54822194 Fluidos de Perforacion Reologia e Hidraulica 2010

Fluidos de Perforacin

Modelos Reolgicos y Clculos Hidrulicos para Fluidos de

Perforacin(2010)

Hidrulica Funciones del Fluido de Perforacin Reologa de los Fluidos Prdidas de carga / Cadas de Presin

Causas que generan las caidas de Presin Como se modelan

ECD

Modelos Reolgicos e Hidrulica:1 Algunas definiciones y unidades. 2 Regmenes de flujo.3 Tipos de fluidos: Newtoniano y No Newtoniano.4 - Modelos reolgicos: Plstico de Bingham. Ley de Potencia. Modelo de Herschel-Bulkley (Potencia modificado).5 Ecuaciones y trminos comunes.6 El pozo.7 Ejemplos de aplicacin. Ejercicios.8 Comentarios.

Reologa de los Fluidos de Perforacin

Modelos Reolgicos Para que se usan los modelos reolgicos ? Es la reologa a bajo rgimen de corte

importante realmente? Geles del lodo

1 Que es un Modelo Reolgico?. Algunas definiciones.

Reologa e hidrulica son trminos de Ingeniera que describen el comportamiento de fluidos en movimiento.

1 Esfuerzo de Corte. 2 Velocidad de Corte. dv/dx3 Viscosidad - 4 Reologa Viscosidad efectiva Geles5 Tipos de flujo = Laminar / Turbulento / de transicin.6 Modelos reolgicos.6.1 Fluidos Newtonianos. = /(dv/dx)6.2 Plstico de Bingham = Viscosidad Plstica y Punto de Fluencia. 6.3 Ley de Potencia.6.4 Ley de Potencia modificada (Herschley-Bulckley)

v vsv = vs - vi = (m/seg)

h h h m

vi

FIGURA 14

Tensin de corteTensin de corte = F / A Donde A = reaF = p . pi . pi . pi . pi . D2 / 4A= pi .pi .pi .pi . D . L

Por lo tanto: = F/A = p . pipipipi . D2 / 4 . pipipipi . D . L = p . D / 4 . L

Si queremos hallar el mismo valor en el caso de un flujo en el espacio anular siendo D2= dimetro interior del pozo o caera externa, entonces:

F = p . [(pi . pi . pi . pi . D22) / 4 (pi . pi . pi . pi . D12) / 4] = p . pi . pi . pi . pi . ( D22 - D12) / 4

Y el rea en este caso ser la suma de la interior del cao o pozo y la exterior de la tubera interior, es decir:

A = pipipipi . D2 . L + pipipipi . D1 . L = pipipipi .L . ( D2 + D1)

y la tensin de corte: = F/A = p pipipipi . (D22 - D12) / 4 . pi .pi .pi .pi . L . (D2 + D1)

= p * (D22 - D12) = p . (D2 - D1) / 4 . L

Velocidad de corte = dv/dh

El lodo se coloca entre el rotor y el cilindro exterior

Cilindro interior

El rotor puede girarse a distintas velocidades

Rotor

Dial graduado

ResorteVISCOSIMETRO ROTATIVO

Fluido Fluido

Newtoniano Newtoniano

= constante====

Fluido Fluido plastico plastico

f

FIGURA 16 FIGURA 17

FIGURA 19FIGURA 18

f = = = = p

Fluido Fluido

Exponencial Exponencial

====Kn

Fluido Newtoniano

log()))) Exponencial Binghamiano

n

====Kn

DilatanteK

log ())))

Exponencial

FIGURA 20

FIGURA 22 FIGURA 23

FIGURA 21

2 Trminos y Ecuaciones:

Para predecir el comportamiento de los fluidos de perforacin se emplean ecuaciones matemticas que, usando los modelos reolgicos anteriormente mencionados, permiten calcular el tipo de flujo y las prdidas de carga (cada de presin = P) necesarias para comenzar y mantener la circulacin del fluido.

Nmero de Reynolds NRe = ( VxDx / ) o [Vx(D2-D1)x / ]Nmero adimensional que permite estimar el rgimen de flujo. Habitualmente NRe menores a 2100 indican flujo laminar, pero solo para interior de caeras cilndricas. NRe superiores indican Flujo turbulento. Existe un NRec (Nmero de Reynolds Crtico) que permite determinar el punto de cambio de rgimen. En la mayora de los fluidos reales la transicin se da en una banda de valores.

f = Factor de friccin fLi = 16/NRei o fLA = 24/NReaTrmino adimensional definido para fluidos de la Ley de Potencia en flujo turbulento. Relaciona al NRe con un factor que da la rugosidad de la caera.

3 Tipos de Fluidos.Hay bsicamente 2 tipos - Newtoniano (como el agua, el gasoil, la glicerina o salmueras simples), y los No-Newtonianos (la mayora de los fluidos de perforacin, el cemento, la mayonesa, la pasta dental, el asfalto, etc.).

4 Modelos reolgicos

2 Regmenes de Flujo Re = .D.V

LaminarTiene lugar entre bajas y moderadas velocidades de corte entre las capas del fluido, las que se deslizan de manera ordenada una sobre la otra. Este movimiento es paralelo a las paredes del cauce a travs del cual se mueve el fluido. Los parmetros reolgicos del lodo son importantes para calcular las prdidas de carga por friccin. NRe < 2745TurbulentoSe produce a altos ndices de cizallamiento (altos esfuerzos de corte), el fluido se mueve en forma catica. Las partculas se mezclan axial y lateralmente al flujo. Las prdidas de carga por friccin son mayores que en flujo laminar. La reologa no pesa en los clculos. NRe > 3136TransicinEn el cambio entre Flujo Laminar y Turbulento existe una franja de Transicin. La Velocidad Crtica o de Cambio, depende de las propiedades y composicin del fluido, y de los esfuerzos y velocidades de corte. 2745 < NRe < 3136

4 Modelos Reolgicos:

Que factores Influyen en las Prdidas de Carga/ cadas de Presin

Geometra (Di de barras/PMs; espacio anular ; cuplas/uniones; etc)

Rugosidad de las barras/PMs Excentricidad del pozo Reologa del fluido Densidad Velocidad de rotacin (rpm) Temperatura / Presin Regimen de Flujo (Nmero de Reynolds)

4 Modelos Reolgicos:

Los mas importantes aplicados en fluidos de perforacin son:1 - Modelo de Plstico de Bingham2 - Modelo de Ley de Potencia3 - Modelo de Herschel-Bulkley (de Potencia modificada)

El primero (Plstico de Bingham) es aun usado por su sencillez y simpleza, aunque es solo una aproximacin grosera. = PF + ( VP x )

El tercero (Herschley-Bulkley) es el modelo mas exacto para predecir el comportamiento reolgico de los fluidos de perforacin. = 0 + K * n

Clculo de los parmetros con las lecturas del viscosmetro de cilindros coaxiales

Para Modelo Plstico de Bingham:VP = 600 300PF = 300 VP o PF = ( 2 x 300 ) - 600

Para Modelo de Ley de Potencia: n = [log (2/1)/log(2/1)] p.ej. n = [log (100/3)/log(100/3)] K = (2/ 2n ) p.ej. K = (5,11*3/511n )

Para Modelo de Ley de Herschley-Bulckley (Potencia modificada):n = [log (2- 0/1- 0)/log(2/1)]K = (2- 0/ 2n )

5 - Efectos de la Temperatura / Presin(T2) = (T1)exp[ ((T2 T1)/(T1*T2)) ]

(T1) = Viscosidad efectiva a Temperatura 1. (T2) = Viscosidad efectiva a la Temperatura 2. T1 = Temperatura absoluta 1. T2 = Temperatura absoluta 2. = Constante de temperatura

(P2) = (P1)exp[ (P2 P1) ](P1) = Viscosidad efectiva a la Presin 1. (P2) = Viscosidad efectiva a la Presin 2. P1 = Presin 1. P2 = Presin 2. = Constante de presin

6 Objetivos de la Hidrulica en el pozo

Algunos Objetivos y un error habitual1. Limpiar el fondo del pozo mientras se perfora.2. Mantener limpio el trpano.3. Acarrear los slidos perforados (y otros) a superficie a una

velocidad razonable.4. Mantener baja la Densidad Equivalente de Circulacin (DEC-

ECD) para acotar las admisiones y prdidas.5. Mantener bajas las prdidas por friccin en la columna

perforadora, el pozo y el circuito de superficie.6. Transmitir Potencia Hidrulica a las herramientas en el fondo

del pozo (motor de fondo). 7. Acotar las presiones de pistoneo (Swab & Surge pressures).8. Los pozos no se agrandan (washouts).

6 El pozo

6 Ecuaciones que aplican (cont.)

Presin Hidrosttica (Ph) es la ejercida por la columna de fluido que se encuentra dentro del pozo.Ph (psi) = 0,052 x TVD (pies) x L (ppg)Ph (Pa) = 10 x TVD (metros) x L (kg/m3)

El clculo anterior se refiere al fluido en condicin esttica (sin movimiento).

Volumen de un cilindro La parte interior de barras de sondeo y Portamechas = *L*R2 = (*L*D2)/4

Volumen entre columnas El espacio anular pozo/Portamechas, Pozo/Barras de sondeo y caera/barras de sondeo = *L*(R2 - r2) = *L*((D2 - d2)/4


Vf = Q/Af (Caudal/rea de Flujo) La Velocidad del fluido es el caudal dividido el rea de flujo, en unidades coherentes.

Af = *R2 = (*D2)/4 (para el interior de sondeo/caeras)Af = *(R2 - r2) = *((D2 - d2)/4 (para espacios anulares)

Tiempo de retorno / de Circuito es el tiempo desde el fondo del pozo hasta zarandas (bottom up) / es el tiempo que demora el lodo en dar una vuelta completa desde la pileta de succin hasta el mismo punto.

tr = Vol. Anular/Q (Volumen anular/Caudal)tc = Vol. circuito activo/Q (Volumen total del circuito activo/Caudal)

Velocidad de sedimentacin de una partcula:gc . Ds 2 . (S L)

LEY DE STOKES Vs =LEY DE STOKES Vs =K .

Vs: Velocidad de sedimentacin.gc: aceleracin de gravedad.Ds: Dimetro de la partcula slida.s: Densidad del slido.L: Densidad del lquido.K: Constante de conversin de unidades.: Viscosidad del fluido.

0,060 < Ds < 60000

2560 gr/l < s < 5200 gr/l

1000 gr/l < L < 2000 gr/l

3 cps < < 60 cps



Va = Vf Vs Velocidad ascencional (en el espacio anular) es la Velocidad del fluido (por el caudal) menos la Velocidad de sedimentacin de la partcula. Nos orienta sobre la capacidad de limpieza del fluido. Debe ser siempre positiva.

Pp = (fp*Vp2*) / (K*D) Prdida de carga en el interior del sondeo.

Pa = [ (fa*Va2*) / (K*(D2 D1)) ] - Prdidas de Carga en el espacio anular.

fp = Factor de friccin de Fanning (p = pipe / a = anular)Va = Velocidad del fluido (p = pipe / a = anular)D = Dimetro interno ( D2 = D interior del pozo D1 = D exterior del sondeo) = Densidad del fluido.


f = Factor de friccinTrmino adimensional definido para fluidos de la Ley de Potencia en flujo turbulento. Relaciona al NRe con un factor que da la rugosidad de la caera.


Clculo de los factores de friccin:

fp = 16/Rep - Factor de friccin interior del sondeo flujo laminar.fa = 24/Rea - Factor de friccin espacio anular flujo laminar.

fp = a/(Rep)b - Factor de friccin interior del sondeo flujo turbulento.a = (log np + 3,93)/50b = (1,75 log np)/7

fa = a/(Rea)b - Factor de friccin espacio anular flujo laminar. a = (log na + 3,93)/50b = (1,75 log na)/7

ECD Que es la ECD ? Porqu es importante la ECD ? Que factores afectan la ECD Como se ve la ECD vs la Profundidad ?

Puede permanecer constante ? Puede aumentar ? Puede reducirse ? Porque es la ECD a la profundidad del zapato

anterior importante ? La mxima ECD siempre se ubica a la TD ?

Effect of Flow Rate on Equivalent Circulating DensityEffect of Flow Rate on Equivalent Circulating Density

Flow Rate

E

q

u

i

v

a

l

e

n

t

C

i

r

c

u

l

a

t

i

n

g

D

e

n

s

i

t

y

CleanHoleRegion

DirtyHoleRegion

CuttingsConcentrationIncreasing

FrictionPressureIncreasing


Densidad Equivalente de Circulacin (DEC ECD) es la Densidad aparente que ve el pozo mientras circula el fluido (lodo), debe ser considerado para ahogo de pozo, o en caso de prdidas inducidas. DEC = L (ppg) + ( Pa (psi) / 0,052xTVD (pies) )DEC = L (kg/m3) + ( Pa (Pa) / 10xTVD (metros) )No contempla el efecto de las ROP, la concentracin o las caractersticas fisico -qumicas de los recortes.

Pb = K**Q2/(D2n + D2n+1 + + D2n+i) Prdida de carga en las boquillas del trpano. K = 156 para: densidad () en lb/gal caudal (Q) en gpm y dimetros (D) de boquillas en 1/32.


Potencia Hidrulica (HHP) Indica la energa necesaria para circular el fluido y vencer las prdidas de carga. La brindan las bombas de lodo.HHPSIST = ( PTotal (psi) x Q (gpm) ) / 1714

Fuerza de Impacto Hidrulico (IF) es una medida de la energa disipada en las boquillas del trpano.IF (lb) = ( Vn*Q*)/1930 - Vn = Velocidad en boquillasHSI (lb/in2) = ( 1,27xIF (lb) / Dtrep2) (normal 1,0 @ 4,0 HHP/in2)

Porcentaje de prdida de presin en el trpano Es deseable que se pierda entre el 50 al 65% de la presin total en el trpano.PTrep (psi) = xQ /(10858x(TFA)2) - TFA = rea Total boquillas.%PTrep = ( PTrep/ PTOTAL ) x 100


Velocidad o Caudal crtico Indica la Velocidad o Caudal en que cambia de Flujo Laminar a Turbulento.

Para dentro del sondeo:VCI = (38727xKi/) (1/2 n) x [(1,6/D) x (3n+1)/4n ] (n/2-n)

QCI (gpm) = ( VCIxD2/24,51 )

Para el espacio anular:VCA = (25616xKa/) (1/2 n) x [(2,4/(D2 D1)) x (2n+1)/3n ] (n/2-n)

QCA (gpm) = ( VCAx(D22-D12)/24,51 )

La Decantacin (Sag) de la Baritina es un Fenmeno Dinmico

Grumo

Corriente de Flujo

Indicadores de Decantacin (Sag)

Lodo liviano seguido de lodo pesado cuando se circula fondo arriba (bottoms-up).

Presiones Anormales en la lnea de alta (standpipe) efecto tubo en U debido al lodo mas denso en el espacio anular.

Elevadas ECDs, prdidas de lodo rotacin del BHA en las camas de baritina decantada.

Alto torque y arrastre contacto entre el sondeo / baritina decantada.

Surgencias o kicks Inesperados debido a la columna de lodo alivianada.

Pozos con alto Riesgo de Decantacin

Pozos de Alto ngulo y de Rango Extendido (ERD). Cualquier pozo con un ngulo>30o y

Densidades de lodo>12 ppg son riesgosos Los pozos ERD son los ms crticos con

largas secciones desviadas.

Pozos HTHP debido a la reduccin de viscosidad del lodo (mud thinning) y a la degradacin trmica de los aditivos.

Recomendaciones para evitar la Decantacin

Controlar la LSRV a un valor de LSYP > 7

Incrementar las rpm del sondeo a >100 rpm

Realizar el VST en el equipo y mantener DMW < = 0.5 ppg

Evitar usar Baritina gruesa en secciones de pozo de poco dimetro.

Evitar realizar cambios en la Densidad (MW) del lodo antes de perodos estticos.

Los Potenciales Problemas Incluyen:

Inestabilidad de Pozo, Presiones Porales cercanas a la ECD

(Wellbore breathing) Pegamiento de caera Prdidas de circulacin Elevado torque & arrastre Decantacin de la Baritina (prdidas =>

ganancias)

Key Variables Which Influence Cuttings TransportKey Variables Which Influence Cuttings TransportI

n

f

l

u

e

n

c

e

o

n

H

o

l

e

C

l

e

a

n

i

n

g

Control in the Field

DrillpipeEccentricity

Flow Rate

RheologyMud Weight

Cuttings Density

Cuttings Size

Hole Size andHole Angle

Rate ofPenetration

Hole CleaningPills

Drill PipeRotation

GQS37586_16

Influencia de la RotaciInfluencia de la Rotacin del n del

SondeoSondeo

200

220

240

260

280

300

320

0 50 100 150 200

Rotary Speed (rpm)

M

i

n

i

m

u

m

F

l

o

w

R

a

t

e

(

g

p

m

)

Resumen de consideraciones sobre Limpieza de Resumen de consideraciones sobre Limpieza de

PozoPozo

En pozos de alto ngulo se pueden necesitar Densidades mas altas para mantener la estabilidad del pozo

Una adecuada Limpieza del pozo es vital para evitar aprisionamientos y mantener una baja Densidad Equivalente de Circulacin (ECD)

Elevados Caudales ayudan a mejorar la Limpieza del pozo en pozos con alto ngulo

La Rotacin del Sondeo mejora la Limpieza del Pozo

Las Mediciones de Presin Anular en Tiempo Real son muy tiles para monitorear las condiciones del pozo

El modeladop del Torque y su control dan una buena indicacin del estado del pozo

Arranque de las bombas, ruptura de los Geles Puesta en marcha suave y uniforme de las bombas

Rotacin del Sondeo A mayores RPM, mayor ECDRecomendable 100 -150 rpm (120 rpm es ideal)

La Rotacin del Sondeo es necesaria para mejorar la Limpieza en Pozos Desviados

Limitaciones a la ROP A mas ROP, ms cuttings, mayores ECD

Desmoronamientos en Zarandas Real siempre mayor que el terico

Conecciones

Prcticas de Perforacin - Perforacin

Monitorear y registrar profundidades adonde se observan los mayores torque y/o slip stick

Viajes cortos No realizar Viajes Cortos para Limpiar el pozo.

Maximizar el movimiento del Sondeo en Pozo Abierto

En caso de necesitar reparar una Bomba de Lodo, detener la perforacin si no se puede garantizar adecuada Limpieza

Eliminar/optimizar el uso de Pldoras de Limpieza Mnimo efecto de las pldoras de alta viscosidad, de baja viscosidad o combinacin de pldoras Se Recomiendan las pldoras de Alta Densidad 2 3 ppg por encima de la Densidad del Lodo (MW)Una sola pldora por vez en el pozo

Prcticas de Perforacin - Perforacin

Prcticas de Perforacin Sacando SondeoMinimizar las Circulaciones Intermedias, No circular siempre en los mismos lugares/profundidades

Repasadas (Reaming/Backreaming) Repasar tramos de pozo solo si es absolutamente necesario Es muy probable Empaquetarse si el pozo no est Limpio

Sobretiro (Overpull) Establecer un valor mximo de overpull antes de Sacar Sondeo (POOH)

Velocidad de Sacada Pistoneo (Swab) Calcular la mxima velocidad de extraccin para evitar ingreso de

Fluidos

Monitorear y registrar las profundidades de mayor overpull o torque

7 Ejemplo de Aplicacin 1

a - Calcular la prdida de carga en las boquillas del trpano, en el caso siguiente. b se puede optimizar la hidrulica?, como?

Datos:Pmax bbas = 2500 psi - Caudal Bomba = 400 gpmProfundidad pozo = 2850 metrosBHA = Trpano de 8 boquillas = 5 x 14/32 - Motor de fondo 200 metros de PM de 6 x 2 + b/s de 4 IF.Datos del lodo = = 9,1 ppg 3 = 5 300 = 42 600 = 60


Efecto de las ROP (Rate Of Penetration)

Datos:Pmax bbas = 2500 psi - Caudal Bomba = 600 gpmProfundidad pozo = 1200 metrosBHA = Trpano de 12 boquillas = 5 x 14/32 - Motor de fondo 200 metros de PM de 6 x 2 + b/s de 4 IF.Datos del lodo = = 8,9 ppg 3 = 4 300 = 22 600 = 42

Calcular la ECD considerando: a) circulando en el fondo, b) perforando a 20 m/h, c) perforando a 50 m/h.


a) - Calcular las boquillas del trpano necesarias para tener el 60% de la prdida de carga en el trpano, b) Calcular la ECD perforando a 10 m/h.

Datos:Pmax bbas = 2500 psi - Caudal Bomba = 400 gpmProfundidad pozo = 2500 metrosBHA = Trpano de 8 boquillas = 5 x ? - Motor de fondo 200 metros de PM de 6 x 2 + b/s de 4 IF.Datos del lodo = = 9,1 ppg 3 = 5 300 = 42 600 = 60

8 Comentarios

1 Los modelos reolgicos, y las ecuaciones para los clculos hidrulicos (prdidas de carga, potencia al trpano, DEC, etc.) son solo intentos matemticos para poder predecir el comportamiento de los fluidos en los pozos. Existen muchas variables no contempladas o evaluadas (p.ej. caractersticas fisico-qumicas de las formaciones atravesadas) que afectan y alteran los resultados de estos modelos.

2 La mejor hidrulica ser, en cada caso (rea, dimetro, fluido, equipo, etc.), la que al correrla con los datos reales nos d un valor de Presin Total o Prdida de carga Total similar a la lectura de la Presin de la Bomba de lodos en el stand pipe.

3 Usar siempre el criterio, contrastando los resultados obtenidos de las diferentes hidrulicas, con los parmetros reales de cada pozo, rea u equipo.

Modelos Reolgicos e Hidrulica

Preguntas?

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