Densidad del fluido (presión diferencial) - I

La reducción en el ritmo de penetración por efecto de las propiedades delfluido de perforación se originan principalmente por la presencia de una presión diferencial, entre la presión hidrostática del fluido y la presión de poro de la formación, que actúa sobre el fondo del pozo.

La presión diferencial positiva actúa en el sentido de la gravedad, y su valor, para una formación dada depende del peso específico de la columna de fluido. De esta manera, la fuerza neta que se ejerce sobre los recortes generados por la barrena trata de mantenerlos en el fondo del pozo. La presencia de esta presión retarda la remoción de los recortes y, por lo tanto, los dientes de la barrena remuelen los recortes ya generados sin penetrar roca virgen, lo que obviamente produce una reducción en la velocidad de penetración. 

A este fenómeno se le conoce como efecto de retención en el fondo (efecto de "Hold Down"), y aun cuando este concepto no está claramente definido, su existencia es indudable y pruebas de campo controladas lo han comprobado. En la figura 52 se muestra el efecto de la densidad del fluido sobre el tiempo de rotación en dos pozos perforados en el sur de Mississipi, en los cuales la única variante fue la densidad del fluido.

Variables Alterables

Como su nombre lo indica, comprende a todas aquellas variables que se pueden cambiar, modi- ficar y/o alterar de acuerdo con las necesidades de la perforación. 

A) Propiedades del fluido Densidad Viscosidad Contenido de sólidos Pérdida de filtrado Contenido de aceite 

B) Hidráulica Gasto de fluido Potencia hidráulica Velocidad del fluido en las toberas 

C) Barrena Tipo de barrena Desgaste de la barrena 

D) Factores mecánicos Peso sobre barrena Velocidad de rotación 

A) Propiedades del fluido de perforación 

El fluido de perforación es considerado el factor simple más importante que afecta a la velocidad de penetración; de aquí que para un área en par- ticular la selección apropiada, diseño y manteni- miento de las propiedades del fluido de perfora- ción permitirá el empleo de una hidráulica óptima para obtener una limpieza eficiente tanto de la ba- rrena como del fondo del pozo; así como la defi- nición óptima de la relación peso sobre barrena- velocidad de rotación, a fin de lograr velocidades de penetración adecuadas. Los fluidos de perforación se diseñan y seleccionan de acuerdo con las características de la formación que se va a perforar. Deben cumplirse al menos una o varias de las siguientes funciones: 

• Enfriar y lubricar la barrena y la sarta de perfo- ración 

• Remover los recortes del fondo del agujero 

• Transportar los recortes del fondo del agujero 

• Minimizar el daño a la formación 

• Controlar las presiones de formación 

■ Mantener la estabilidad del agujero 

■ Permitir las operaciones de toma de registros 

• Minimizar la corrosión de las sartas de tuberías 

• Minimizar los problemas de contaminación e im- pacto ambiental 

• Reducir la torsión, fricción y tendencias de pegaduras de las tuberías 

• Incrementar la velocidad de perforación

Profundidad

Indudablemente la profundidad a la cual se encuen- tra una formación en el subsuelo no es una propie- dad de la misma. 

Por el contrario, casi todas las ca- racterísticas de las formaciones dependen en gran medida de la profundidad a la cual se encuentran al ser penetradas por la barrena. Un hecho ampliamente conocido es que una roca perfo- rada a condiciones atmosféricas presenta características de perforabilidad mayores que cuando la formación se encuentra a una cierta profundidad. En términos generales esto se debe a que la presión de confinamiento, dureza, resistencia a la compresión, plas- ticidad, compactación, temperatura, etcétera, se incrementan con la profundidad y de esta manera se re- duce la velocidad de penetración. 

En la figura 51 se representa la reducción de la velo- cidad de penetración con respecto a las propieda- des de la formación, expresadas en función de la profundidad.

Temperatura

El efecto de esta variable sobre la velocidad de penetración no está bien definido puesto que en el rango de temperaturas encontradas en la perforación de pozos petroleros, el efecto de esta variable sobre las propiedades de la roca es generalmente despreciable; no obstante, se ha comprobado que la falla de la roca se torna cada vez más plástica conforme la temperatura se incrementa. Por lo tanto, la velocidad de penetración se re- ducirá a medida que la plasti- cidad de la formación aumen- ta con la temperatura. Sin embargo, este efecto debe ser analizado en un fu- turo próximo con mayor pro- fundidad y detenimiento pues la perforación de los pozos petroleros se realiza cada vez a mayores profun- didades.

Porosidad

Una práctica de perforación muy empleada en el campo para la detección de la zona de presión de formación anormal alta, es la presencia de un incremento en la velocidad de penetración. Estas zonas geopresionadas se encuentran asociadas a formaciones con porosidades anormalmente altas para la profundidad a la cual se encuentran confinadas. Naturalmente, una zona porosa presenta una perforabilidad mayor que una zona densa de la mis- ma roca. Este efecto proba- blemente se deba a que la resistencia a la compresión de las formaciones se incrementa con la reduc- ción en la porosidad.

Contenido de fluidos

Pruebas de laboratorio y campo han demostrado que una roca completamente sa- turada con fluidos incompresibles (agua) es menos sensitiva a los efec- tos de la presión diferencial en el fondo del pozo (ver fi- gura 49), que en el caso de una formación que contiene fluidos compresibles (gas). Este efecto se debe a que en la primera, una pequeña cantidad de filtrado del lodo es suficiente para lograr un equilibrio hidrostático de las presiones.

En cuanto a la presión de la formación es un hecho plenamente comprobado que cuando está es igual o mayor que la presión hidrostática impuesta por la columna del fluido de perforación, la velocidad de penetración se incrementa. Esto se debe a que no existe una diferencial de presión en el fondo del agujero o bien ésta es negativa (figura 50). Diversas pruebas de laboratorio (parte a) y de campo (parte b) han determinado la existencia de este efecto; es decir, han demostrado que la velocidad de penetración se reduce cuando la diferencial de presión entre la presión hidrostática en el agujero y la presión de formación se incrementa. Asimismo, es un hecho conocido las altas velocidades obtenidas en la perforación cuando se emplea aire o gas o bien cuando se perforan formaciones con presión de formación anormal alta (quiebre de perforación).

Características de /a formación - II

Permeabilidad 

El efecto de permeabilidad de la formación sobre su perforabilidad se debe principalmente a su tenden- cia para aliviar las presiones impuestas en el fondo del pozo gracias al peso de la columna del fluido de perforación, al permitir que penetre dentro de los poros de la formación. Considérese la figura 49, en la cual se muestra un elemento de formación debajo de la barrena. Si el agujero está lleno de fluido, la parte superiordel ele- mento estará sujeta a una presión hidrostática que depende de la densidad del lodo y la profundidad; en tanto que la parte inferior estará sujeta a la pre- sión de la formación. 

De esta manera existe una fuerza resultante sobre el recorte que trata de mantenerlo pegado al fondo del pozo. En operaciones normales de campo, esta diferencial de presión, la cual actúa en el sentido de la grave- dad, dificulta la remoción del elemento deformación y reduce así la velocidad de penetración. Si la roca fuera lo suficientemente permeable al fluido de perforación (filtrado del lodo), la presión diferencial a través del elemento deformación no existiría, debido a un equilibrio hidrostático de las presiones; por lo que este efecto de retención del recorte en el fondo del pozo sería eliminado o minimizado. 

Por lo tanto, se puede concluir que las rocas permeables, que permiten una igualación de la presión a través de la formación inmediatamente enfrente de la barrena, son perforadas con una mayor rapidez debido a que el recorte puede ser removido con facilidad y, por lo tanto, la velocidad de penetración no experimentará cambios significativos por los efectos de la presión diferencial.