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GUÍA PARA EL GUÍA DE DISEÑO1 Terminación
GUÍA DE DISEÑO PARALAVADO 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
POZOSCONTENIDO
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 di ferencial máxima
durante el desplazamiento.
e. Ingeniería de fluidos.
e.1. Velocidades anulares
e.2. Régimen de flujo.
e.3. Eficiencia de trans-
porte.
e.4. Gasto óptimo de des-
plazamiento.
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.
GUÍA DE DISEÑO PARA
LAVADO DE POZOS
1. OBJETIVO
2. INTRODUCCIÓN
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 realizar una operación efectiva, rápida y al menor costo posible.
El proceso de lavado de pozo tiene la finalidad de desplazar el lodo y remover los sólidos adheridos a las paredes de la tubería para eliminar partículas como barita, recortes, cemento y sedimento, esto con el objeto de tener un fluido libre de contaminantes, y así evitar daño a la formación durante las operaciones de d i s p a r o s , e s t i m u l a c i ó n , y / o fracturamiento.
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 conta-minantes.
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.
E l a l c a n c e d e e s t a g u í a e s exclusivamente el de diseñar una operación de lavado rápida, efectiva y al menor costo posible, con esto, la recomendación del tipo y propiedades del fluido de terminación queda fuera del alcance de esta guía. Lo anterior debido a la gran variedad en los tipos y composición química de los fluidos de terminación, así como en las característ icas mineralógicas y propiedades de los yacimientos productores en México. Por lo que para una selección apropiada de fluido de terminación se recomienda realizar pruebas de laboratorio para verificar la interacción y compatibilidad entre roca fluido y fluido- fluido.
Figura 1. Ilustración de lavado de pozo.
Fluido deTerminación
Lodo
Pozo lleno con lodo
Espaciador
Lavador
Viscoso
Desplazamiento de lodopor fluido de terminación
Pozo lleno con fluidode terminación
Pagina cinco
Se efectuó un diagnóstico en las operaciones de lavado de pozos que se realizan actualmente en UPMP, observando que existe una gran variedad en la forma y las metodologías usadas para efectuar este proceso, estas van desde una manera muy simple hasta otras muy complejas y costosas.
Se utilizan diferentes accesorios en la sarta de lavado (cepillos, escareadores, tubería franca, tubo aguja ó niple, etc.), además la cantidad, la posición, el tipo y el volumen de los baches son muy diversos. También se ha observado que las propiedades de los fluidos lavadores y viscosos son variadas, así como el criterio para el nivel de turbidez.
En esta guiá se consideran los siguientes parámetros para efectuar el diseño de lavado de pozo:
a. Sarta de lavado.b. Tipo, posición y cantidad de
baches.c. Volumen ó longitud lineal de los
baches.d. Presión diferencial máxima
durante el desplazamiento.e. Ingeniería de fluidos. · Propiedades de los baches.
· Velocidades anulares.· Régimen de flujo.
3. METODOLOGÍA DE DISEÑO
·Eficiencia de transporte.·Gasto óptimo de despla-
zamiento.f. Nivel de turbidez (NTU)
Respecto a la sarta de lavado se recomienda utilizar la tubería de perforación, tubo o niple aguja en la parte inferior y escareadores en serie cuando existan dos diámetros de tubería de revestimiento, como se muestra en la Figura 2. La utilización de herramientas tales como cepillos, difusores, escareadores rotatorios o algún otro elemento mecánico que pretende mejorar la eficiencia de la limpieza deberá ser analizada previa su introducción al pozo con la finalidad de evaluar el riesgo
F igura 2 . Sar ta de lavado recomendada.
a. Sarta de lavado
Tubo o niple aguja
Tuberia de perforación
Tuberia de perforación
Escareador
Escareador
Combinación
GUÍA DE DISEÑO PARA
LAVADO DE POZOS
y el beneficio esperado por el incremento de recursos a emplear. En algunas ocasiones el lavado se realiza con mol ino, barrena o alguna herramienta soltadora, esto es correcto siempre y cuando sea técnicamente factible y el objetivo del viaje no sea únicamente el de lavar el pozo, pues se 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 cual sería conveniente siempre y cuando se considere lo anterior.
Analizando operaciones previas de lavado, se ha observado que no se requiere una gran variedad y cantidad de baches para ejecutar una operación rápida y exitosa de lavado, por lo que se sugiere emplear únicamente los siguientes tipos de fluidos:
· Un fluido espaciador (agua o diesel)
·Un fluido lavador.
·Un fluido viscoso.
·Fluido de terminación.
La posición adecuada sería en el orden que se muestra en la Figura 3.
b. Tipo, posición y cantidad de baches
c. Volumen o longitud lineal de baches
La función del bache espaciador es separar dos fluidos para evitar su contaminación, por lo tanto, este debe proveer una distancia suficiente para mantener los fluidos alejados uno del otro. Debido a lo anterior se recomien-dan un volumen de bache espaciador equivalente a 500 m lineales en el espacio anular más amplio, esto siempre y cuando no altere el programa de líquidos en el equipo. Para casos específicos se debe considerar la logística y el costo del diesel. Respecto al cálculo del volumen de los baches lavadores y viscosos para la operación de lavado, se recomiendan los siguientes criterios:
1. 150 m lineales en el espacio anular más amplio.
Fluido lavador
Fluido espaciador (agua o diesel)
Fluido de terminación
Fluido viscoso
Fluido de perforación
Pagina siete
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
Considerando lo anterior, el esfuerzo de corte en los baches lavadores es directamente proporcional a la
2.10 minutos de tiempo de contacto en el espacio anular.
El tiempo de contacto se refiere al tiempo 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.
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.
La ecuación 1.3 considera condiciones estáticas, lo cual es una buena aproximación para definir el equipo a emplear. Si se desea calcular la
que en que estarán los baches
d. Presión diferencial máxima durante el desplazamiento
GUÍA DE DISEÑO PARA
LAVADO DE POZOS
velocidad de corte, por tanto la viscosidad es constante.
Es conocido que el desplazamiento más eficiente es cuando el flujo alcanza el régimen turbulento, esto es debido a que la energía del fluido remueve mas fácilmente los sólidos adheridos en las 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
(2100), la geometría de flujo, así como las propiedades del fluido lavador se calcula la velocidad mínima para a lcanzar las condic iones de turbulencia. Posteriormente se puede determinar el gasto mínimo requerido durante la operación de desplazamiento del fluido lavador.
Para saber si se está llevando a cabo u n a o p e r a c i ó n a d e c u a d a d e 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.
Pagina nueve
Figura 4. Comportamiento de líneas de flujo sobre la partícula.
La velocidad de deslizamiento es función de las características de los sólidos a transportar y del fluido lavador. En este proceso se presentan diferentes par t ícu las ta les como: bar i ta , sedimentos, contaminantes, etc. De los anteriores se considera que la barita es una de las partículas mas pesadas en el proceso, por lo cual este análisis dará un buen resultado si se considera la barita como el sólido a evaluar. El rango API de la barita es de 25 75 micrones, por lo que se considerara el máximo tamaño para este cálculo (75 micrones = 0.003 pulgadas).
A diferencia de los fluidos lavadores, los baches viscosos se comportan como fluidos no-Newtonianos, los cuales se
Baches viscosos
ajustan al modelo de Ley de Potencias. El Apéndice 3 presenta la Carac-terización de estos fluidos.
El modelo de Ley de Potencias requiere dos parámetros para su caracterización, los cua les son: e l índ ice de comportamiento y el índice de consistencia, el primero es considerado como una medida del grado de d e s v i a c i ó n d e u n f l u i d o d e l comportamiento Newtoniano, un valor de uno, el fluido se comportará como un fluido Newtoniano. Por otra parte el segundo parámetro es indicativo del grado de bombealidad o espesamiento del fluido.
Estos índices se obtienen empleando las lecturas del viscosímetro rotacional “Fann-35”
En el modelo de Ley de Potencias se requiere calcular la viscosidad aparente para obtener el número de Reynolds, ésta es función de los índices que caracterizan el fluido, así como de la geometría y la velocidad de flujo.
Para a lcanzar condic iones 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.
GUÍA DE DISEÑO PARA
LAVADO DE POZOS
El flujo mas apropiado de los baches viscosos es el turbulento, esto se puede visualizar analizando la ecuación de eficiencia de transporte.
Las condiciones 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 crí t ico, 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.
El procedimiento para determinar el
gasto adecuado de lavado es el
siguiente:
1. Determinar e l índ ice de
comportamiento de flujo. ( )
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. Est imar el gasto mínimo
adecuado de bombeo. (qmin)
Debido a la alta viscosidad de los
baches, es difícil alcanzar condi-
ciones de turbulencia, por lo que se
tiene que modificar las viscosidades a
para alcanzar este
n
Determinación del gasto
nK
511
510 300q=
Flujo Laminar
Flujo Turbulento
÷÷ø
öççè
æ=
300
600log322.3q
qn
Pagina once
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.
Figura 5. Gasto mínimo para alcanzar condiciones de turbulencia.
Como se ilustra en el análisis de la Figura 5, misma que muestra el gasto mínimo para alcanzar las condiciones de turbulencia los f luidos con viscosidades de 50 segundos Marsh fluyendo en condiciones de turbulencia, alcanzan una capacidad de transporte similar a un fluido de viscosidad de 250 segundos en régimen laminar. Por tanto en la mayoría de los casos es más conveniente emplear un bache agua pol ímero (económico) de baja viscosidad en lugar de un bache de composición compleja (costoso) muy viscoso.
F. Nivel de turbidez.
La turbidez de un fluido es una medida
de la luz dispersada por las partículas
suspendidas en el fluido. Esta es
medida con un Nefelómetro.
Un fluido limpio ha sido definido como
uno que no contiene partículas de
diámetro mayor a 2 micras y dar un valor
de turbidez no mayor a 30 NTU. Por lo
tanto se deberá filtrar únicamente hasta
que se alcance un valor de 30 NTU.
Se recomienda realizar una grafica de
valores de filtrado con respecto al
tiempo.
GUÍA DE DISEÑO PARA
LAVADO DE POZOS
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.
Diámetro de la partícula (pg)
Diámetro externo de la T.P. (pg)
Diámetro interno de la T.R. (pg)
Factor de transporte (%)
Apéndice 1.Nomenclatura
Índice de consistencia(eq cp)
Índice de comportamiento de flujo
Velocidad del rotor Fann
Número de Reynolds
Número de Reynolds crítico
Presión de trabajo de la 2bomba (kg/cm )
Profundidad vertical de la sarta (m)
Gasto de bombeo (gal/min)
Velocidad media de flujo (pies/seg)
Velocidad critica de flujo (pies/seg)
Velocidad de los baches (pies/seg)
Volumen de los baches (lt)
Velocidad de deslizamiento (pies/seg)
Densidad de los baches (gr/cc)
Densidad del fluido lavador (gr/cc)
Densidad del fluido separador (gr/cc)
Densidad del fluido de perforación (gr/cc)
Tiempo (min)
NTU
=Pd
=1d
=2d
=TF
=K
=n
=N
=ReN
=cNRe
=tblp
=vertprof
=q
=v
=cv
=flv
=Vol
=slv
=r
=flr
=fsr
=fpr
Pagina trece
Densidad de la partícula (gr/cc)
Diferencial de presión (kg/cm2)
Lectura del viscosímetro Fann a velocidad N
Lectura del viscosímetro Fann a 300
Lectura del viscosímetro Fann a 600
Viscosidad aparente (cp)
Viscosidad (cp)
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.
La presión en P1 es igual a:
La presión en P2 es igual a:
Sabemos que:
Igualando y resolviendo las ecuaciones previas para la presión de bombeo tenemos
Apéndice 2. Presión diferencial dinámica
Pbba Phy-lodo -Phy-fluido+Pfric-fluido
Pbba Dp +Pfric-lodo+Pfric-fluido
=
=
Caracterización de los baches viscosos.Se tomaron las lecturas en el viscosímetro Fann de tres baches con tres diferentes viscosidades y los datos
Apéndice 3.
lodofriclodohy PPP --+=1
bbafluidofricfluidohy PPPP +-= --2
21 PP =
2 P
1 P
2 P
1 P
2 P
2 P
1 P
1 P
=sr
=Dp
=Nq
=300q
=600q
=am
=m
GUÍA DE DISEÑO PARA
LAVADO DE POZOS
se graf icaron en coordenadas rectangulares y logarítmicas. El comportamiento que exhibieron fue claramente el de un modelo de Ley de Potencias
1. Datos del pozo.Profundidad interior verticalProfundidad interior desa-rrollada
Apéndice 4.
Guía rápida de cálculo.
Diámetro externo de lastuberías de la sarta delavadod =Profundidad vertical de1.1.
la sarta de lavado= d =1.2.
d .=1.3
Diámetro interno de las TR's expuestas al fluido determinación.d =1.1.
d =1.2.
d .= 1.3
Datos del fluido de perfo -ración Tipo=
rfp=2. separador.Datos del bache Tipo=
RfS=
m=3. Datos del bache lavador. Tipo=
r=
m=Datos4. del bache viscoso.
L600= L300= Velocidad Marsh=5. Datos de las bombas de Lodo. Máxima presión de trabajo= Máximo gasto=
Pagina quince
6. Cálculo de volúmenes de los Baches. Estos se calculan en El espacio anular mas amplio. Bache separador.
Bache lavador.
Bache viscoso.
7. Cálculo de la presión diferencial stática. e
8. Gasto mínimo de bombeo con- siderando turbulencia del ba- Che lavador y eficiencia de Transporte.
9. Gasto mínimo de bombeo considerando turbulencia del lavador y eficiencia de bache transporte.
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.
( )10
fsfpvertprofp
rr-*=D
()5005067.0 21
22 *-= ddVol
()1505067.0 21
22 *-= ddVol
85.37*=qVol
( )127.318,6
2100
ddv
-=
r
m
()21
22min 448.2 ddvq -=
fl
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v
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300
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()nN c 13703470R e -=
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0208.0
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