HIDRÁULICA DE PERFORACIÓN.

Uno de los aspectos mas estudiados sobre los factores que afectan a la eficiencia de la perforación ha sido el efecto de la hidráulica de perforación.

No obstante la gran cantidad de estudios e investigaciones realizadas, aún existe una gran falta de entendimiento de los fundamentos; a la fecha existe aún desacuerdo entre los llamados expertos.

Posiblemente en lo que a perforación se refiere, la razón de la existencia de este desacuerdo se debe a que no existe una respuesta universalmente aceptada a las siguientes preguntas:

¡Qué cantidad de limpieza del fondo del agujero se requiere para una formación y área determinada?

¿Cuál es el método de diseño hidráulico que permitirá incrementar la limpieza de la barrena y del fondo del agujero?

¿Qué parámetro emplear para representar un cierto nivel de limpieza?

Es pertinente aclarar que el fluido de perforación, independientemente de la velocidad de éste a través de las toberas de la barrena, no destruye la roca consolidada significativamente en ningún grado.

Por lo tanto, en lo que a “hacer agujero” se refiere, la función de la hidráulica y fluido de perforación es únicamente eliminar los recortes del fondo del pozo y del agujero.

La remoción instantánea de los recortes debajo de la barrena es prácticamente imposible; sin embargo, la utilización apropiada de la energía hidráulica disponible puede minimizar la permanencia de los recortes en el fondo y evitar sean remolidos por la barrena y de esta forma incrementar la velocidad de penetración. Por lo tanto, se puede establecer que la aplicación de la hidráulica no tiene como función perforar el agujero, sino acelerar la remoción de los recortes.

Generalmente se ha aceptado el hecho de que se requiera de un gasto de flujo suficiente para limpiar la barrena y que la velocidad del fluido a través de las toberas sea la necesaria a fin de liberar los recortes debajo de la barrena, que son retenidos contra el fondo del pozo por efectos de la presión diferencial. Por otra parte, se ha establecido que la velocidad del fluido debajo de la barrena tiene un mayor efecto sobre la velocidad de penetración que el gasto de flujo.

En muchas formaciones suaves y medias es difícil determinar el límite de limpieza del fondo necesaria para obtener una mayor velocidad de penetración. En muchos casos, la velocidad de penetración es tan alta que parece que el agujero está siendo excavado por la acción del fluido y la hidráulica.

1

ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA DE LA BARRENA.

La presente secuencia de cálculos ha sido diseñada con el fin de permitir al técnico analizar con rapidez y exactitud los diversos parámetros de la hidráulica de la barrena. Se proporcionan ciertas Reglas básicas como lineamientos para que los principiantes interpreten los datos resultantes. Debe recordarse que dichas “Reglas” no son absolutas y tampoco se aplican a todos los casos. Cada vez que se excedan los valores máximos, existe la posibilidad de reducir la vida útil de la barrena.

∆PB(PERDIDA DE PRESIÓN EN LA BARRENA): Esta ecuación permite obtener la presión circulante total que se consume en la barrena. Regla: En general, cuando se utiliza entre el 50% y el 65% de la presión superficial en la barrena, se obtiene una hidráulica adecuada.

HHPB (CABALLAJE DE FUERZA HIDRÁULICA EN LA BARRENA): Calcula el total de caballos de fuerza hidráulica disponibles a lo largo de la cara de la barrena. Los caballos de fuerza hidráulica son una medida del trabajo que se realiza al moverse el fluido.

HHPB/pulg2 (CABALLAJE HIDRÁULICO POR PULGADA CUADRADA DEL AREA DE LA BARRENA): Convierte el total de caballos de fuerza hidráulica en la barrena a caballos de fuerza hidráulica disponibles por pulgada cuadrada de la cara de la barrena. Regla: Un intervalo general de HHPB/PULG2 para la perforación optimizada es de 2.5 a 5.0.

VT (VELOCIDAD DE LAS TOBERAS DE LA BARRENA): Calcula la velocidad a la cual se mueve el fluido a través de las toberas de la barrena a la tasa existente de flujo. Regla: La velocidad de las toberas varía entre 250 y 450 pies/seg. Para la mayoría de las operaciones de perforación.

IF (FUERZA DE IMPACTO): Proporciona el total de la fuerza en libras que se ejerce en la cara de la formación al hacer circular el fluido a través de las toberas de la barrena. Regla: En la mayoría de las operaciones de perforación se maximiza la fuerza de impacto cuando el 50% de la presión superficial se consume en la barrena.

IF/pulg2 (FUERZA DE IMPACTO POR PULGADA CUADRADA DEL AREA DE LA BARRENA): Convierte la fuerza total de impacto en la fuerza disponible por pulgada cuadrada del área de la cara de la barrena.

%lb/pulg2B (CABALLAJE HIDRÁULICO DE LA PERDIDA DE PRESIÓN EN LA

BARRENA): Proporciona el porcentaje de la presión total superficial que se consume en la barrena. Éste es el parámetro complementario a ∆PB en el paso 1.

HHP DEL SISTEMA (CABALLAJE HIDRÁULICO TOTAL DEL SISTEMA CIRCULANTE): Permite calcular el caballaje hidráulico total que se consume en el sistema circulante. Se utiliza como criterio de comparación de la eficiencia del programa hidráulico.

NOTA: El % del caballaje hidráulico en la barrena es igual a la pérdida de presión porcentual en la barrena.

2

HIDRÁULICA DE PERFORACIÓN.

FORMULARIO:

1. Capacidad interior.

Cap. Int. = (d2) 0.5067

2. Capacidad anular.

Cap. An. = (D2 – d2) 0.5067

3. Gasto por embolada.

4. Gasto de bomba.

Si la velocidad de penetración es: Aplicar: Menor de 4.5 m/hr 35 gal/min/pg. Mayor de 4.5 m/hr 40 a 45 gal/min/pg. Mínimo (Por algún problema en las operaciones) 30 gal/min/pg.

5. Tiempo de atraso.

6. Velocidad anular.

3

Ta =Volumen anular

GastoTa =

Prof. X 3.28

Vel. anular

Vel. An. = 24.51 x Q

D2 – d2

Q = D2 x L

98

= Gal/emb.

Q = D2 x L

25.9

= Lts/emb.

Q = 0.0102 x D2 x L = Gal/emb.

Q = 0.0386 x D2 x L = Lts/emb.

7. Velocidad anular óptima.

8. Velocidad de asentamiento de los recortes.

9. Pérdidas de presión por fricción en el interior de la sarta.

L (*): Tipos de equipo superficial.

TipoTubo vertical Manguera Unión giratoria Kelly

Long. (ft) ID (Pg) Long. (ft) ID (Pg) Long. (ft) ID (Pg) Long. (ft) ID (Pg)1 40 3 45 2 4 2 40 2 ¼2 40 3 ½ 55 2 ½ 5 2 ¼ 40 3 ¼3 45 4 55 3 5 2 ¼ 40 3 ¼4 45 4 55 3 6 3 40 4

10. Pérdidas de presión por fricción en el espacio anular.

En donde:

Vo = Velocidad anular óptima, en Pies/min.Da = Diámetro del agujero, en Pg.DL = Densidad del lodo, en Gr/cm3.

En donde:

Vs = Velocidad de asentamiento, en m/seg.ø = Diámetro del recorte, en Pg.Ds = Densidad del recorte, en Gr/cm3.De = Densidad del lodo, en Gr/cm3.VA = Viscosidad aparente, en Cps.

En donde:

ΔPI = Pérdidas de presión por fricción en el interior de la sarta, en Lb/pg2.

Vp = Viscosidad plástica, en Cps.Q = Gasto de bomba, en Gal/min.DL = Densidad del lodo, en Gr/cm3.L = Longitud de la sección, en m.D = Diámetro interior, en Pg.700.3 = Factor.

4

Vo = 1,416

Da x DL

Vs = 21.23 x ø2 (ds – de)

VA

* Recortes – 2.4 a 2.8 Gr/cm3.

ΔPI = Vp0.18 x DL0.82 x Q1.82 x L

700.3 x d 4.82

11.Densidad equivalente de circulación.

12.Área de toberas.

13.Pérdidas de presión en la barrena.

En donde:

ΔPEA = Pérdidas de presión por fricción en el espacio anular, en Lb/pg2.

Vp = Viscosidad plástica, en Cps.Q = Gasto de bomba, en Gal/min.DL = Densidad del lodo, en Gr/cm3.L = Longitud de la sección, en m.D = Diámetro del agujero o TR, en Pg.d = Diámetro exterior DC o TP, en Pg.700.3 = Factor.

En donde:

DEC = Densidad equivalente de circulación, en Gr/cm3.

ΔPEA = Pérdidas de presión por fricción en el espacio anular, en Lb/pg2.

Prof. = Profundidad del pozo, en m.DL = Densidad del lodo, en Gr/cm3.0.703 = Factor.

En donde:

DEC = Densidad equivalente de circulación, en Gr/cm3.

Ph = Presión hidrostática, en Kg/cm2.ΔPEA = Pérdidas de presión por fricción en el

espacio anular, en Kg/cm2.DL = Densidad del lodo, en Gr/cm3.10 = Factor.

5

Vp0.18 x DL0.82 x Q1.82 x L

700.3 (D – d)4.82

ΔPEA =

+ DLDEC = 0.703 x ΔPEA

Prof.

DEC = (Ph + ΔPEA) x 10

Prof.

At = (Diámetro en número de 32avos)2 (Número de toberas iguales)

1,303.79

= Pg2.

DL x Q2

1,303 x At2

ΔPB = = Lb/pg2. ΔPB = 156.5 (Q2) (MW)

[(J1)2 + (J2)2 + (J3)2 ...]

= Lb/pg2.

14.Caballaje de fuerza hidráulica en la barrena.

15.Caballaje hidráulico por pulgada cuadrada del área de la barrena.

16.Velocidad de las toberas de la barrena.

17.Fuerza de impacto.

18.Fuerza de impacto por pulgada cuadrada del área de la barrena.

19.Porcentaje de la pérdida de presión de la barrena.

6

HHHPB = Q x ΔPB

1,714

= HP.

= HHP/pg2.HHHPB/pg2 = HHHPB x 1.27

Diám bna2

IH = ΔPB x Q

1,346.18 x Db2

ó

Vt = 0.32 x Q

At

= Pies/seg. Vt = 417.2 xQ

[(J1)2 + (J2)2 + (J3)2 ...]

= Pies/seg.

IF = Vt (Q) (MW)

1,930

= Lbs.

IF/pg2 = IF x 1.27

Db2

= Lbs.

%PgB = ΔPB

Lb/pg2 en superficie

x 100 = %.

20.Caballaje hidráulico total del sistema circulante.

EJEMPLO DE UN CÁLCULO HIDRÁULICO.

Efectúe un calculo hidráulico completo con los siguientes datos:

Profundidad – 3,850 m.

7

HHPsistema = Lb/pg2 en superficie x Q

1,714

= HP.

Barrena 12 ¼” , 3 toberas de 16, ROP – 6 m/hr. TR 13 3/8”, 54.5 lb/pie, diámetro interior – 12.615”,. a 2820 m Lodo – 1.36 gr/cc, Vp – 25 cps, Va – 22 cps. Lastra barrenas de 8” x 3” , 219 kg/m, 89 m. TP 5” x 3” Hevi Wate, 74.50 kg/m, 110 m. TP 5” x 4.276, 19.5 lb/pie. Bombas Ideco T-1300, camisas 6 ½” x 12”, al 90%, 105 emboladas por minuto.

1. Capacidad interior.

2. Capacidad anular.

Volumen total: 34,715.70 lts. 255,216.06 lts. 289,931.76 lts.

3. Gasto por embolada. Q = 0.0102 x 6.52 x 12 x .90 = 4.65 gal/emb.

4. Gasto de bomba.

4.65 gal/emb. X 105 = 488 gal/min.

5. Tiempo de atraso.

9.26 lts/m x 3,651 m = 33,808.26 lts.4.56 lts/m x 199 m = 907.44 lts.

Cap. interior = 34,715.70 lts.

43.61 lts/m x 89 m = 3,881.29 lts.63.37 lts/m x 941 m = 59,631.17 lts.67.96 lts/m x 2820 m = 191,669.30 lts.

Cap. Anular = 255,216.06 lts.

8

Ta = 255,216.06 lts.

1,847.08 lts/min.

= 138 min. = 2 hrs. 18 min.

6. Velocidad anular.

7. Velocidad anular óptima.

8. Velocidad de asentamiento de los recortes.

0.30 m/seg. x 3.28 x 60 = 59 pies/min.

9. Pérdidas por fricción en el interior de la sarta.

9

Vel. An. = 24.51 x 488

12.252 – 52

= 95.6 ≈ 96 pies/min.

Vao = 1,416

12.25 x 1.36

= 84.99 ≈ 85 pies/min.

Vs = 21.23 x 0.52 (2.6 – 1.36)

22 = 0.299 ≈ 0.30 m/seg.

Vs = 4,718 x 0.52 (2.6 – 1.36)

22 = 59 pies/min. (*)

∆PCS = 250.18 x 1.360.82 x 4881.82 x 44.5

700.3 x 3.54.82

= 27.20 lb/pg2.

∆PTP = 250.18 x 1.360.82 x 4881.82 x 3,651

700.3 X 4.2764.82

= 850.31 lb/pg2.

∆PHW/DC = 250.18 x 1.360.82 x 4881.82 x 199

700.3 X 34.82

= 255.79 lb/pg2.

Pérdidas de presión por fricción en el interior de la sarta:

27.20 + 850.31 + 255.79 = 1,133.30 lb/pg2.

10.Pérdidas de presión por fricción en el espacio anular.

Pérdidas de presión por fricción en el espacio anular:

21.34 + 17.20 + 40.67 = 79.21 lb/pg2.

11.Densidad equivalente de circulación.

12.Área de toberas.

10

∆PEA/AGUJ-DC = 250.18 x 1.360.82 x 4881.82 x 89

700.3 (12.25 – 8)4.82

= 21.34 lb/pg2.

∆PEA/AGUJ-HWyTP = 250.18 x 1.360.82 x 4881.82 x 941

700.3 (12.25 – 5)4.82

= 17.20 lb/pg2.

∆PEA/TR-TP = 250.18 x 1.360.82 x 4881.82 x 2,820 700.3 (12.615 – 5)4.82

= 40.67 lb/pg2.

DEC = 0.703 x 79.21

3,850+ 1.36 = 1.37 gr/cm3.

At = 163 x 3

1,303.79

= 0.5890 pg2.

13.Pérdidas de presión por fricción en la barrena.

14.Caballaje de fuerza hidráulica en la barrena.

15.Caballaje hidráulico por pulgada cuadrada del área de la barrena.

16.Velocidad de las toberas de la barrena.

17.Fuerza de impacto.

11

∆PBNA = 1.36 x 4.882

1,303 x 0.58902

= 716 lb/pg2.

∆PBNA = 156.5 x 4882 x 11.33

[(16)2 + (16)2 + (16)2]= 715.9 ≈ 716 lb/pg2.

HHPBNA/pg2 = 204 x 1.27

12.252

= 1.726 ≈ 1.73 HHP/pg2.

IH = 716 x 488

1,346.18 x 12.252

= 1.72.9 ≈ 1.73 HHP/pg2.

Vt = 0.32 x 488

0.5890= 265 pies/seg.

Vt = 417.2 x 488

[(16)2 + (16)2 + (16)2]

= 265 pies/seg.

HHPB = 488 x 716

1,714= 203.8 ≈ 204 HP.

18.Fuerza de impacto por pulgada cuadrada del área de la barrena.

19.Porcentaje de la pérdida de presión en la barrena.

20.Caballaje hidráulico total del sistema circulante.

12

IF = 265 x 488 x 11.33

1,930= 759 lbs.

IF/pg2 = 759 x 1.27

12.252

= 6.42 lbs.

%Lb/pg2/BNA = 716

1,928

x 100 = 37%.

HHPSISTEMA = 1,928 x 488

1,714

= 548.9 ≈ 549 HP.