Cálculos de hidráulica

Una vez que las propiedades reológicas para un fluido fueron determinadas, los cálculos de hidráulica se realizan para determinar el efecto que este fluido tendrá sobre las presiones del sistema. Las prsiones criticas son la presión total del sistema (presión de bombeo), la perdida de presión a través del trépano y la perdida de presión a través del espacio anular.

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 ECD y la caída de presión a través del trépano.

La ecuación de Ley Exponencial para tuberías está basada en las indicaciones del viscosímetro de lodo a 300 y 600 RPM

Las ecuaciones de Ley Exponencial para el espacio anular son

VELOCIDAD MEDIA DE PROPAGACIÓN EN EL MEDIO API se refiere a la velocidad del fluido que fluye dentro de un espacio anular o una tubería, como la velocidad de propagación en el medio.

Velocidad media de propagación en la tubería (Vp):

Velocidad media de propagación en el espacio anular:

Viscosidad efectiva, tuberíaμep (cP) =

Viscosidad efectiva, espacio anular: μea (cP) =

El número de Reynolds para dentro de la tubería es:

El número de Reynolds para el espacio anular es:

Cálculos de Pérdida de Presión

El 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.

Antes de calcular la pérdida de presión, se calcula el factor de fricción de Fanning (fp) usando diferentes ecuaciones:

E Anular:

Tuberia:

La siguiente ecuación es usada para calcular la pérdida de presión para cada intervalo de la columna de perforación.

La siguiente ecuación es usada para calcular la pérdida de presión en el E. A.:

La 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).

ECD (lb/gal) =

La pérdida de presión a través del trépano se calcula con la siguiente ecuación:

CÁLCULOS DE HIDRÁULICA DEL TRPANO Además de la pérdida de presión de la barrena, varios cálculos de hidráulica adicionales son usados para optimizar el rendimiento de la perforación. Éstos incluyen cálculos de la potencia hidráulica, de la fuerza de impacto y de la velocidad del chorro. El rango de potencia hidráulica (hhp) recomendado para la mayoría de las barrenas para rocas es de 2,5 a 5,0 Caballos de Fuerza por Pulgada Cuadrada (HSI) del área de la barrena. La potencia hidráulica en la barrena no puede exceder la potencia hidráulica total del sistema.

POTENCIA HIDRÁULICA POR PULGADA CUADRADA DEL ÁREA DE LA BARRENA

VELOCIDAD DE TOBERA (PIES/SEG): Velocidades de tobera de 250 a 450 pies/seg son recomendadas para la mayoría de las barrenas. Las velocidades de tobera mayores que 450 pies/seg pueden desgastar la estructura de corte de la barrena.

FUERZA DE IMPACTO (IF) HIDRÁULICA

La hidráulica de la barrena puede ser optimizada en lo que se refiere al impacto hidráulico, la potencia hidráulica, o la velocidad de tobera. En general, el objetivo es usar de 50 a 65% de la presión máxima admisible de circulación proporcionada a la barrena. Se considera que los sistemas se optimizan para la fuerza de impacto cuando la pérdida de presión en la barrena es igual a 50% de la presión de circulación. Cuando la pérdida de presión en la barrena es igual a aproximadamente 65% de la presión de circulación, se considera que el sistema está optimizado para la potencia hidráulica.

En las formaciones blandas la barrena puede ser optimizada para la fuerza de impacto y el caudal. Cuando se perforan lutitas duras se optimiza la barrena para la potencia hidráulica con el 65% de la pérdida de presión máxima admisible de circulación en la barrena.

Ejemplo de Problema de Hidraulica

PROBLEMA:

MD/TVD: 12.031 pies

Revestimiento de superficie: 2.135

pies de 133⁄8-pulg. 61 lb/pies Tubería de revestimiento intermedia: 10.786 pies de

95⁄8-pulg. 40 lb/pies

Barrena: 85⁄8 pulg.

Toberas (1/32 pulg.): 11, 11, 11

Conexiones superficiales: Caso 3

Tubería de perforación: 41⁄2 pulg.,

16.6 lb/pies

Portamechas: 390 pies de

7 pulg. x 21⁄4 pulg.

Presión superficial: 3.000 psi

Peso del lodo: 12,8 lb/gal

Viscosidad embudo: 42 seg/qt

Viscosidad plástica: 19 cP

Punto cedente: 15 lb/100 pies2

Esfuerzo de gel inicial: 8 lb/100

pies2

Caudal: 335 gpm

La secuencia de los cálculos para cada intervalo es la siguiente: • Valores de “n” y “K”.

• Velocidad de propagación en el medio.

• Viscosidad efectiva.

• Número de Reynolds.

• Factor de fricción (se usará una de dos fórmulas diferentes, según el valor del número de Reynolds).

• Pérdida de presión del intervalo. Las pérdidas de presión de los intervalos anulares son sumadas y usadas para calcular la densidad equivalente de circulación. Las ecuaciones para tuberías (columna de perforación) y la longitud de tubería hidráulica equivalente de las conexiones superficiales son utilizadas para calcular la pérdida de presión de las conexiones superficiales. La suma de las pérdidas de presión en las conexiones superficiales, columna de perforación, herramientas de fondo, barrena y espacio anular debería aproximarse a la presión superficial.

DI de la tubería de revestimiento intermedia: 8,835 pulg.

Intervalo de pozo abierto: MD – longitud de la tubería de Revestimiento 12.031 pies – 10.786 = 1.245 pies

Conexión superficial Caso 3, longitud equivalente (pies): 610 pies de tubería con DI de 3,826 pulg. DI tubería de perforación: 3,826 pulg.

Longitud de la tubería de perforación: MD – longitud del portamechas 12.031 pies – 390 pies = 11.641 pies de 41⁄2 pulg. x 3,826 pulg.

GEOMETRÍA ANULAR:

Intervalo nº 1: Longitud: 10.786 pies; DI tubería de revestimiento: 8,835 pulg.; tubería de perforación: 41⁄2 pulg.

Comenzar desde la superficie, con la tubería de perforación dentro de la tubería de revestimiento para formar el primer intervalo. La longitud del primer intervalo será la más corta de las dos, es decir la longitud de la tubería de revestimiento, 10.786 pies. La tubería de perforación es más larga de 855 pies que la tubería de revestimiento (11.641 – 10.786). Esta porción de 855 pies de la tubería de perforación será usada para calcular la longitud del próximo intervalo.

Intervalo nº 2: Longitud: 855 pies; DI pozo abierto: 85⁄8 pulg.; tubería de perforación: 41⁄2 pulg.

Determinar la longitud del próximo intervalo de geometría usando los 855 pies de tubería de perforación que se extienden por debajo de la tubería de revestimiento y el próximo intervalo del pozo, 1.245 pies de pozo abierto. El más corto de los dos, es decir la tubería de perforación, determina la longitud del segundo intervalo, 855 pies. El pozo abierto es más largo de 390 pies (1.245 – 855) que la tubería de perforación. Esta longitud será usada para determinar la longitud del próximo intervalo de geometría.

Intervalo nº 3: Longitud: 390 pies; DI pozo abierto: 8 5/8 pulg.; portamechas: 7 pulg.

El siguiente intervalo de la columna de perforación consta de 390 pies de portamechas. Esta longitud es igual a la longitud del resto del intervalo de pozo abierto a partir del Intervalo nº 2; por lo tanto, la longitud del intervalo de geometría final es 390 pies.