Flujo

Vaverage < Vcritical = Flujo laminar

Para determinar si el flujo es laminar o turbulento ...

Vaverage > Vcritical = Flujo turbulento

Perdida de Presión en el Sistema de Circulación

Flujo Anular laminar

turbulento

Flujo en el tubo laminar

turbulento

Pa

Pp

Densidad Equivalente de Circulación

Para calcular densidad que circula equivalente ...

ECD = MW + Σ Pa

0.052 x Lppg

MW Densidad de lodo, ppgΣ Pa Perdida de Presión total en el anular, psiL longitud del anular, ft

Selección de las Toberas de la Barrena

• 300 fps (100 m/s) Velocidad en las Toberas (o menos, en formaciones duras )

• 48-65% de la presión de bomba como caída de presión en la barrena

• HSI = 2.5 - 7 (según la recomendación del suplidos de la barrena )

• Suficiente caída de presión para la operación del motor de fondo.

• Presión adecuada para MWD, u otras herramientas que requieran potencia hidráulica en el agujero

♦ Para calcular velocidad de la tobera ...

Hidráulica en la Barrena

0.32 x QTFAVj = fps

Q Caudal, gpmTFA Área total de Flujo, in2

♦ Para calcular caída de presión de la barrena ...

Hidráulica De la Barrena

Pb =10,858 x TFA2

Q2 x MW psi

Q Caudal, gpmMW Densidad del lodo, ppgTFA Área total de flujo, in2

Optimización de la Hidráulica de la barrena

Maximizando ...

♦ la potencia hidráulica en la Barrena (BHHP)

♦ fuerza de impacto en la barrena (IF)o

Criterios De Optimización De la Hidráulica De la barrena - BHHP

Maximizando la potencia hidráulica en la barrena requiere 65% de la caída de presión disponible para la mecha

La potencia hidraulica en la barrena es:

BHHP =

Pb caída de presión en la barrena, psiQj caudal a través de las toberas, gpm

Pb x Qj

1714hp

Energía específica en la barrena

Potencia hidráulica en la barrena por pulgadas cuadradas :

HSI =1.27

BHHP potencia hidráulica en la Barrena, hpDb diámetro de la barrena, in

BHHPDb2

hp/ in2

Maximizar la fuerza de impacto en las toberas se requiere del 48% de la caída de presión disponible para la barrena.

La fuerza del impacto en las toberas es

Vj velocidad en las toberas, fpsQj caudal a través de las toberas, gpmMW densidad del fluido, ppg

Criterios De Optimización De la Hidráulica De la Barrena - IF

lbs1930

QVjMWIF ××=

Velocidad de slip (caída).

¿Cuál es velocidad de slip?

♦Es la velocidad a la cual los cortes caen al fondo del agujero con el lodo estático.

♦Para una efectiva eficiencia de limpieza, la velocidad promedio (o velocidad anular) debería ser por lo menos dos veces la velocidad de slip.

Número De Reynolds De la Partícula

NRes =d Vs MW

µ eff

d diámetro de la partícula, cmVs velocidad de caída (slip), cm/sMW densidad del fluido, g/cm3

µ eff viscosidad efectiva , P

si NRes < 10 Laminar caída (slip)

Caída (slip) Laminar – Velocidad De caída (slip)

53.3 x (Wcuttings - MW) x d2cuttings x

Vavg6.65 x YP x (Dh - Dp) + PV x Vavg

x 60Sv = fpm

Nota : para los fluidos Bingham-plástico

Caída (slip) Turbulento – Velocidad De caída (slip)

If NRes > 100 Turbulento Caída (slip

dcuttings x (Wcuttings - MW)

MWSv = 0.2 x fpm

Nota : para los fluidos Bingham-plástico

Eficiencia Del Transporte

TE = va - vs

va

x 100 %

Nota : el transporte eficiente debe ser mínimo 50% para una buena (aceptable) limpieza del agujero

Caudal de salida de la bomba de lodo

Cual de salida - bomba a duplex :

Qt = 6.8 x 10-3 nL(D2 - d2/2) gpm

Qt caudal teórico, gpmn strokes (carrera) por minutosL longitud de la carrera, in D diámetro de las camisas, ind diámetro de la barra del pistón, in

Caudal de salida de la bomba de lodo

Caudal de salida – bombas triplex:

Qt = 1.36 x 10-2 nLD2 gpm

Qt caudal teórico, gpmn strokes (carrera) por minutosL longitud de la carrera, in D diámetro de la camisa, in

Eficiencia Volumétrica de la Bomba

Eficiencia volumétrica :

ηv = Qout/Qt

Qout caudal de salida medido, gpmQt caudal teórico, gpm

♦ eficiencia volumétrica :♠ bombas de acción simple = 95% - 98%♠ bombas de doble acción = 90%

♦ la eficiencia es afectada por:♠ presión de descarga♠ velocidad de operación de la bomba♠ diseño de la línea de succión.♠ aireación del fluido♠ Desgaste mecánico

Eficiencia de la bomba de lodo

Potencia Hidráulica de la Bomba de Lodo

Ph =

donde

P presión de la bomba, psiQ salida de la bomba, caudal, gpm

P x Q1714

hp

Potencia Mecánica de la Bomba de Lodo (fuerza)

Energía del motor requerida

donde

ηm eficiencia mecánica, 0.85 - 0.90

ηv eficiencia volumétrica, en el mejor de los casos 0.98

Pm = Ph / (ηm ηv )

Fundamentos De Hidráulica de perforación

para Pozos Desviados

Mientras perforamos direccionalmente la hidráulica es mas compleja?

causas …

•En el agujero, son usados motor, turbina y otras herramientas hidráulicas que se requieren para desviar el pozo

•La telemetría de pulso en el lodo utilizada extensamente en MWD y LWD, estas herramientas, necesita consideraciones especiales

• el transporte de los cortes de perforación es problemático y critico en agujeros altamente desviados.

Pregunta

Tópicos

Propiedades del Fluido sistema de circulaciónSelección del caudalSelección de las toberas de la barrenaLimpieza del agujero, transporte de cortes de perforaciónRPM del tuboErosión del agujeroECD

Selección del caudalCalcular la velocidad anularCalcular la pérdida de presión anularCalcular la pérdida de presión en la sarta Calcular la pérdidas de presión en el motor, MWDCalcular la pérdida de la presión disponible para la

barrenaCalcular TFA, tamaño de las toberas y la velocidad.Calcular los SppChequear HHP, HHP/sq.inCalcular la pérdida de presión del sistema en superficieCalcular la presión de bomba, spm, tamaño de las

camisasCalcular la velocidad de caída y la relación de

transporte de los cortes perforados

Diseño Hidráulico

Propiedades del lodo

Requisitos :

• sólidos bajos, y bajo contenido de arena (< 2 %vol) • Lodo de agua fresca, o bajo contenido de aromáticos.•Buena reología para bajas perdidas de presión, pero eficiente transporte de los cortes.••Bajo coeficiente de fricción en ángulos/horizontal altas del agujero.

Requirements :

Requerimiento hidráulicos del Motor y del MWD

Motor de lodo :a) rango del caudal (gpm, liter/min)b) Max. presión diferencial de trabajo (psi, bar)c) rango de presión en la barrena (psi, bar)

MWD : a) rango del caudal (gpm, liter/min)b) presión en la barrena (psi, bar)

---------------------------------------------------------------------------Ejemplo : 6-3/4” SperryDrill 4/5 lobe, 4.8 stage motor

a) 300 - 600 gpm (1135 - 2270 liter/min)b) 590 psi (40.7 bar)c) 200 - 1200 psi (13.8 - 82.7 bar)

Selección del caudal (1)

• Crucial factor para una acertada limpieza del agujero, especialmente en los desviados

• El requerimiento de herramientas extras en el agujero debe ser considerado. Min-Max rango de caudal especificado para el motor de fondo, turbina y herramientas MWD.

• Guía: usar 2 x va en el agujero entre 50-60° que en un pozo vertical.

• Usar 100 fpm (30 m/min) de velocidad anular como punto iniciar y ajustar de ser necesario.

• Calcular el caudal para la velocidad anular seleccionada y chequear con el rango de caudal de operación del motor y el MWD.

•Consideraciones de flujo Laminar - transición - turbulento :

- Perdida de presión- ECD- Erosión del agujero

Selección del caudal (2)

Sistema de Circulación

Requisitos :

• Mínimo 2 - bombas triplex preferiblemente

• mantenimiento y carga adecuada del dampeners

• eficiente succión de los filtros.

• Imanes en los temblorines

• 3 temblorines para un agujero grande de 16” cuando el motor es planeado.

Es una fuente para incrementar el torque y el arrastre en agujeros altamente desviados:

– Contacto del pozo en el HS del agujero – Falta de limpieza limita el movimiento de la sarta de perforación, ya que se

acumulan los sólidos no removidos en las paredes el agujero, provocando:– Restricción del diámetro del agujero.– Reducción de la tasa de perforación.

Limpieza del Agujero

Agujero vertical – flujo uniforma y distribución de

los cortes

Agujero con alta inclinación – flujo irregular y

acumulación de los cortes en la parte baja del agujero

La rotación de la sarta es necesaria para agujeros con alta inclinación!

tubo

pipeBaja velocidad

del flujo Capa de cortes

Alta velocidad del flujo

Otras consideraciones

– Cuando la bomba es parada, la cama de cortes que se forma en las paredes del agujero, con un ángulo critico de desviación causara atascamiento de la tubería.

• Se debe tener una bomba adicional (o una unidad de cementación) para ser conectada en caso que la falla continua.

• Reciprocar intermitentemente la sarta de perforación con alta caudal para que el flujo entre en turbulencia.

• Verificar el retorno en superficie.

Limpieza Del Agujero

Barrenas con mas aletas encuentra mas dificulta durante los viajes

Cortes detrás del BHA

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0 a 30 inclinación de los grados :

– Los métodos convencionales limpian el pozo eficientemente – Suspensión efectiva de los cortes.– No hay tendencia de formarse capas de cortes.– Aplicación de la velocidad de slip. OK.– Adicionar de 20 a 30% como factor de seguridad en el tiempo de

circulación para agujeros desviados de la vertical

30 a 60 grados de inclinación :

– Problemas :• Tendencia a formar camas de cortes• Pega de tubería por empaque (al parar la circulación)

– Estrategias :• Circular el pozo encima del rango critico de inclinación y en cada

conexión.• Minimizar las paradas de la circulación• Frecuentemente realizar viajes cortos con backreaming.• Disponer de alta tasas de bombeo.• Circular frecuentemente píldoras de baja viscosidad, seguidas

de píldoras de alta viscosidad.


60 a 90 inclinación de los grados :

– Problemas :• Formación de camas de cortes• Insuficiente velocidad del fluido y transporte de los cortes en la cara

baja del agujero• Excesivo torque y arrastre.

– Estrategias :• Circular el pozo encima del rango critico de inclinación y en cada

conexión.• Minimizar las paradas de la circulación• Frecuentemente realizar viajes cortos con backreaming. • Disponer de alta tasas de bombeo.• Circular frecuentemente píldoras de baja viscosidad, seguidas de

píldoras de alta viscosidad.• Disponer de un fluido con baja viscosidad con flujo turbulento en el

anular del agujero abierto


Indicadores Del Problema

♦ Desviación de Tendencia de valores calculados del esfuerzo de torsión y de arrastre♦ Volumen de los cortes disminuye, o carencia de cortes♦Alta presión en el standpipe después de reiniciar la circulación en cada conexión♦Bajo o alto transporte de los cortes de perforación durante la circulación de las píldoras.♦Los cortes son redondeados y pequemos

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