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Cam po SABALO O perador PETROBAS Fecha 29-Jul-09 Pozo SB L-5 Seccion de H ueco 12.25 ins Profundidad desde 4350 ft 1326 m 898 gpm 21 B PM Profundidad M edida 11155 ft 3400 m 12.25 ppg 1.47 sg Prof.V ertical V erdadera 4921 ft 1500 m 21.66 ppg 2.60 sg Perdida Presion M WD 508 psi 35 bar 0.13 ins 3.18 m m Perdida Presion PD M 102 psi 7 bar 0.00001ins B ingham Pow erLaw HB B ingham Pow erLaw HB Presion Perd.S uperficie 256 psi 251 psi 247 psi 17.7 bar 17.3 bar 17.0 bar P resion Perd.D rillString 2597 psi 2591 psi 2414 psi 179.1 bar 178.7 bar 166.5 bar P resion Perdida Trepano 1276 psi 1276 psi 1276 psi 88.0 bar 88.0 bar 88.0 bar Perdida P resion A nular 185 psi 155 psi 58 psi 12.8 bar 10.7 bar 4.0 bar Perdida Presion M WD 508 psi 508 psi 508 psi 35.0 bar 35.0 bar 35.0 bar Perdida Presion PD M 102 psi 102 psi 102 psi 7.0 bar 7.0 bar 7.0 bar Presion de B om ba 4923 psi 4882 psi 4604 psi 339.5 bar 336.7 bar 317.5 bar H P requirido 2579 H H P 2558 H H P 2412 H H P 2579 H H P 2558 H H P 2412 H H P % H P necesario en Trep. 25.92% 26.14% 27.72% 25.92% 26.14% 27.72% PV 27 n/a n/a 27 n/a n/a YP 20 n/a n/a 20 n/a n/a G el 9 n/a n/a 9 n/a n/a n n/a 0.3589 0.7122 n/a 0.3589 0.7122 K n/a 2556 237 n/a 2556 237 EC D a Prof.de calc: 12.97 ppg 12.85 ppg 12.47 ppg 1.56 ppg 1.54 ppg 1.50 ppg Perd.Presion Trepano 25.92% 26.14% 27.72% Diam etro Trepano 12.25 M ax H H P en Trep (65% )de 3200 H H P 3174 H H P 2993 H H P B oquillas 1 11 N um eros de B oquillas 9 32nds 9 32nds 9 32nds B oquillas 2 11 M edida O ptim a de B oq. 9 32nds 9 32nds 9 32nds B oquillas 3 11 M ax IF Trep;(47% )de pres 2314 H H P 2295 H H P 2164 H H P B oquillas 4 11 N um eros de B oquillas 9 32nds 9 32nds 9 32nds B oquillas 5 11 M edida O ptim a de B oq. 9 32nds 9 32nds 10 32nds B oquillas 6 11 B oquillas 7 11 B oquillas 8 11 B oquillas 9 11 C audal 898 G pm Peso Lodo 12.25 ppg C oeffB oquillas 0.96 TFA 0.835 pulg2 Velocidad B oquillas 345 ft/sec Perdida Presión 1276 psi HHP 669 H H P H H P /pulg2 5.67 H SI Fuerza Im pacto 1963 lbsf O ptim izacion H idraulica Planilla H idraulica SIU nits U S U nits R egim en de Flujo D ensidad lodo D ensidad C uttings Diam .Cuttings Friction factor 0 200 400 600 800 0 44.9 89.8 135 180 224 269 314 359 404 449 494 539 584 629 673 718 763 808 853 898 R egim en de Flujo (gpm ) V eloc.B oquillas (ft/sec) P erd.Presión Trep.(psi) Potencia H idraulica (H P) Fuerza Im pacto(lbs) HIDRAULICA PARA PERFORACION

Hidrulica Para Perforacion

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guia para entender un poco mas a fondo el comportamiento de los lodos de perforación.excelente para estudiantes de media carrera de ingenieria petrolera

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Page 1: Hidrulica Para Perforacion

Campo SABALO Operador PETROBASFecha 29-Jul-09 Pozo SBL-5

Seccion de Hueco 12.25 insProfundidad desde 4350 ft 1326 m 898 gpm 21 BPM

Profundidad Medida 11155 ft 3400 m 12.25 ppg 1.47 sgProf. Vertical Verdadera 4921 ft 1500 m 21.66 ppg 2.60 sg

Perdida Presion MWD 508 psi 35 bar 0.13 ins 3.18 mm

Perdida Presion PDM 102 psi 7 bar 0.00001ins

Bingham Power Law HB Bingham Power Law HBPresion Perd. Superficie 256 psi 251 psi 247 psi 17.7 bar 17.3 bar 17.0 bar

Presion Perd. Drill String 2597 psi 2591 psi 2414 psi 179.1 bar 178.7 bar 166.5 bar

Presion Perdida Trepano 1276 psi 1276 psi 1276 psi 88.0 bar 88.0 bar 88.0 bar

Perdida Presion Anular 185 psi 155 psi 58 psi 12.8 bar 10.7 bar 4.0 bar

Perdida Presion MWD 508 psi 508 psi 508 psi 35.0 bar 35.0 bar 35.0 bar

Perdida Presion PDM 102 psi 102 psi 102 psi 7.0 bar 7.0 bar 7.0 bar

Presion de Bomba 4923 psi 4882 psi 4604 psi 339.5 bar 336.7 bar 317.5 barHP requirido 2579 HHP 2558 HHP 2412 HHP 2579 HHP 2558 HHP 2412 HHP

% HP necesario en Trep. 25.92% 26.14% 27.72% 25.92% 26.14% 27.72%

PV 27 n/a n/a 27 n/a n/a

YP 20 n/a n/a 20 n/a n/a

Gel 9 n/a n/a 9 n/a n/a

n n/a 0.3589 0.7122 n/a 0.3589 0.7122

K n/a 2556 237 n/a 2556 237

ECD a Prof. de calc: 12.97 ppg 12.85 ppg 12.47 ppg 1.56 ppg 1.54 ppg 1.50 ppg

Perd. Presion Trepano 25.92% 26.14% 27.72% Diametro Trepano 12.25Max HHP en Trep (65%) de pres.3200 HHP 3174 HHP 2993 HHP Boquillas 1 11

Numeros de Boquillas 9 32nds 9 32nds 9 32nds Boquillas 2 11Medida Optima de Boq. 9 32nds 9 32nds 9 32nds Boquillas 3 11

Max IF Trep; (47%) de pres. 2314 HHP 2295 HHP 2164 HHP Boquillas 4 11Numeros de Boquillas 9 32nds 9 32nds 9 32nds Boquillas 5 11

Medida Optima de Boq. 9 32nds 9 32nds 10 32nds Boquillas 6 11Boquillas 7 11Boquillas 8 11

Boquillas 9 11 Caudal 898 Gpm Peso Lodo 12.25 ppg

Coeff Boquillas 0.96

TFA 0.835 pulg2Velocidad Boquillas 345 ft/secPerdida Presión 1276 psiHHP 669 HHPHHP / pulg2 5.67 HSIFuerza Impacto 1963 lbsf

Optimizacion Hidraulica

Planilla Hidraulica

SI UnitsUS Units

Regimen de FlujoDensidad lodoDensidad CuttingsDiam. CuttingsFriction factor

0

200

400

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629

673

718

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Regimen de Flujo (gpm)

Veloc. Boquillas (ft/sec)

Perd. Presión Trep. (psi)

Potencia Hidraulica (HP)

Fuerza Impacto(lbs)

HIDRAULICA PARA PERFORACION

Page 2: Hidrulica Para Perforacion

GENERALIDADES

La introducción de la perforación rotatoria trajo como consecuencia el uso de un fluido, que introducido por la sarta de perforación y regresando por el espacio anular, mantuviera limpio el pozo de los cortes que el trépano iba haciendo a medida que iba penetrando las formaciones. Aquí empezó el concepto de hidráulica, en vista de que el fluido utilizado fue un líquido, siendo agua en un principio, y luego las necesidades de operación y seguridad dieron origen a una suspensión coloidal, cuyas propiedades difieren a las del agua y que su estudio en vez de una técnica se ha constituido en una ciencia. Sin embargo, el concepto específico de hidráulica apareció conjuntamente con el uso de las boquillas (Jet) en el trepano.

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GENERALIDADES Al reducir bruscamente el área de circulación del fluido, se está creando un cambio brusco de la velocidad del mismo y por consiguiente, una variación grande de la presión entre los puntos antes del orificio y después de este, o sea, se produce una caída de presión grande. En vista de esto fue necesario conocer, como la presión usada para poner el fluido en movimiento se va perdiendo en el sistema de circulación para poder soportar esa caída grande de presión en el trepano, originada por las boquillas y aún levantar la columna de fluido hasta la superficie. Como el impacto hidráulico originado por el fluido, contra la formación, cuando sale a gran velocidad por las boquillas, es favorable a la penetración del trépano, se ha tratado entonces de minimizar la caída de presión en todo el sistema y permitir que la máxima presión se pierda en el trépano.

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GENERALIDADES

Por todo esto es necesario conocer muy bien de la energía que se dispone para circular el fluido, las secciones que componen el sistema de circulación y en que régimen de flujo está fluyendo el fluido para así, poder determinar como se está perdiendo la presión transportado por el fluido cada vez que este realiza un ciclo de circulación.

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FLUIDO DE PERFORACIÓN

Definición.Todos los fluidos utilizados durante la perforación de un

pozo, son clasificados como fluido de perforación; término que está restringido a los fluidos que circulan a través del hueco y que poseen características físicas y químicas apropiadas, que por circulación remueve el recorte de formación del hueco en perforación o del pozo en operaciones de reacondicionamiento. Puede ser aire o gas, agua, petróleo y combinaciones de agua y aceite con diferentes contenidos de sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo, ni inflamable, pero sí inerte a las contaminaciones de sales solubles o minerales, y además, estables a las temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las operaciones y debe ser inmune al desarrollo de bacterias.

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Las propiedades físicas de un fluido de perforaciónLas propiedades físicas de un fluido de perforación, la densidad y laspropiedades reológicas son monitoreadas para facilitar la optimización del proceso de perforación. Estas propiedades físicascontribuyen a varios aspectos importantes para la perforación exitosa de un pozo, incluyendo:

• Proporcionar el control de las presiones para impedir el influjo del fluido de la formación.• Transmitir energía a la barrena para maximizar la Velocidad de Penetración (ROP).• Proporcionar la estabilidad del pozo a través de las zonas presurizadas o sometidas a esfuerzos mecánicos.• Suspender los recortes y el material densificante durante los periodos estáticos.• Permitir la separación de los sólidos perforados y el gas en la superficie.• Extraer los recortes del pozo.

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Reologia del Fluido de Perforación

Reología: es la ciencia que trata de la deformación y del flujo de la materia. Al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que dicho fluido fluirá bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte.Viscosidad es el término reológico más conocido. En su sentido más amplio, la viscosidad se puede describir como la resistencia al flujo de una sustancia. En el campo petrolífero, los términos a continuación se usan para describir la viscosidad y las propiedades reológicas del fluido de perforación:1. Viscosidad embudo (seg/qt o seg/l).2. Viscosidad aparente (cP o mPa•seg).3. Viscosidad efectiva (cP o mPa•seg).4. Viscosidad plástica (cP o mPa•seg).5. Punto cedente (lb/100 pies2 o Pa).6. Viscosidad a baja velocidad de cortey Viscosidad a Muy Baja Velocidadde Corte (LSRV) (cP o mPa•sec).7. Esfuerzos de gel (lb/100 pies2 o Pa).Éstos son algunos de los valores claves para tratar y mantener los fluidos de perforación.

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Reologia del Fluido de Perforación

La viscosidad de embudo se mide usando el viscosímetro de Marsh descrito en el capítulo sobre Pruebas. La viscosidad de embudo se usa como indicador relativo de la condición del fluido. No proporciona suficiente información para determinar las propiedades reológicas o las características de flujo de un fluido. Debería usarse en el campo para detectar los cambios relativos en las propiedades del fluido. Además,ningún valor en particular de la viscosidad de embudo puede ser adoptado como valor representativo de todos los fluidos. Lo que produce buenos resultados en un área puede fallar en otra; sin embargo, se puede aplicar una regla general a los fluidosde perforación a base de arcilla. La viscosidad de embudo de la mayoría de los fluidos se controla a cuatro veces la densidad (lb/gal) o menos. Sin embargo hay ciertas excepciones, como en las áreas donde se requiere el uso de fluidos de alta viscosidad. Los sistemas de polímeros e inversión inversa (base aceite o base sintético) no siguen necesariamente estas reglas.

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Reologia del Fluido de Perforación

ESFUERZO DE CORTE Y VELOCIDAD DE CORTELos otros términos para la viscosidad (μ) se pueden describir como la relación del esfuerzo de corte (τ) a la velocidad de corte (γ). Por definición: Viscosidad (μ) = esfuerzo de corte (τ) / velocidad de corte (γ)Los conceptos de velocidad de corte y esfuerzo de corte se aplican al flujo de todos los fluidos. Dentro de un sistema de circulación, la velocidad de corte depende de la velocidad media del fluido en la geometría en que está fluyendo. Por lo tanto, lasvelocidades de corte son mayores en las geometrías pequeñas (dentro de la columna de perforación) y menores en las geometrías grandes (como la tubería de revestimiento y los espacios anulares del riser). Las velocidades de corte más altas suelen causar una mayor fuerza resistiva del esfuerzo de corte. Por lo tanto, losesfuerzos de corte en la columna de perforación (donde hay mayores velocidades de corte) exceden los del espacio anular (donde las velocidades de corte son menores). El total de las pérdidas de presión a través del sistema de circulación (presión debombeo) está frecuentemente asociado con el esfuerzo de corte, mientras que la velocidad de bombeo está asociada con la velocidad de corte. Esta relación entre la velocidad de corte y el esfuerzo de corte para un fluido define la manera en quedicho fluido corre.

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ESFUERZO DE CORTE Y VELOCIDAD DE CORTELa Figura 1 es una representación simplificada de dos capas de fluido (A y B) que se mueven a diferentes velocidades cuando se aplica una fuerza.Cuando un fluido está fluyendo, hay una fuerza en el fluido que se opone al flujo. Esta fuerza se llama esfuerzo de corte. Se puede describir como un esfuerzo de fricción que aparece cuando una capa de fluido se desliza encima de otra. Como el corteocurre más fácilmente entre capas de fluido que entre la capa exterior del fluido y la pared de una tubería, el fluido que está en contacto con la pared no fluye. La velocidad a la cual una capa pasa por delante de la otra capa se llama velocidad de corte. Por lo tanto, la velocidad de corte (γ) es un gradiente de velocidad.

γ (seg–1) = 1,703 x ω

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Reologia del Fluido de Perforación

ESFUERZO DE CORTEEl esfuerzo de corte (τ) es la fuerza requerida para mantener la velocidad de corte. El esfuerzo de corte está expresado en unidades estándar del campo petrolífero, es decir las libras de fuerza por cien pies cuadrados (lb/100 pies2) requeridas para mantener la velocidad de corte. Las indicaciones del cuadrante del viscosímetro de lodo (Θ) tomadas con la combinación de balancín y resorte estándar número uno (1), pueden ser convertidas en un esfuerzo de corte (τ) con unidades de lb/100 pies2,multiplicando la indicación por 1,0678.

τ (lb/100 pies2) = 1,0678 x ΘLas indicaciones del viscosímetro son frecuentemente usadas como indicación del esfuerzo de corte (τ) en lb/100 pies2 sin realizar la conversión, ya que la diferencia es pequeña. Se usan una variedad de viscosímetros para medir la viscosidad del fluido de perforación. Los viscosímetros FANN (VG) y los reómetros están diseñados para simplificar el uso de los modelos reológicos. Los viscosímetros también son usados para medir las propiedades tixotrópicas o los esfuerzos de gel de un fluido.

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Reologia del Fluido de Perforación

VISCOSIDAD EFECTIVALa viscosidad de un fluido no newtoniano cambia con el esfuerzo de corte. La viscosidad efectiva (μe) de un fluido es la viscosidad de un fluido bajo condiciones específicas. Estas condiciones incluyen la velocidad de corte, la presión y la temperatura.

VISCOSIDAD APARENTELa viscosidad efectiva a veces es llamada Viscosidad Aparente (VA). La viscosidad aparente está indicada por la indicación del viscosímetro de lodo a 300 RPM (Θ300) o la mitad de la indicación del viscosímetro a 600 RPM (Θ600). Cabe indicar que ambos valores de viscosidad aparente concuerdan con la fórmula de viscosidad:

AV (cP) = 300 x Θ / ω

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Reologia del Fluido de PerforaciónVISCOSIDAD PLÁSTICALa viscosidad plástica (VP) en centipoise (cP) o milipascales- segundo (mPa•s) se calcula a partir de los datos del viscosímetro de lodo, como:

PV (cP) = Θ600 – Θ300La viscosidad plástica se describe generalmente como la parte de laresistencia al flujo que es causada por la fricción mecánica. La viscosidad plástica es afectada principalmente por:

• La concentración de sólidos.• El tamaño y la forma de los sólidos.• La viscosidad de la fase fluida.• La presencia de algunos polímeros de cadena larga (POLY-PLUS®, hidroxietilcelulosa (HEC), POLYPAC®, Carboximetilcelulosa (CMC)).• Las relaciones aceite-agua (A/A) o Sintético-Agua (S/A) en los fluidos de emulsión inversa.La viscosidad plástica también depende de la viscosidad de la fase fluida. Cuando la viscosidad del agua disminuye a medida que la temperatura aumenta, la viscosidad plástica disminuye proporcionalmente. Las salmueras tienen viscosidades más altasque los fluidos de agua dulce. El aceite emulsionado en los fluidos base agua también actúa como un sólido y afectará la viscosidad plástica del fluido.

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PUNTO CEDENTEEl Punto Cedente (PC) en libras por 100 pies cuadrados (lb/100 pies2) se calcula apartir de los datos del viscosímetro FANN (VG), de la siguiente manera:

YP (lb/100 pies2) = 2 x Θ300 – Θ600 YP (lb/100 pies2) = Θ300 – PVEn Pascales: YP (Pa) = 0,4788 x (2 x Θ300 – Θ600)YP (Pa) = 0,4788 x (Θ300 – PV)

El punto cedente, segundo componente de la resistencia al flujo en un fluido de perforación, es una medida de las fuerzas electroquímicas o de atracción en un fluido. Estas fuerzas son el resultado de las cargas negativas y positivas ubicadas en o cerca de las superficies de las partículas. El punto cedente es una medida de estas fuerzasbajo las condiciones de flujo, y depende de: (1) las propiedades superficiales delos sólidos del fluido, (2) la concentración volumétrica de los sólidos, y (3) el ambiente eléctrico de estos sólidos (concentración y tipos de iones en la fase fluida del fluido). La alta viscosidad que resulta de un alto punto cedente o de altas fuerzas de atracción

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VISCOSIDAD A BAJA VELOCIDAD DE CORTE Y LSRVEl uso cada vez más frecuente de la perforación de desviación controlada, de alcance extendido y horizontal y el uso de biopolímeros para controlar las propiedades reológicas han producido un cambio de opinión en lo que se refiere a las propiedades reológicas que son consideradas necesarias para lograr una limpieza eficaz del pozo en los pozos desviados. A través de numerosos estudios de laboratorio y en base a laexperiencia de campo, se ha determinado que los valores de viscosidad a baja velocidad de corte (6 y 3 RPM) tienen un mayor impacto sobre la limpieza del pozo que el punto cedente, además de proporcionar la suspensión de barita bajo condiciones tanto dinámicas como estáticas. Estos temas están descritos másdetalladamente en los capítulos sobre el Asentamiento de Barita y la Limpieza delPozo. Además de las indicaciones de 6 y 3 RPM, se determinó que la viscosidad debaja velocidad de corte creada por la red de polímeros en los sistemas de FLO-PRO®era crítica para la limpieza del pozo y la suspensión de sólidos en pozos horizontales y de alto ángulo. Esta LSRV se mide usando un viscosímetro de Brookfield a una velocidad de corte de 0,3 RPM (el equivalente de 0,037 RPM en un viscosímetro VG).

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Reologia del Fluido de Perforación

VISCOSIDAD A BAJA VELOCIDAD DE CORTE Y LSRVLa Figura 2 ilustra la manera en que similares viscosidades a 6 y 3 RPM tal vez no indiquen el comportamiento verdadero de la LSRV. Estas propiedades reológicas de bajo corte llenan el vacío entre las medidas dinámicas tradicionales de VP y PC, y lasmedidas estáticas del esfuerzo de gel.

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TIXOTROPÍA Y ESFUERZOS DE GELLa tixotropía es la propiedad demostrada por algunos fluidos que forman una estructura de gel cuando están estáticos, regresando luego al estado de fluido cuando se aplica un esfuerzo de corte. La mayoría de los fluidos de perforación base aguademuestran esta propiedad, debido a la presencia de partículas cargadas eléctricamente o polímeros especiales que se enlazan entre sí para formar una matriz rígida. Las indicaciones de esfuerzo de gel tomadas con el viscosímetro FANN (VG) a intervalos de 10 segundos y 10 minutos, y a intervalos de 30 minutos para las situaciones críticas, proporcionan una medida del grado de tixotropía presente en el fluido. La resistencia del gel formado depende de la cantidad y del tipo de sólidos ensuspensión, del tiempo, de la temperatura y del tratamiento químico. Es decir que cualquier cosa que fomenta o impide el enlace de las partículas, aumentará o reducirá la tendencia a gelificación de un fluido. La magnitud de la gelificación, así como el tipo de esfuerzo de gel, es importante en la suspensión de los recortes y del material densificante. No se debe permitir que la gelificación alcance un nivel más alto del necesario para cumplir estas funciones.

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TIXOTROPÍA Y ESFUERZOS DE GEL Los esfuerzos de gel excesivos pueden causar complicaciones, tales como las siguientes:

1. Entrampamiento del aire o gas en el fluido.2. Presiones excesivas cuando se interrumpe la circulación después de un viaje.3. Reducción de la eficacia del equipo de remoción de sólidos.4. Pistoneo excesivo al sacar la tubería del pozo.5. Aumento brusco excesivo de la presión durante la introducción de la tubería en el pozo.6. Incapacidad para bajar las herramientas de registro hasta el fondo.

La formación de geles progresivos o geles instantáneos puede indicar problemas en el sistema de fluido.

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EFECTO DE LA TEMPERATURA Y LA PRESIÓN SOBRE LA VISCOSIDADLos aumentos de temperatura y presión afectan la viscosidad de las fases líquidas de todos los fluidos de perforación. El efecto es más pronunciado sobre los fluidos deemulsión inversa que sobre los fluidos base agua. Los aceites y sintéticos de base se diluyen considerablemente más en condiciones de altas temperaturas. El efecto de la temperatura es algo diferente sobre cada uno de los diferentes fluidos base aceite y base sintético. Los fluidos base agua son fluidos hidráulicos casi perfectos. Estos fluidos no se comprimen perceptiblemente bajo presión. En cambio, los fluidos baseaceite y base sintético son comprimibles hasta cierto punto. Su compresibilidad varía según el fluido de base.Las ecuaciones de API para compensar los efectos de la temperatura y la presión requieren la viscosidad efectiva (μe) a dos temperaturas.La constante de temperatura (ß) debe ser determinada a cada velocidad de corte para cada fluido.

La constante de presión (α) debe ser determinada para cada fluido de perforación.

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TIPOS DE FLUIDOBasado en su comportamiento de flujo, los fluidos se pueden clasificar en dos tipos diferentes: newtonianos y no newtonianos.FLUIDO NEWTONIANOLa clase más simple de fluidos es la clase de fluidos newtonianos. Los fluidos de base (agua dulce, agua salada, aceite diesel, aceites minerales y sintéticos) de la mayoría de los fluidos de perforación son newtonianos. En estos fluidos, el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte.

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calcularel esfuerzo de corte a cualquier otra velocidad de corte, usando la siguiente ecuación:

τ = μ x γDespués de simplificar los valores numéricos, esta fórmula queda modificada de la siguiente manera:μ (cP) = 300 x (Θ/ω)

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La velocidad de corte (seg-1) en la pared de una tubería cilíndrica puede ser calculada con la siguiente ecuación:

γ = 8V / DDonde:V = Velocidad media del fluido en la tubería (pies/seg)D = Diámetro de la tubería (pies)Este cálculo es algo diferente en el caso de los espacios anulares concéntricos, La velocidad de corte anular (seg-1) para tuberías concéntricas se calcula con la siguiente ecuación:

γ = 12V / (DH – DP)Donde:V = Velocidad media del fluido en tubería (pies/seg)DH = Diámetro del pozo (pies)DP = Diámetro exterior de la tubería (pies)La relación DH – DP a veces es llamada diámetro hidráulico.

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FLUIDOS NO NEWTONIANOSCuando un fluido contiene arcillas o partículas coloidales, estas partículas tienden a “chocar” entre sí, aumentando el esfuerzo de corte o la fuerza requerida para mantener una velocidad de corte determinada. Si estas partículas son largas en comparación con su espesor, la interferencia causada por las partículas será importante cuando estén orientadas al azar en el flujo. Sin embargo, a medida que se aumenta la velocidad de corte, las partículas se “alinearán” en el flujo y el efecto de la interacción de las partículas disminuye. Esto hace que el perfil de velocidad dentro de una tubería sea diferente al perfil del agua. En el centro de la tubería, donde la velocidad de corte es baja, la interferencia causada por las partículas es grande y el fluido tiende a fluir más como una masa sólida. El perfil de velocidad se aplana de lamanera indicada en la Figura 8. Este aplanamiento del perfil de velocidad aumenta la eficacia de barrido de un fluido para desplazar a otro fluido, y también aumenta la capacidad que un fluido tiene para transportar partículas más grandes. Si las partículas se atraen eléctricamente, el efecto es similar. A bajas velocidades de corte, las partículas se enlazan entre sí, aumentando la resistencia al flujo, pero a altas velocidades de corte, los enlaces se rompen. Bajo estas circunstancias, el esfuerzo de corte no aumenta en proporción directa a la velocidad de corte. Los fluidos que se comportan de esta manera son llamados fluidos no newtonianos. La mayoría de los fluidos de perforación son de este tipo.

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Reologia del Fluido de Perforación

Los fluidos no newtonianos demuestran una relación de esfuerzo de corte/velocidad de corte, de la manera ilustrada en la Figura 9. La relación de esfuerzo de corte a velocidad de corte no es constante, sino diferente a cada velocidad de corte. Esto significa que un fluido no newtoniano no tiene ninguna viscosidad única o constante que pueda describir su comportamiento de flujo a todas las velocidades de corte. Paradescribir la viscosidad de un fluido no newtoniano a una velocidad de corte en particular, se usa una “viscosidad efectiva”. La viscosidad efectiva se define como la relación (pendiente) de esfuerzo de corte a velocidad de corte, a una velocidad de corte determinada, y se ilustra como la pendiente de una línea trazada desde la curva de esfuerzo de corte (a la velocidad de corte considerada) hasta el punto de origen(ver la Figura 9). Como se indica, la mayoría de los fluidos no newtonianos demuestran un comportamiento de “disminución de la viscosidad con el esfuerzo de corte”, de manera que la viscosidad efectiva disminuye cuando la velocidad de corte aumenta. Como se muestra en la Figura 10, cuando se traza la viscosidad efectivajunto a la curva de esfuerzo de corte, velocidad de corte, es fácil observar la naturaleza de disminución de la viscosidad con el esfuerzo de corte que exhiben la mayoría de los fluidos de perforación.

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Reologia del Fluido de Perforación

FLUIDOS NO NEWTONIANOS

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Modelos Reológicos

Un modelo reológico es una descripción de la relación entre el esfuerzo de corte yla velocidad de corte. La ley de viscosidad de Newton es el modelo reológico que describe el comportamiento de flujo de los fluidos newtonianos. También se llama modelo newtoniano. Sin embargo, como la mayoría de los fluidos de perforación son fluidos no newtonianos, este modelo no describe su comportamiento de flujo. En realidad, como no existe ningún modelo reológico específico que pueda describir con precisión las características de flujo de todos los fluidos de perforación, numerososmodelos han sido desarrollados para describir el comportamiento de flujo de los fluidos no newtonianos.

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A continuación se proporciona una descripción de los modelos de Flujo Plástico de Bingham, de Ley Exponencial y de Ley Exponencial Modificada. El uso de estos modelos requiere medidas del esfuerzo de corte a dos o más velocidades de corte. A partir de estas medidas, se puede calcular el esfuerzo decorte a cualquier otra velocidad de corte.

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Modelos Reológicos

MODELO DE FLUJO PLÁSTICO DE BINGHAMEl modelo de Flujo Plástico de Bingham ha sido usado más frecuentemente para describir las características de flujo de los fluidos de perforación. Éste es uno de los más antiguos modelos reológicos que son usados actualmente. Este modelo describe un fluido en el cual se requiere una fuerza finita para iniciar el flujo (punto cedente) y que luego demuestra una viscosidad constante cuando la velocidad de corte aumenta (viscosidad plástica).

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La ecuación para el modelo de Flujo Plástico de Bingham es la siguiente:

τ = τ0 + μpγDonde:τ = Esfuerzo de corteτ0 = Punto cedente o esfuerzo de corte auna velocidad de corte de cero (intersección de Y)μp = Viscosidad plástica o tasa de aumento del esfuerzo de corte con el aumento de la velocidad de corte (pendiente de la línea)γ = velocidad de corte.Cuando se convierte la ecuación para su aplicación con las indicaciones del viscosímetro, la ecuación resultante es la siguiente:

Θ = YP + PV x (ω / 300)

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Modelos Reológicos

MODELO DE FLUJO PLÁSTICO DE BINGHAMLa mayoría de los fluidos de perforación no son verdaderos fluidos Plásticos de Bingham. Para el lodo típico, si se hace una curva de consistencia para un fluido de perforación con los datos del viscosímetro rotativo, se obtiene una curva no lineal que no pasa por el puntode origen, según se muestra en la Figura 11. El desarrollo de los esfuerzos de gel hace que la intersección de Y se produzca en un punto por encima del punto de origen, debido a la fuerza mínima requerida para romper los geles e iniciar el flujo. El flujo tapón, condiciónen que un fluido gelificado fluye como un “tapón” que tiene un perfil de viscosidad plano, comienza a medida que esta fuerza aumenta. A medida que la velocidad de corte aumenta, el flujo pasa del flujo tapón al flujo viscoso.

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Dentro de la zona de flujo viscoso, los incrementos iguales de la velocidad de corte producirán incrementos iguales del esfuerzo de corte, y el sistema adopta la configuración del flujo de un fluido newtoniano. El viscosímetro de dos velocidades fue diseñado para medir los valores reológicos del punto cedente y de la viscosidad plástica de un Fluido Plástico de Bingham. La Figura 12 ilustra una curva de flujo para un fluido de perforación típico, tomada en el viscosímetro FANN (VG) de dos velocidades.

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Modelos Reológicos

La pendiente de la porción rectilínea de esta curva de consistencia constituye la viscosidad plástica. A partir de estas dos medidas de esfuerzo de corte, se puede extrapolar la línea deviscosidad plástica hasta el eje Y para determinar el punto cedente de Bingham que está definido como la intersección de Y. Para la mayoría de los lodos, el esfuerzo de cedencia verdadero es inferior al punto cedente de Bingham, como lo indican las Figuras 11 y 13.La Figura 13 ilustra un perfil de flujo verdadero de un fluido de perforación con el modelo ideal de Flujo Plástico de Bingham. Esta figura muestra no solamente la comparación entre el “punto cedente verdadero” y el punto cedente de Bingham, sino también la desviación de la viscosidad a bajas y altas velocidades de corte en comparación con la viscosidad Plástica de Bingham. El punto cedente de Bingham es más alto que el esfuerzo de cedencia verdadero. Por lo general, la mejor manera de estimar el punto cedente verdadero es apartir del valor de esfuerzo de gel inicial.

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Modelos Reológicos

El modelo de Flujo Plástico de Bingham representa con precisión la relación de esfuerzo de corte/velocidad de corte de los lodos base agua, de arcilla floculada, de baja densidad (como el Hidróxido de Metales Mezclados (MMH)) y de la mayoría de los demás fluidos a altas velocidades de corte (mayores que 511 seg-1 o 300 RPM). Generalmente, los valores de esfuerzo de corte/velocidad de corte de la mayoría de los fluidos no floculados se desvían de los valores pronosticados por el modelo de Flujo Plástico de Bingham, a medida que se reduce la velocidad de corte. La mayor divergencia está a velocidades de corte más bajas. Si un lodo es un verdadero fluido Plástico de Bingham, entonces el esfuerzo de gel inicial y el punto cedente serán iguales, como en el caso de numerosos fluidos base agua de arcilla floculada.

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Modelos Reológicos

MODELO DE LEY EXPONENCIALEl modelo de Ley Exponencial procura superar las deficiencias del modelo de Flujo Plástico de Bingham a bajas velocidades de corte. El modelo de Ley Exponencial es más complicado que el modelo de Flujo Plástico de Bingham porque no supone que existe una relación lineal entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, como lo indica la Figura 14. Sin embargo, como para los fluidos newtonianos, las curvas de esfuerzo de corte vs. velocidad de corte para los fluidos que obedecen a la Ley Exponencial pasan por el punto de origen. Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según lavelocidad de corte elevada matemáticamente a una potencia determinada. Matemáticamente, el

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Modelos Reológicos

Modelo de Ley Exponencial se expresa como:τ = Kγn

Donde:τ = Esfuerzo de corteK = Índice de consistenciaγ = Velocidad de corten = Índice de Ley Exponencial

Al ser trazada en un gráfico en escala log-log, la relación de esfuerzo de corte/velocidad de corte de un fluido que obedece a la Ley Exponencial forma una línea recta, como lo indica la Figura 15. La “pendiente” de esta línea es “n”. K’ es la intersección de esta línea. El índice “n” de Ley Exponencial indica el grado de comportamiento no newtoniano de un fluido sobre un rango determinado de velocidades de corte. Cuanto más bajo sea el valor de “n”, más el fluido disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte sobre dicho rango develocidades de corte, y más curvada será la relación de esfuerzo de corte/velocidad de corte, como se muestra en la Figura 16

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Modelos Reológicos

Según el valor de “n”, existen tres tipos diferentes de perfiles de flujo y comportamientos del fluido: 1. n < 1: El fluido es un fluido no newtoniano que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte. 2. n = 1: El fluido es un fluido newtoniano. 3. n > 1: El fluido es un fluido dilatante que aumenta su viscosidad con el esfuerzo de corte (los fluidos de perforación no están incluidos en esta categoría). La Figura 17 muestra una comparación entre un fluido de perforación típico y un fluido que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte, un fluido newtoniano y un fluido dilatante. El efecto de “n” sobre el perfil de flujo y el perfil de velocidad es muy importante para los fluidos no newtonianos que disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte. A medida que el perfil de viscosidad se aplana (ver la Figura 18), la velocidad del fluido aumenta sobre un área más grande del espacio anular, lo cual aumenta considerablemente la limpieza del pozo. Ésta es una de las razones por las cuales los fluidos de bajo valor de “n” como Flo-Pro proporcionan una limpieza del pozo tan buena.El índice de consistencia “K” es la viscosidad a una velocidad de corte de un segundo recíproco (seg-1). Este índice está relacionado con la viscosidad de un fluido a bajas velocidades de corte. La eficacia con la cual un fluido limpia el pozo y suspende los materiales densificantes y los recortes puede ser mejorada aumentando el valor de “K”. Elíndice de consistencia “K” está generalmente expresado en lb-seg-n/100 pies2, pero también se puede expresar en otras unidades. Los términos “K” y “n” sólo son verdaderamente pertinentes Esfuerzo de corte logarítmico (Θ) K log ω600 – log ω300

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Modelos Reológicos

cuando están relacionados con una velocidad de corte específica. Sin embargo, cuando la curva de un fluido está descrita por un número finito de medidas, los segmentos de la línea para estas medidas describen a “K” y “n”. Los valores de “K” y “n” pueden ser calculados a partir de los datos del viscosímetro. Las ecuaciones generales para los valores de “n” y “K” son las siguientes:

n = log (Θ2 / Θ1) / log (ω2 / ω1)K = Θ1 / ω1n

Donde:n = Índice de Ley Exponencial o exponenteK = Índice de consistencia o índice de fluido de la Ley Exponencial (dina seg–n/cm2)Θ1 = Indicación del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte más bajaΘ2 = Indicación del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte más altaω1 = RPM del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte más bajaω2 = RPM del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte más alta

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Modelos Reológicos

La ecuación de Ley Exponencial para tuberías está basada en las indicaciones del viscosímetro de lodo a 300 y 600 RPM (Θ300 y Θ600). Después de sustituir las velocidades de corte (511 y 1.022 seg–1) en las ecuaciones de “n” y “K” y de simplificar las ecuaciones, el resultado es el siguiente:

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Estas ecuaciones anulares requieren una indicación del viscosímetro a 100 RPM (Θ100), la cual no se puede obtener con los viscosímetros VG de dos velocidades. API recomienda que se calcule un valor aproximado para la indicación a 100 RPMcuando se usan los datos del viscosímetro VG de dos velocidades:

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El modelo de Ley Exponencial modificada...Puede aproximarse más alComportamiento reológicoverdadero de la mayoría de los fluidos de perforación.

Modelos Reológicos

LEY EXPONENCIAL MODIFICADAComo se mencionó anteriormente, API ha seleccionado el modelo de Ley Exponencial como modelo estándar. Sin embargo, el modelo de Ley Exponencial no describe totalmente a los fluidos de perforación, porque no tiene un esfuerzo de cedencia y calcula un valor demasiado bajo de la LSRV (viscosidad a muy baja velocidad de corte), como se mostrópreviamente en la Figura 14. El modelo de Ley Exponencial modificada, o modelo de Herschel-Bulkley, puede ser utilizado para tomar en cuenta el esfuerzo requerido para iniciar el movimiento del fluido (esfuerzo de cedencia). Los diagramas mostrados en las Figuras 20 y 21 ilustran las diferencias entre los modelos de Ley Exponencial modificada,Ley Exponencial y Flujo Plástico de Bingham. Está claro que el modelo de Ley Exponencial modificada se parece más al perfil de flujo de un lodo de perforación típico. Se ha usado un viscosímetro FANN (VG) para obtener las indicaciones del cuadrante a velocidades de 600, 300 y 3 RPM. Primero, los tres modelos son presentados sobre papel de coordenadascartesianas (Figura 20), y luego sobre papel cuadriculado con doble escala logarítmica (Figura 21). En cada caso, el modelo de Ley Exponencial modificada está ubicado entre el modelo de Flujo Plástico de Bingham, siendo éste el más alto, y el modelo de Ley Exponencial, el más bajo. El modelo de Ley Exponencial modificada es ligeramente más complicado que el modelo de Flujo Plástico de Bingham o el modelo de Ley Exponencial. Sin embargo, este modelo puede aproximarse más al comportamiento reológico verdadero de la mayoría de los fluidos de perforación.

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Modelos ReológicosLEY EXPONENCIAL MODIFICADAMatemáticamente, el modelo de Herschel-Bulkley es el siguiente:

τ = τ0 + Kγn

Donde:τ = Esfuerzo de corteτ0 = Esfuerzo de cedencia o fuerza parainiciar el flujoK = Índice de consistenciaγ = Velocidad de corten = Índice de Ley ExponencialEn la práctica, se acepta el esfuerzo de cedencia como valor para la indicación a 3 RPM o el esfuerzo de gel inicial en el viscosímetro VG. Al convertir las ecuaciones para aceptar los datos del viscosímetro VG, se obtienen las ecuaciones para “n” y “K”.

Donde:n = Índice de Ley Exponencial o exponenteK = Índice de consistencia o índice de fluido de la Ley Exponencial (dina seg–n/cm2)Θ1 = Indicación del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte más bajaΘ2 = Indicación del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte más altaΘ0 = Esfuerzo de gel nulo o indicación a 3 RPMω1 = Viscosímetro de lodo (RPM) a una velocidad de corte más bajaω2 = Viscosímetro de lodo (RPM) a una velocidad de corte más alta

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Etapas de Flujo

El fluido de perforación está sometido a una variedad de configuraciones del flujo durante el proceso de perforación de un pozo. Estas configuraciones del flujo pueden definirse como diferentes etapas de flujo, de la manera ilustrada en la Figura 22.Etapa 1 – Ningún flujo. . La mayoría de los fluidos de perforación resisten con fuerza suficiente al flujo, de manera que es necesario aplicar una presión para iniciarlo. El valor máximo de esta fuerza constituye el esfuerzo de cedencia verdadero del fluido. En un pozo, el esfuerzo de cedencia verdadero está relacionado con la fuerza necesaria para “romper la circulación”.Etapa 2 – Flujo tapón. Cuando se excede el esfuerzo de cedencia verdadero, el flujo comienza en la forma de un tapón sólido. En el flujo tapón, la velocidad es la misma a través del diámetro de la tubería o del espacio anular, excepto para la capa de fluido que está contra la pared del conducto. Muchas veces se hace referencia al flujo de la pasta dentífrica dentro del tubo para describir un ejemplo de flujo tapón. El perfil de velocidad del flujo tapón es plano.Etapa 3 – Transición de flujo tapón a flujo laminar. A medida que el caudal aumenta, los efectos de corte comenzarán a afectar las capas dentro del fluido y a reducir el tamaño deltapón en el centro del flujo. La velocidad aumentará desde el pozo hasta el borde del tapón central. El perfil de velocidad es plano a través del tapón que tiene la mayor velocidad, y decae o disminuye a cero en la pared del conducto.

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Durante la perforación, la columna de perforacióncasi siempre tiene un flujoturbulento, y los aumentosResultantes de la pérdidade presión pueden limitar el caudal.

Etapas de Flujo

Etapa 4 – Flujo laminar. A medida que se aumenta el caudal, los efectos del caudal y de la pared sobre el fluido siguen aumentando. A cierto punto, el tapón central dejará de existir. A este punto, la velocidad alcanzará su nivel más alto en el centro del flujo y disminuirá a ceroen la pared del conducto. El perfil de velocidad tiene la forma de una parábola. La velocidad del fluido está relacionada con la distancia a partir del espacio anular o de la pared de latubería. Dentro de una tubería, se puede describir al flujo como una serie de capas telescópicas cuya velocidad aumenta de capa en capa hacia el centro. Todo el fluido a través de la tubería o del espacio anular se moverá en la dirección de flujo, pero a diferentes velocidades. Esta etapa de flujo regular se llama laminar debido a las capas o láminas formadas por las diferentes velocidades.Etapa 5 – Transición de flujo laminar a flujo turbulento. A medida que el caudal aumenta, el flujo regular comienza a descomponerse.Etapa 6 – Flujo turbulento. Cuando el caudal sigue aumentando, el flujo regular se decompone totalmente y el fluido tiene un flujo vorticial y turbulento. El movimiento del fluido total sigue siendo a lo largo del espacio anular o de la tubería en una dirección, pero la dirección del movimiento será imprevisible en cualquier punto dentro de la masa del fluido. Bajo estas condiciones, el flujo es turbulento. Una vez que estas condiciones han sido alcanzadas, cualquier aumento del caudal producirá simplemente un aumento de la turbulencia.

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...el esfuerzo de cedenciaVerdadero está relacionadocon la fuerza necesariapara “romper lacirculación”.

Etapas de Flujo

El movimiento del fluido total sigue siendo a lo largo del espacio anular o de la tubería en una dirección, pero la dirección del movimiento será imprevisible en cualquier punto dentro de la masa del fluido. Bajo estas condiciones, el flujo es turbulento. Una vez que estas condiciones han sido alcanzadas, cualquier aumento del caudal producirá simplemente un aumento de la turbulencia.Estas etapas de flujo tienen varias implicaciones diferentes. La presión requerida para bombear un fluido dentro de un flujo turbulento es considerablemente más alta que la presión requerida para bombear el mismo fluido dentro de un flujo laminar. Una vez que el flujo es turbulento, los aumentos del caudal aumentan geométricamente la presión de circulación. En el flujo turbulento, cuando se duplica el caudal, la presión se multiplica por cuatro (22). Cuando se multiplica el caudal por tres, la pérdida de presión se multiplica por ocho (23). Durante la perforación, la columna de perforación casi siempre tiene un flujo turbulento, y los aumentos resultantes de la pérdida de presión pueden limitar el caudal. Las pérdidas de presión asociadas con el flujo turbulento dentro del espacio anular pueden ser críticas cuando la Densidad Equivalente de Circulación (ECD) se aproxima al gradiente de fractura. Además, el flujo turbulento dentro del espacio anular está asociado con la erosión del pozo y los socavamientos en muchas formaciones. En las zonas propensas a la erosión, el diámetro del pozo se desgastará de tal manera que el flujo vuelva a ser un flujo laminar. Al perforar estas zonas, el caudal y las propiedades reológicas del lodo deberían ser controlados para impedir el flujo turbulento.

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...resultaimprescindibleoptimizar lahidráulica delfluido deperforaciónmediante elcontrol de laspropiedadesreológicas...

Cálculos de HidráulicaUna vez que las propiedades reológicas para un fluido han sido determinadas y modeladas para predecir el comportamiento del flujo, los cálculos de hidráulica son realizados para determinar el efecto que este fluido en particular tendrá sobre las presiones del sistema. Las presiones críticas son la presión total del sistema (presión de bombeo), la pérdida de presión a través de la barrena y la pérdida de presión anular (convertida en ECD). Muchos pozos son perforados bajo limitaciones de presión impuestas por el equipo de perforación y los equipos conexos. Las presiones nominales de las camisas interiores de las bombas y de los equipos superficiales, así como el número de bombas disponibles, limitan el sistema de circulación a una presión máxima admisible de circulación.A medida que los pozos son perforados a mayores profundidades y que se instala la tubería de revestimiento, el caudal disminuye dentro de los pozos de diámetro reducido. Las presiones de circulación aumentarán debido al aumento de la longitud de la columna de perforación y del espacio anular, y posiblemente debido a la reducción del diámetro de la columna de perforación. Las camisas interiores de las bombas de lodo serán cambiadas de manera que tengan diámetros más pequeños y presiones nominales más altas. Esto aumentará la presión máxima admisible de circulación. Cualesquiera que sean las condiciones del pozo, la presión máxima admisible de circulación impone un límite teórico sobre el caudal. Las presiones de circulación, y por consiguiente el caudal, están directamente relacionadas con la geometría del pozo y de los materiales tubulares utilizados, incluyendo el equipo especial del Conjunto de Fondo (BHA), así como la densidad y las propiedades reológicas del fluido. Por lo tanto, resulta imprescindible optimizar la hidráulica del fluido de perforación mediante el control de las propiedades reológicas del fluido de perforación para evitar alcanzar este límite teórico. Esto es particularmente cierto en el caso de la perforación de alcance extendido.

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El objetivo principal de la Optimización de la hidráulica es lograr un equilibrio entre el control del pozo, la limpieza del pozo, la presión de bombeo, la densidad equivalente De circulación (ECD) y la caída de presión a través del trepano.

PAUTAS PARA LA OPTIMIZACIÓN DE LAHIDRÁULICA

La presión máxima admisible de circulación y la velocidad de circulación son recursos limitados que pueden ser desperdiciados o aprovechados al máximo. La reología y los cálculos de hidráulica proporcionan los medios necesarios para ajustar las propiedades del lodo, el caudal y las toberas con el fin de optimizar estos recursos bajos las restricciones impuestas por los aparatos del equipo de perforación. El objetivo principal de la optimización de la hidráulica es lograr un equilibrio entre el control del pozo, la limpieza del pozo, la presión de bombeo, la densidad equivalente de circulación (ECD) y la caída de presión a través de la barrena. La densidad y las propiedades reológicas del fluido son los parámetros que afectan esta eficacia hidráulica. Si se supone que la densidad del fluido esmantenida a un nivel mínimo seguro para el control del pozo y la estabilidad del pozo, entonces la optimización de la hidráulica depende de las propiedades reológicas del fluido y del caudal. En muchos casos, los equipos de fondo tales como los motores de fondo, impulsores e instrumentos de medición al perforar y registro al perforar, requieren un caudal mínimo para funcionar correctamente. Esto hace que las propiedades reológicas del fluidoconstituyan la única variable en el proceso de optimización.

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El objetivo principal de la Optimización de la hidráulica es lograr un equilibrio entre el control del pozo, la limpieza del pozo, la presión de bombeo, la densidad equivalente De circulación (ECD) y la caída de presión a través del trepano.

ECUACIONES DE HIDRÁULICA DE APIPráctica Recomendada para la Reología y la Hidráulica de los Fluidos de Perforación de Pozos de PetróleoLos fluidos en el flujo laminar “actúan” de distinta manera que los fluidos en un flujo turbulento. Estas diferencias requieren el uso de diferentes ecuaciones para determinar las pérdidas de presión en los flujos laminares y turbulentos. Diferentes ecuaciones también son necesarias para calcular las pérdidas de presión en el espacio anular y la columna deperforación, debido a las diferentes geometrías. La primera etapa en los cálculos de hidráulica consiste en determinar la etapa de flujo que está ocurriendo en cada intervalo geométrico del pozo. La velocidad del fluido en cada uno de estos intervalos puede ser determinada con las ecuaciones proporcionadas a continuación.

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Un númerode Reynoldsmayor que2.100 indicaun flujoturbulento.

ECUACIONES DE HIDRÁULICA DE API

NÚMERO DE REYNOLDSEl número de Reynolds (NRe) es un número adimensional usado para determinar si un fluido está en un flujo laminar o turbulento. La Práctica Recomendada supone que un número de Reynolds inferior o igual a 2.100 indica un flujo laminar. Un número de Reynolds mayor que 2.100 indica un flujo turbulento. Previos boletines de hidráulica de API y muchosprogramas de hidráulica que son anteriores al boletín actual de hidráulica de API definen de diferentes maneras a los flujos laminar y turbulento.

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ECUACIONES DE HIDRÁULICA DE API

VELOCIDAD CRÍTICALa velocidad crítica se usa para describir la velocidad a la cual la transición del flujo laminar al flujo turbulento ocurre. El flujo dentro de la tubería de perforación es generalmente turbulento. Las ecuaciones para la velocidad crítica en la tubería y en el espacio anular están enumeradas a continuación. El caudal crítico puede ser calculado a partir de estas ecuaciones.

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Cálculos de Pérdida de PresiónEl sistema de circulación de un pozo de perforación consta de varios componentes o intervalos, cada uno de los cuales está sujeto a una caída de presión específica. La suma de las caídas de presión de estos intervalos es igual a la pérdida total de presión del sistema o a la presión medida del tubo vertical. La Figura 23 es un diagrama esquemáticodel sistema de circulación. Esta Figura puede ser simplificada de la manera indicada en la Figura 24, la cual ilustra el área relativa de flujo de cada intervalo. Puede haber cualquier número de subintervalos dentro de las categorías enumeradas en la siguiente tabla.La pérdida de presión total para este sistema se puede describir matemáticamente como:

PTotal = PEquipo Superf. + PColumna Perf. + PBarrena + PEspacio Anul.

Cada uno de estos grupos de presión puede dividirse en sus componentes y en los cálculos apropiados.

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Cálculos de Pérdida de PresiónPÉRDIDAS DE PRESIÓN DEL EQUIPO SUPERFICIALLas pérdidas de presión superficiales incluyen las pérdidas entre el manómetro del tubo vertical y la tubería de perforación. Esto incluye el tubo vertical, la manguera del kelly, la unión giratoria y el kelly o la rotaria viajera. Para calcular la pérdida de presión en las conexiones superficiales, utilizar la fórmula para tuberías de API para la pérdida de presión en la tubería de perforación. Las geometrías comunes del equipo superficial están indicadasen la siguiente tabla.

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Cálculos de Pérdida de PresiónPÉRDIDAS DE PRESIÓN DE LA COLUMNA DE PERFORACIÓNLa pérdida de presión en la columna de perforación es igual a la suma de las pérdidas de presión en todos los intervalos de la columna de perforación, incluyendo la tubería de perforación, los portamechas, los motores de fondo, las herramientas de MWD/LWD/PWD o cualquier otra herramienta de fondo.FACTOR DE FRICCIÓN Antes de calcular la pérdida de presión, se calcula el factor de fricción de Fanning (fp) usando diferentes ecuaciones para el flujo laminar y el flujo turbulento. Este factor de fricción constituye una indicación de la resistencia al flujo de fluido en la pared de la tubería. El factor de fricción en estos cálculos supone una rugosidad similar para todos los materiales tubulares.

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Cálculos de Pérdida de PresiónPÉRDIDA DE PRESIÓN EN LOS INTERVALOS DE TUBERÍASLos intervalos de la columna de perforación (incluyendo los portamechas) son determinados por el DI de la tubería. La longitud de un intervalo es la longitud de la tubería que tiene el mismo diámetro interior. La siguiente ecuación es usada para calcular la pérdida de presión para cada intervalo de la columna de perforación

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Las pérdidas de presiónSuperficiales incluyen las pérdidas entre elManómetro del tubovertical y la tubería deperforación.

Cálculos de Pérdida de PresiónPÉRDIDAS DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LOS MOTORES Y DE LAS HERRAMIENTASSi la columna de perforación contiene un motor de fondo; una herramienta de MWD, LWD o PWD; una turbina o un impulsor, sus pérdidas de presión deben estar incluidas en las pérdidas de presión del sistema para calcular la hidráulica del sistema. Las pérdidas de presión pueden afectar considerablemente la presión disponible en la barrena, así comoderivar el flujo alrededor de la barrena. La pérdida de presión a través de las herramientas de MWD y LWD varía considerablemente según el peso del lodo, las propiedades del lodo, el caudal, el diseño de la herramienta, el tamaño de la herramienta y la velocidad de transmisión de datos. Algunos fabricantes publican pérdidas de presión para sus herramientas, pero estas pérdidas de presión pueden ser estimadas por lo bajo, porque songeneralmente determinadas con agua. La pérdida de presión a través de Motores de Desplazamiento Positivo (PDM) (Moyno), impulsores y turbinas es más grande que las pérdidas a través de las herramientas de MWD y LWD, y es afectada por más variables.Con un PDM o impulsor, el peso adicional sobre la barrena aumenta el torque y la pérdida de presión a través del motor. La caída de presión a través de una turbina es proporcional al caudal, al peso del lodo y al número de etapas de accionamiento de la turbina. La pérdida de presión a través de los motores y las turbinas no se puede determinar con precisiónusando fórmulas; sin embargo, estos datos de pérdida de presión también pueden ser obtenidos de los proveedores.

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Cálculos de Pérdida de PresiónPÉRDIDA DE PRESIÓN EN EL TREPANO (PÉRDIDA DE PRESIÓN POR FRICCIÓN ENLAS BOQUILLAS)La pérdida de presión a través de la barrena se calcula con la siguiente ecuación:

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Cálculos de Pérdida de PresiónEn el caso de Coronas sacanúcleos o de cortadores de diamantes, el Área de Flujo Total (TFA) y los factores apropiados de conversión sonsustituidos dentro de la ecuación para obtener:

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Cálculos de Pérdida de PresiónPÉRDIDAS TOTALES DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULARLa pérdida total de presión en el espacio anular es la suma de todas las pérdidas de presión del intervalo anular. Los intervalos anulares son divididos por cada cambio del diámetro hidráulico. Algún cambio del diámetro exterior de la columna de perforación y/o algún cambio del diámetro interior de la tubería de revestimiento, tubería de revestimiento corta o pozo abierto resultaría en un cambio del diámetro hidráulico. Como con las ecuaciones de pérdida de presión de la columna de perforación, el factor de fricción debe ser determinado antes de calcular la pérdida de presión para cada sección anular. FACTOR DE FRICCIÓN DEL ESPACIO ANULAR es el siguiente:

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Cálculos de Pérdida de PresiónPÉRDIDA DE PRESIÓN DEL INTERVALO ANULARLa pérdida de presión para cada intervalo debe ser calculada separadamente y sumada para obtener la pérdida total de presión total del intervalo anular. Esta ecuación se usa para calcular las pérdidas de presión de los intervalos individuales.

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DENSIDAD EQUIVALENTE DE CIRCULACIÓNLa presión en una formación durante la circulación es igual al total de las pérdidas de presión de circulación anular desde el punto de interés hasta el niple de campana, más la presión hidrostática del fluido. Esta fuerza se expresa como la densidad del lodo que ejercería una presión hidrostática equivalente a esta presión. Este peso equivalente del lodo se llama Densidad Equivalente de Circulación (ECD).

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MUCHAS GRACIAS

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