Hidráulica de Perforación - II

Obsérvese, en la figura 71 la curvatura de las líneas que indican una limpieza deficiente y tendencias de embolamiento de la barrena, lo cual llega a ser más severo conforme el peso sobre barrena se incrementa. Obviamente, esto indica un problema de limpieza del fondo del agujero. 

Datos de campo en formaciones suaves y medias parecen indicar que el ritmo de penetración se incrementa cuando la potencia hidráulica en la barrena se incrementa, aun cuando existe controversia sobre si estos aumentos correlacionan mejor con la fuerza de impacto hidráulico. 

Es decir, la velocidad de penetración es una función de la potencia hidráulica en la barrena:

Parece que en formaciones duras el incremento en la velocidad del fluido a través de las toberas mejora la velocidad de penetración debido a que minimiza el remolido de los recortes:

Hidráulica de Perforación - I

Uno de los aspectos más estudiados sobre los factores que afectan a la eficiencia de la perforación ha sido el efecto de la hidráulica de perforación. No obstante la gran cantidad de estudios e investigaciones realizadas, aún existe una gran falta de entendimiento de los fundamentos; a la fecha existe aún desacuerdo entre los llamados expertos. 

Posiblemente, en lo que a perforación se refiere, la razón de la existencia de este desacuerdo se deba a que no existe una respuesta universa Imente aceptada a las siguientes preguntas: ¿Qué cantidad de limpieza del fondo del agujero se requiere para una formación y área determinada? ¿Cuál es el método de diseño hidráulico que permitirá incrementar la limpieza de la barrena y del fondo del agujero? ¿Qué parámetro emplear para representar un cierto nivel de limpieza? Es pertinente aclarar que el fluido de perforación, independientemente de la velocidad de éste a través de las toberas de la barrena, no destruye la roca consolidada significativamente en ningún grado. Por lo tanto, en lo que a "hacer agujero" se refiere, la función de la hidráulica y fluido de perforación es únicamente eliminarlos recortes del fondo del pozo y del agujero. 

La remoción instantánea de los recortes debajo de la barrena es prácticamente imposible; sin embargo, la utilización apropiada de la energía hidráulica disponible puede minimizar la permanencia de los recortes en el fondo y evitar sean remolidos por la barrena y de esta forma incrementar la velocidad de penetración. Por lo tanto, se puede establecer que la aplicación de la hidráulica no tiene como función perforar el agujero, sino acelerar la remoción de los recortes. Generalmente se ha aceptado el hecho de que se requiere de un gasto de flujo suficiente para limpiar la barrena y que la velocidad del fluido a través de las toberas sea la necesaria a fin de liberar los recortes debajo de la barrena, que son retenidos contra el fondo del pozo por efectos de la presión diferencial. Por otra parte, se ha establecido que la velocidad del fluido debajo de la barrena tiene un mayor efec to sobre la velocidad de penetración que el gasto de flujo.

En muchas formaciones suaves y medias es difícil determinar el límite de limpieza delfondo necesaria para obtener una mayor velocidad de penetración. En muchos casos, la velocidad de penetración es tan alta que parece que el agujero está siendo excavado por la acción del fluido y la hidráulica. La figura 69 y 70 ¡lustran el efecto de la hidráulica sobre la velocidad de penetración para diferentes pesos sobre barrena. 

En el caso real, se ha establecido que la velocidad de penetración es directamente proporcional al peso sobre barrena aplicado, siempre y cuando se tenga una limpieza perfecta del fondo del pozo; situación que no se cumple en la mayoría de los casos.

Pérdida de filtrado - III

El efecto del contenido de aceite en el fluido sobre la vebcidad de penetración se muestra en las figuras 67 y 68. Se expresa matemáticamente por la siguiente relación empírica:

Pérdida de filtrado - II

Paradoja del control del fluido: Se desea una pérdida inicial de filtrado baja para minimizar el daño a la formación y mejorar la estabilidad del agujero. Pero es deseable una pérdida inicial de filtrado elevada para efectos de incrementar la velocidad de penetración El efecto de la pérdida de filtrado sobre la velocidad de penetración puede ser empíricamente expresado por:

Observaciones de campo indican que la adición de aceite, en fluidos base agua, tiende generalmente a incrementar la velocidad de penetración en casi todo tipo de formaciones, especialmente en formaciones con alto contenido de arcillas, en donde la hidratación de la lutita representa un serio problema para la estabilidad del agujero y embolamiento de la barrena. 

En términos generales, el efecto del contenido de aceite es más notable en formaciones suaves, mientras que en formaciones duras el efecto es más reducido. 

Las razones por las cuales el contenido de aceite en el fluido incrementa la velocidad de penetración, se cree que son: Las características de lubricación del aceite reducen la tendencia de embolamiento, evitando que los recortes se adhieran a la estructura de corte de la barrena (dientes, insertos, etcétera.).

La misma lubricidad del aceite promueve la aplicación de un mayor peso sobre barrena en el fondo, para un peso sobre barrena aplicado en la superficie. Esto resulta debido a la disminución de la fricción entre la sarta de perforación y las paredes del agujero. Sin embargo, cuando el contenido de aceite se incrementa más allá de un 20% en volumen, su efecto sobre la vebcidad de penetración se invierte reduciendo esta última. Posiblemente esto sea el resultado de un incremento en la viscosidad del fluido o bien por un bloqueo por emulsión de los poros de la formación.

Pérdida de filtrado - I

El concepto de que la velocidad de penetración se incrementa cuando la pérdida de filtrado del fluido de perforación aumenta, fue el resultado de observaciones de campo. Esta pérdida de filtrado depende principalmente del contenido y tipo de sólidos presentes en el fluido. 

De acuerdo con el contenido y tipo de sólidos, el fluido de perforación tenderá a filtrar la fase líquida hacia la formación y a depositar una película impermeable en las paredes del pozo (enjarre). Esta filtración es una función de la permeabilidad de la formación, la diferencial de presión y el contenido de sólidos del fluido. La invasión del filtrado hacia las formaciones se inhibe al formarse el enjarre que retarda así la igualación de presiones a través de los recortes generados. Esto los mantiene en el fondo del pozo (efecto de retención). El efecto se ilustra en la figura 64. Al retardarse la igualación de presiones, la velocidad de penetración se incrementa.

Contenido de sólidos

De manera similar a la densidad del fluido, el contenido de sólidos es la propiedad que más efecto tiene sobre el ritmo de penetración. Separar el efecto del contenido de sólidos del efecto de la densidad y otras propiedades del fluido es difícil, debido a que existe una relación muy estrecha entre el contenido

 

de sólidos, densidad, viscosidad, pérdida de filtrado, formación del enjarre, etc., de tal manera que es casi imposible separar de los datos obtenidos en pruebas de campo y laboratorio el efecto de los sólidos para aislar completamente este factor. Para incrementar el peso delfluido es necesario agregar sólidos, así ambos efectos siempre estarán presentes (figura 59). 

No obstante lo anterior, es un hecho ampliamente aceptado que un incremento en el contenido de sólidos por sí solo reduce sustancialmente la velocidad de penetración (figura 60). Además se ha comprobado que no solamente el contenido de sólidos reduce la velocidad de penetración, sino que también el tipo y estado de dispersión de los sólidos tienen un efecto significativof figuras 61 y 62). 

Por lo tanto, a partir de observaciones de campo y resultados de laboratorio se ha determinado que para lograr una perforación eficiente, en cuanto a la velocidad de penetración se refiere, es necesario mantener el contenido de sólidos tan bajo como sea posible (valores menores del 6% en volumen). Se ha comprobado también que las partículas de tamaño submicron (menores de 1 micrón), tienen un efecto adverso sobre la velocidad de penetración 12 veces mayor que las partículas de mayor tamaño (figura 63). Pór lo que una buena práctica de perforación es mantener el tamaño de las partículas lo más grande que sea posible.

En resumen, el contenido, distribución del tamaño, tipo y estado de dispersión de las partículas sólidas en el fluido ejercen una gran influencia sobre la velocidad de penetración. Empíricamente, esto puede ser representado mediante:

Viscosidad - II

Por otro lado, diversos trabajos de investigación, a nivel experimental y de laboratorio, han demostra- do que la remoción de los recortes de la interfase roca-barrena es una función de la velocidad del flui- do a lo largo del fondo del pozo (velocidad del flujo cruzado-"crossflow-velocity"); la cual a su vez es una función de la velocidad del fluido a través de las toberas de la barrena. Así, para una potencia hidráulica superficial dispo- nible, la velocidad del fluido a través de las toberas y de aquí a lo largo del fondo del pozo será mayor cuanto menor sea la viscosidad. Una probable segunda causa de la reducción en la velocidad de penetración con la viscosidad se debe a la restricción del flujo del fluido a través de las fracturas generadas por la barrena. 

La velocidad a la cual el fluido pueda llegar a las fracturas y reducir el efecto de la presión diferencial y de esta manera reducir el efecto de retención del recorte depende principalmente de la viscosidad. Una probable segunda causa de la reducción en la velocidad de penetración con la viscosidad se debe a la restricción del flujo del fluido a través de las fracturas generadas por la barrena. 

La velocidad a la cual el fluido pueda llegar a las fracturas y reducir el efecto de la presión diferencial y de esta manera reducir el efecto de retención del recorte depende principalmente de la viscosidad. Pruebas de laboratorio de- mostraron que el efecto de la viscosidad realmente existe a valores menores de 40 cp; a valores superiores este efec- to es insignificante. 

El efecto de la viscosidad so- bre la velocidad de penetra- ción puede ser expresado matemáticamente por medio de una relación empírica, vá- lida para valores de viscosidad menores de 40 cp (figura 58):

Con respecto al efecto de las propiedades del fluido de perforación, el efecto de la viscosidad es de lo más difícil de explicar debido a que no puede modificarse sin alterar otras propiedades, pues de- pende del contenido y tipo de sólidos, atracción o repulsión entre partículas sólidas y viscosidad de la fase líquida, entre otros factores.