Impacto hidráulico

(Porcentajes de las pérdidas de presión)

HIDRÁULICA DE PERFORACION - II

El tamaño de las toberas es uno de los factores que [afecta directamente la velocidad de penetración, mientras que el gasto para la limpieza del agujero estabiliza en las paredes (un gasto excesivo puede provocar derrumbes) una densidad equivalente de circulación y de velocidad de penetración. 

Por lo tanto, para llegar a una optimización hidráulica se debe determinar correctamente el gasto necesario. La pérdida de presión en la barrena puede ajustarse me- diante la selección de las toberas, para lograr así una adecuada presión de bombeo. 

Existen limitaciones en cuanto al gasto de la bomba: si hay un gasto excesivo puede provocar derrumbes, agujeros erosionados, disminución en la vida de la barrena, aumento en la densidad equivalente de circulación en los H.P. hidráulicos. Un gasto bajo o deficiente ocasiona: falta de limpieza del agujero, remolienda de recortes, embolamiento de la

barrena y precipitación de recortes. Existen muchas técnicas útiles para lograr el gasto adecuado para perforar. Una de ellas, que se ha comprobado en el campo con buenos resultados, es la relacionada con la velocidad de penetración y el diámetro de la barrena; su lineamiento es el siguiente: * al multiplicar el (30,35,40 a 45 gal/min/P.D.B) parámetro por el diámetro de la barrena, se obtiene el gasto adecuado. 

Lo primero que se debe consideraren cualquier programa de hidráulica es la máxima presión disponible. Esto requiere una investigación, no únicamente del tamaño de la bomba, si no también del de la máquina. Una vez establecido que se deben utilizar barrenas con toberas y que el equipo tiene las bombas ade cuadas, el principal problema es cómo diseñar el programa de hidráulica óptima. 

Así se podrán cumplir los siguientes objetivos: 

- Incrementar la velocidad de penetración, en función de una efectiva limpieza del fondo del agujero. 

- Evitar o disminuir la excesiva erosión de las paredes del agujero, y no provocar derrumbes o deslaves. 

- Controlar las pérdidas de presión en el sistema de circulación.

Posiblemente no se cumpla con todos los puntos anteriores, pero gracias a los conocimientos y experiencia del ingeniero o técnico, se podrán combinar en una forma óptima los métodos hidráulicos, y así acercarse lo más posible al logro de estos objetivos. Debemos considerar que las propiedades del fluido de perforación en un cálculo hidráulico son importantes: si se presentan altas densidades o viscosidades, es bien sabido que los efectos sobre las pérdidas de presión por fricción son altas.

HIDRÁULICA DE PERFORACION - I

En cuanto a la mecánica de perforación, el fluido tie- ne como función la limpieza del fondo del pozo y el acarreo de los recortes hasta la superficie. 

La capacidad de remoción de los recortes por el flui- do de perforación, se da en función de la presión a la salida de las toberas y del gasto de circulación. Estos parámetros se ligan con el concepto de po- tencia hidráulica. Cuando la potencia hidráulica, producto de presión por gasto, es la máxima, la capacidad de remoción de recortes será óptima. 

El gasto es proporcional a la velocidad de fluido de perforación a la salida de las toberas; por otra par- te, la presión representa la energía necesaria para impulsar la masa de fluido contra el fondo del pozo. Por lo tanto, debe hacerse el cálculo hidráulico del circuito del fluido de perforación, para así poder de- finir el diámetro óptimo de las toberas; esto es, aquél que dé lugar a la máxima potencia hidráulica del flujo del fluido de perforación a la salida de las toberas. El cálculo toma en cuenta una serie de parámetros, como son, entre otros, la densidad y viscosidad del fluido de perforación, geometría del pozo y sarta de perforación. Situaciones imprevisibles, cuyo efecto no es cuantificable, como la erosión de las paredes del pozo, derrumbes o perforación de formaciones ex- tremadamente suaves o poco consolidadas. Ningu- na de éstas se toman en cuenta para definir el diá- metro de las toberas. 

La máxima potencia hidráulica en la barrena depen- de de la efectividad de la bomba, debido a que la velocidad de la penetración aumenta; sin embargo, una vez que se llega al nivel de "limpieza perfecta" (recortes que se levantan del fondo a medida que se generan), cualquier incremento en la potencia hi- dráulica deja de afectar un aumento en los avances. La potencia hidráulica desarrollada por la bomba se utiliza, en parte, para vencer la resistencia ofrecida al fluido de perforación por el sistema circulatorio y, también, para la misma barrena.

En general, si se aumenta indiscriminadamente la potencia superficial, crecerá el gasto y, por lo tanto, se incrementarán las caídas de presión en el sistema. Esto trae como consecuencia (para una misma combinación de toberas) que aumente la potencia destinada a vencer la resistencia por circulación en todo el circuito, pero sin mejoraren forma significativa la potencia hidráulica en la barrena. Esto significa que la optimización de la potencia hidráulica en la barrena se logra a través del diámetro de las toberas. En general, se obtiene la máxima potencia hidráulica en la barrena cuando las caídas de presión son del 65% de la presión de bombeo. De este criterio se ha derivado lo que se conoce como índice de caballaje hidráulico aplicado al fondo del pozo. Se expresa como potencial hidráulico en el fondo del pozo (H.RH.)/pg2 del área del fondo. Los métodos hidráulicos están directamente relacionados con el diámetro de las toberas o con el gasto de la bomba.

Efecto combinado del peso sobre barrena y velocidad de rotación

Se ha establecido que un incremento en el peso so- bre barrena y/o la velocidad de rotación producen un incremento en la velocidad de penetración. 

El peso sobre barrena y la velocidad de rotación son dos parámetros interrelacionados, por lo que un incremento en cualquiera de la variables re- quiere normalmente de una disminución en la otra para obtener una operación económica. Por lo tan- to, estos dos parámetros deberán ser discutidos en forma conjunta. 

El incremento en el nivel de energía mecánica so- bre la barrena (incremento en el peso sobre barre- na y/o velocidad de rotación) dará como resultado un aumento de la velocidad de penetración; siem- pre y cuando exista la energía hidráulica apropiada para lograr una limpieza eficiente del fondo del pozo (figura 74). 

Por otro lado, un incremento en el nivel de energía mecánica tendrá efectos negativos so- bre la velocidad de penetración, ya que ello origina un desgaste acelerado o prematuro de la estructura de corte y rodamientos de la barrena. 

Referencias Lummus, J.L. Drilling Optimization, JPT, Nov. 1970, pp 1379 León Loya, J.G. Optimización de la Perforación, Fac- tores que Afectan la Velocidad de la Perforación, CIPM, 1993

Velocidad de rotación

La velocidad de rotación es la velocidad a la cual la mesa rotatoria hace girar la sarta de perforación y ésta a su vez a la barre- na. La velocidad de rotación se expresa comúnmente en revoluciones por minuto. El efecto de la velocidad de rotación sobre la velocidad de penetración no está tan bien definido como el efecto del peso sobre barrena. No obstante, el ritmo de perforación se incrementa a medida que la velocidad de rotación se incrementa (figura 73). Nótese en la figura 73 que en formaciones suaves la velocidad de penetración es directamente proporcional a la velocidad de rotación; es decir, existe una relación lineal entre ambas. En formacio- nes duras, la relación entre la ve- locidad de penetración y la velo- cidad de rotación de la barrena está mejor definida por una rela- ción de tipo exponencial. Por este motivo, cuando se perfo- ran formaciones duras no deberán

emplearse altas velocidades de rotación (superiores a 150 rpm), aun cuando se trate de formaciones medias; ya que la velocidad de penetración tiende a reducirse rápidamente a valores elevados de velocidad de rotación.

Peso sobre barrena

El efecto del peso sobre la velocidad de pe- netración está muy bien entendido y demos- trado. Pruebas de laboratorio y de campo han demostrado que la velocidad varia en proporción directa con el peso sobre barre- na; siempre y cuando se tenga una limpieza eficiente de la barrena, del fondo del pozo y todos los demás factores se mantengan constantes (figura 72).

Hidráulica de Perforación - III

C) Barrenas Tipo de barrena En el proceso de la perforación de pozos pe- troleros, la selección adecuada del tipo de la barrena es un factor tan importante como cual- quier otro. La selección de la barrena deberá estar basada en varios factores tales como el tipo y características de la formación, fluido de perforación, condiciones de operación, entre otros. Además, deberá fundamentarse en el análisis de registros de corridas de barrenas en pozos vecinos o agujeros similares, predicción de la litología, etcétera.

D) Factores Mecánicos Teóricamente, de todos los factores discutidos, el peso sobre barrena y la velocidad de rota- ción son los factores que se pueden alterar o modificar más fácilmente, por lo que algunas veces son considerados entre los más impor- tantes en la perforación de cualquier tipo de formación. Prácticamente en todas las áreas, la veloci- dad de penetración está gobernada por el peso sobre barrena y/o la ve- locidad de rotación. Por su- puesto que existen limitaciones en la aplicación de cualquiera de estos dos factores y están principalmente relacionadas con la capacidad del equipo, potencia hidráulica disponible, consideraciones de desviación del agujero, falla de la barrena, falla estruc- tural de la sarta de perforación, etcétera. El efecto del peso sobre la barrena y la velocidad de rotación han sido ampliamente estudiados en el laboratorioy comprobados mediante pruebas de campo (pruebas de perforabil¡dad); pero aún existen dudas acerca de cómo estos dos parámetros puede ser optimizados. Esto se debe principalmente a su efecto sobre el des- gaste de la barrena y a lo complejo del proceso mismo de perforación.