Hidráulica de perforación: introducción a la reología

HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN
HIDRÁULICA
DELAPERFORACIÓN
ProgramadeEntrenamiento
Aceleradopara Ingenieros
SupervisoresdePozo

Reología
 Reo
 Logos
= Flujo
= Estudio
 La Reología es el estudio del flujo de fluidos.

Razones para estudiar la Reología
Se requiere la Reología para predecir:
 Qué tan bueno es el transporte los recortes afuera del pozo
 Qué tan buena es la limpieza de los ripios en la cara de la
barrena.
 Cuáles son las pérdidas de presión en el sistema.
 Cómo se comporta el sistema de fluido con los regímenes de
flujo que se emplean en el pozo.
 En otras palabras se necesita entender la hidráulica de los
fluidos de perforación.

 Caracterización de los Fluidos
Reología
A
F v + dv
v
-La fuerza de resistencia o arrastre es el esfuerzo de cortante
-La diferencia en las velocidades dividido entre la distancia
se llama la velocidad de cizallamiento.
Reología

El esfuerzo cortante y la velocidad de cizallamiento:
 Esfuerzo Cortante : Unidad : Lbf / 100 ft 2
Fuerza que causa el corte
área superficial de la lámina
 Velocidad de cizallamiento: Unidad : 1 / seg (segundo
recíproco)
Diferencia de velocidad entre 2 láminas
Distancia entre 2 láminas
Reología

*

2

30.48



sec 2

 980
 
  454


ft 
cm
cm
lbf
g
lbf1 
100 ft 2
100 ft 2
lbf
En Unidades del sistema internacional de medidas, S.I.:
sec 2
cm 2
Dyne
cm 2
gm * cm
1
100 ft 2
lbf
 4.79 4.79

Viscosidad
 La viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir
y se define como la Razón del Esfuerzo cortante
a la velocidad de cizallamiento.
 Poise2
 cm
 dyne  sec
 
•La unidad “Poise” es algo grande, por lo que se
prefiere expresar la viscosidad en “Centipoise” que
es 1/100 de 1 Poise.

FluidosNewtonianos
Los fluidos Newtonianos son aquellos en los cuales la viscosidad permanece constante
para todas las velocidades de cizallamiento siempre y cuando la temperatura y la presión
permanezcan constantes.
Ejemplos de Fluidos Newtonianos son: el agua, la glicerina y el aceite ligero.
El esfuerzo cortante es directamente proporcional a la velocidad de cizallamiento:


 
Esfuerzo
Cortante
Velocidad de
Cizallamiento

FluidosNewtonianos
•Los fluidos no newtonianos no muestran una proporcionalidad directa entre el
esfuerzo de cortante y la velocidad de cizallamiento. La mayoría de los fluidos
de perforación son no newtonianos.
•La gráfica que se muestra es un ejemplo un fluido no Newtoniano.
•La viscosidad de un fluido no Newtoniano se conoce como la viscosidad
efectiva y para obtener su valor se debe especificar una velocidad de
cizallamiento específica.

Modelo Plástico deBingham
Se han desarrollado varios modelos matemáticos para simular la reología de los
fluidos de perforación. El que se usa más ampliamente en el campo es el Modelo
Plástico de Bingham.
Este modelo supone un comportamiento lineal de la relación entre el esfuerzo
cortante y la velocidad de cizallamiento, pero la línea no cruza el origen como
sucede con los fluidos Newtonianos.
Esfuerzo
Cortante
Velocidad de
Cizallamiento

Velocidad de
Cizallamiento
La ecuación del modelo plástico de Bingham está dada por:
   p y
La intercepción con el eje “y” se conoce como el Punto de Cedenciay
y es el esfuerzo que se requiere para hacer que el fluido se ponga en
movimiento.
La pendiente de la curva se conoce como la Viscosidad Plástica.
Esfuerzo
Cortante
Pendiente = PV
Intercepción = YP
Punto de Cedencia

friccióViscosidad Plástica es la resistencia al flujo relacionada con la
mecánica que es causada por:
•La concentración de sólidos.
•El tamaño y forma de los sólidos.
•La viscosidad de la fase líquida.
En el campo la PV se considera como una guía para el control de sólidos
Se incrementa conforme el porcentaje volumétrico de sólidos se increment
o si el porcentaje volumétrico permanece constante pero el tamaño d
partículas disminuye.
Por lo tanto, la PV se puede reducir al reducir la concentración de sólidos
disminuyendo el área superficial.
Viscosidad Plástica, PV:
Los lodos de perforación normalmente están compuestos por una fas
líquida continua en la cual están dispersos los materiales sólidos. L

Punto de Cedencia, YP - El punto de cedencia es la resistencia inicial al
flujo debida a las fuerzas electroquímicas entre las partículas. Estas fuerzas son
causadas por las cargas localizadas en la superficie de las partículas dispersas
en la fase fluida. El punto de cedencia depende de:
•Las propiedades superficiales de los sólidos en el lodo.
•La concentración volumétrica de los sólidos.
•El ambiente iónico del líquido que rodea a los sólidos.
El YP se puede controlar por medio de un tratamiento químico adecuado.
•Las cargas positivas en las partículas se pueden neutralizar por la
adsorción de grandes iones negativos. Estos pueden ser aportados por
productos químicos como: taninos, lignitos, lignosulfonatos, etc.
•En caso de contaminación de iones como calcio o magnesio, estos se
pueden remover como precipitados insolubles.
•La dilución con agua también puede reducir el YP. Sin embargo, si la
concentración de sólidos es demasiado elevada no va a ser efectiva.

Medicióndela Reología
Las propiedades
reológicas de los
fluidos de perforción
se determinan en
elequipos como
mostrado aquí,
llamado Reómetro o
Viscosímetro
Rotacional
Láminas
paralelas
infinitas

Reometro (ViscosímetroRotacional
  f ()CILINDRO
Cubierta
fluido
(GAMMA), la velocidad de cizallamientode 
Esfuerzo de Cortante = f (Lectura observada)
Velocidad de cizallamiento = f (RPM de la cubierta)
Esfuerzo de Cortante = f (Velocidad de Cizallamiento)
 (TAU), el esfuerzo cortante, depende del valor

ViscosímetroRotacional
 La plomada y el cilindro están dispuestos de tal forma que
cuando las RPM vistas en la escala, al ser multiplicadas por
una constante (1.7) tienen unidades de segundos recíprocos.
 La lectura observada x 1.0678 = (lb/100ft2)
o multiplicado por 5.11 ( 1.0678 x 4.79 )
lo convierte a dinas/cm2
DinasTiene unidades de  Pois
cm2
x Sec 
RPM de la Camisa x 1.7
Lectura x 1.0678 x 4.79

RPM seg-1
3 5.11
6 10.22
100 170
200 340
300 511
600 1022
RPM x 1.703 = seg-1
Reómetro – Casobase

VelocidadesdeCizallamientotípicasenunPozo
Loclización Velocidad
de Cizallamiento (sec-1)
Tub. de Perf. 100-500
Lastra barrena 700-3000
Toberas de la barrena 10,000 – 100,000
Eapacio Anular 10 - 500
Presas de Lodo 1 - 5

DeRegresoal ModeloPlásticodeBingham

PV=Pendiente, YP= Intersección
PENDIENTE
Pendiente
600300
x
5.11
600 300 1.7
estatendráunidadesdePoise
enCentipoises
Pendiente 600300 x 5.11x100
600 300 1.7

600300
x3x100
300
PendientePV 600300
Unidades cp
INTERCEPTO
5.11
10
100pie2
x x
3000 1.7
Pendiente
PV3000
0Yp
Yp300PV
Unidades
lbf
3000

Limitacionesdel ModeloPlásticodeBingham
Los fluidos de perforación típicos tienen valores más bajos a
velocidades de cizallamiento bajas. Por lo tanto, el modelo
plástico de Bingham no funciona para predecir la reología del lodo
en el espacio anular por ejemplo.

OtrosParámetrosqueseMidencon el ViscosímetroFannVG
LSRYP: Low Shear Rate YP
Punto de cedencia a baja velocidad de cizallamiento – Medida de
la viscosidad del lodo a baja velocidad de cizallamiento. Mide la
capacidad del lodo para transportar recortes en el espacio anular.
Mientras más grandes sean los recortes más elevado será el
valor LSRYP requerido. Se calcula con la expresión:
LSRYP(3x2) 6
Como una regla práctica el LSRYP debe estar cerca al diámetro
del pozo en pulgadas.

OtrosParámetrosqueseMiden conel ViscosímetroFannVG
Fuerza de Gel – Fuerzas de Gel de 10 seg y 10 minutos indican
las fuerzas de atracción desarrolladas en el fluido cuando se
encuentra bajo condiciones estáticas durante dichos intervalos de
tiempo. Los valores excesivos son una indicación de que hay una
alta concentración de sólidos. La gráfica muestra los tipos de
fuerza de gel.

Viscosidad Efectiva =
N
e
 
300N
Viscosidad aparente =
600 2
600300600
a 
Se usa para encontrar la viscosidad real a unas RPM dadas.
Es un indicador de que individualmente o en forma simultánea
el YP y la PV están incrementando
OtrosParámetrosqueseMiden conel ViscosímetroFannVG

Ejemplo decálculo
 Dadas las lecturas del Viscosímetro Fann V –
G de: 64 @ 600 RPM
40 @ 300 RPM
Calcular la PV, el YP y la Viscosidad Aparente a 600 y la
viscosidad efectiva a 300 RPM
PV = 600 -300 = 64 – 40 = 24
YP =  300 – PV = 40 – 24 = 16
Visc. Ap.@ 600 = 300 x lectura@ 600/rpm= 300x64/600 = 32
Visc. Efect.@ 300 = 300 x lectura@300/300 = 40

Modelo de la Ley de Potencia
Newtoniano
Modelo de la Ley de Potencia – Se utiliza para simular el comportamiento de
fluidos de perforación basados en polímeros que no tienen un esfuerzo de
cedencia. (por ejemplo las salmueras transparentes viscosificadas).
La ecuación general para este modelo es:
 Kn
K es el índice de consistencia, “n” es el índice de comportamiento de
flujo. 0 < n < 1.0 Tanto K como n son particulares para cada fluido.
velocidad de
cizallamiento
EsfuerzoCortante

Kn
“n” se puede obtener de :
300
n  3.32 log
 600
y sus unidades son adimensionales.
“K” se puede obtener de : K
511n

511*300
y sus unidades están en centipoise.
OtrtrososMModeodellososdede
RReoeollogíaogía

Modelo de la Ley de Potencia Modificado = Modelo Herschel-Bulkley
Modelo usado para simular el comportamiento de la mayoría de
los fluidos de perforación. Toma en cuenta el esfuerzo de cedencia
para iniciar el flujo, que tiene la mayoría de los fluidos.
Velocidad de Cizallamiento
Esfuerzo
Cortante
Modelo de Ley de Potencia Modificado
Newtoniano
n
yK
RReoeollogíaogía

n
yK
Los valores para “K” y “n” se obtienen en la misma forma que
para el modelo de la ley de potencia para flujo en tubería; sin
embargo varían ligeramente para flujo anular. Esto se va a
mostrar posteriormente.
RReoeollogíaogía

20 cm2
1 cm
 Área de la lámina superior =
 Distancia entre láminas =
 Fuerza requerida para mover
la lámina superior a 10 cm/s= 100 dynes.
 ¿Cuál es la viscosidad del fluido?
Ejercicio para Fluido Newtoniano
( Ejercicio 4.16 del Libro de texto Applied Drilling Engineering)

10 cm2

5
 0.5
dina  s
 0.5 poise
10/1 seg-1
100/20 dinas/cm2

Velocidad de Corte V/L
esfuerzocortante F/A

  50 cp
SOLUCIÓN AL EJERCICIO 4.16

Fluido Plástico Bingham
Área de la lámina superior=
Distancia entre las láminas=
20 cm2
1 cm
 1. Fuerza Min. Para hacer mover la lámina = 200 dinas
 2. Fuerza para mover la lámina a 10 cm/s = 400 dinas
 Calcular el Punto de Cedencia y la Viscosidad Plástica
Ejercicio para Fluido Plástico Bingham
( Ejercicio 4.17 del libro de texto ADE )

20 cm2
200 dinas dinasFy
10y  
A
lbf
cm 2
cm2
dinaspero 1
100 pie 2
 4 .79
10
y 
4.79
 2.09 lbf/100pie 2
SOLUCIÓN AL EJECICIO 4.17
 Punto de cedencia:

SOLUCIÓN AL EJERCICIO 4.17
i.e. p 100 cp
10 cm2

20  10
 1
dina  s
 1 poisep




1 cm
 10 cm/s

200 dinas
20 cm 20 cm
400 dinas
22 p

 
 Viscosidad plástica, p
 y  p
está dado por

20 cm2
1 cm
50 dinas si v = 4 cm/s
 Área de la lámina superior =
 Distancia entre láminas =
 Fuerza sobre la lámina superior =
 Fuerza sobre la lámina superior = 100 dinas si v = 10 cm/s


Calcular el índice de consistencia (K) y
el índice de comportamiento de flujo (n)
Ejercicio para Fluido de Ley de Potencia
( Ejercicio 4.18 del libro de texto ADE)

Soluciónparael Ejemplo4.18
 v = 4 cm/s
n
n
4 n
20
50
44
2 .5  K
4
 
 
 1 
 K

  K 
 Área de la lámina superior = 20 cm2
 Distancia entre láminas = 1 cm
 Fuerza sobre la lámina superior
= 50 dinas si V = 4 cm/s
i

Soluciónal Ejemplo4.18
 v = 10 cm/s
n
n
n
120
100
5  K 10


K 
10

 

 K 10

 10
 Área de la lámina superior = 20 cm2
 Distancia entre láminas = 1 cm
 Fuerza sobre la lámina superior
= 100 dinas , si V = 10 cm/s
ii

Soluciónal Ejemplo4.18
 Despejando K y sustituyendo en ii
encontramos que n es :
4n
log 2  n log 2.5
de ....i : K 
2.5
n  0.7565
2.5  K 4 n
i
iin
5  K 10

5 5
100.7565
10n
 0.8760 eq. poise K 
K  87.6 eq.cp.
EjemplodeSolución4.18
5  K 10 n
ii
 De la Ecuación (ii):

Tiiposposdede
FFlluujjoo
Reología – Flujo de Tapón
Perfil de Velocidad ( Movimiento en flujo de tapón)
La velocidad es igual en el centro y en la pared.

Tiiposposdede
FFlluujjoo
Reología – Flujo Laminar
Perfil de Velocidad ( Movimiento deslizante )
La velocidad es máxima en el centro

Tiiposposdede
FFlluujjoo
Reología – Flujo Turbulento
Perfil de Velocidad ( Movimiento en remolinos, pero un perfil plano)
Velocidad promedio de partículas es uniforme (no cerca de la pared).

¿FlluujjooTTuurrbubullenenttoooo
LLaammiinanarr??
Reología – Velocidad Crítica
Flujo Turbulento
Flujo Laminar Punto de transición
Velocidad crítica
Velocidad de Cizallamiento
Esfuerzodecortante

El régimen de flujo particular de un fluido de perforación durante la
perforación puede tener un efecto importante en parámetros tales
como pérdidas de presión, limpieza del fondo y estabilidad del pozo.
¿FlluujjooTTuurrbubullenenttooooLLaammiinanarr??
Reología – Número de Reynolds
 El número de Reynolds toma en consideración los
factores básicos del flujo en la tubería:
 La tubería, el diámetro, la velocidad promedio, la
densidad del fluido y la viscosidad del fluido.
 Re = Velocidad x diam del tubo / diámetro del espacio
anular x densidad / viscosidad efectiva del fluido
 Laminar < 2100 - Transición - 3000 < Turbulento

Hidráulica del Equipo dePerforación
 Contenido:
 Objetivos
 Introducción a la hidráulica del equipo de
perforación
 Cálculos hidráulicos
 Optimización de los aspectos hidráulicos

Objetivos
Al final de este Módulo USTED va podrá entender:
1. El sistema de circulación
2. Ejemplos de cálculos
3. La optimización de la hidráulica de perforación

 Sistema de Circulación:
Hidráulica de laPerforación
Espacio Anular
Barrena
Lastra Barrena
Agujero Abierto
Bomba
de lodos
Presa
Tubería de Revestimiento
& cemento
Tubería de
Perforación

Presiones en el SistemaCirculante
P6
Pdp
PSuperf
Pdc
Pbarrena
Padp
Padc
PBomba

• Las caídas de presión en el sistema son:
Pérdidas dePresión
PBomba = PSuperf + Pdp + Pdc + Pde barrena +Padp + Padc
• Reacomodando:
PBomba = Pbarrena + (PSuperf. + Pdp + Pdc +Padp + Padc )
Todas las pérdidas de presión que están del lado derecho de la
pérdidaspérdida de la barrena con frecuencia se llaman las
«Parásitas »
PT = Pbarrena + Pc

Cálculo de las Pérdidas de Presión
 Pérdidas de Superficie
 Pérdidas en la Sarta – Modelo Plástica de Bingham
 Pérdidas en la Sarta – Modelo de la Ley de Potencia
 Caída de Presión a través de la Barrena

Pérdidas de presión en los Equipos de Superficie
En la práctica, únicamente hay sólo cuatro tipos de Equipos de
Superficie. Cada tipo se caracteriza por las dimensiones del “stand
pipe”, el kelly, la manguera rotaria y la unión giratoria. La tabla que
sigue resume los cuatro tipos de Equipo de Superficie y su
equivalencia en longitud con una tubería de 3.826 pulgadas de ID.

 Pérdidas en Superficie
 Pérdidas de Sarta con el modelo Plástico de Bingham
 Pérdidas de Sarta de Ley de Potencia

D2
V 
24.5Q
..... pie / min
22
D
8.2 D YP
.... pie / min
 97 PV
Vc 
97PV
Modelo Plástico de Bingham (Tubería)
A. Flujo en la Tubería
Determine la velocidad promedio y la velocidad crítica ( V y Vc):

Si V < Vc, el flujo es laminar;utilice
225D1500 D2
L *YP
..psiP 
LV
Si V > Vc, el flujo es turbulento;utilice
L
..psi
0.25
1800 * d1.25
8624 * d4.75
0.25
 0.75
Q1.75
0.75
v1.75
 L
P 

22
)YP
.... pie / min
De
 97 PV  6.2  (De
Vc 
97 PV
2
..... pie / min
D
24.5Q
h  OD 2
V 
donde: De = Dh - OD
B. Flujo Anular
Determine la velocidad promedio y la velocidad crítica (V y Vc):

Si V < Vc, el flujo es laminar; utilice
2
L(YP)
200 (d 2  d1 )

1000 (d 2  d1 )
P 
LV
..psi
2 1
 d 1.25
P 
1396 * d
0.75
v 1.75
 0.25
L
Modelo Plástico de Bingham (Espacio Anular)
Si V > Vc, el flujo es turbulento; utilice

 Pérdidas en Superficie
 Pérdidas de Sarta Plástica de Bingham
 Pérdidas de Sarta con la Ley de Potencia Modificado
 Caída de presión a través de la Barrena

El modelo de la Ley de Potencia Modificado o Modelo de
Herschel-Bulkley es el modelo matemático que describe mejor
el comportamiento de los fluidos de perforación.
Pérdidas de Sarta con la Ley de Potencia Modificado

Factor de fricción de Fanning
Pérdidas de Presión dentro de la Tubería

D = Diámetro interno del tubo (pulgadas)
Pérdidas de Presión dentro de la Tubería

Pérdidas de Presión en el EspacioAnular

 Cuando se calculan las pérdidas de presión utilizando el
modelo de la Ley de Potencia modificado, la siguiente
secuencia se debe usar para cada uno de los intervalos de
tubería y de espacio anular, utilizando las ecuaciones para el
tubo y el espacio anular de manera correspondiente:
1. Derive las lecturas 600 y 300 de PV & YP.
2. Derive la lectura 100 de las lecturas 600 y 300.
3. Encuentre los parámetros n y k
4. Obtenga la velocidad global promedio
5. Encuentre la viscosidad efectiva ( µe )
6. Encuentre el número de Reynolds. ( Nre )
7. Obtenga el factor de fricción de Fanning.
8. Calcule la pérdida de fricción para la sección especificada.
Cálculos Hidráulicos

 Pérdidas de Superficie
 Pérdidas de Sarta Plástica de Bingham

2
 t 
b
Q
Pb , Pérdida de presión en la barrena en psi
Q , Velocidad de bombeo en gpm
Nn , Diámetro de toberas en 1/32 de pulgada
 , densidad de lodo en ppg
En ter min os de TFA ( pu lg 2
)
 
   
104 .24xA
2 22 2


 
 N2  N3 ....Nn N1
12.51Q
 Pérdida de Presión a través de las Toberas de la Barrena;
En tér min os de Toberas(1/32"avos)
2
Cálculo de la hidráulica en la Barrena
Pb  
 P

nD 2
Vn 
418 .3Q
 Velocidad de chorro o tobera.
 donde:
2
 Vn , velocidad en la tobera en pies/seg
 Q, velocidad de bombeo en gpm
  Dn , suma de los diámetros de la tobera
al cuadrado en 1/32 de pulgada.

n
Pb
V  33.4
Nota: Aunque se puede correr más de un tamaño de tobera en una barrena,
la velocidad de tobera va a ser la misma para todas la toberas:
Otra ecuación para la velocidad
de las toberas es:
Vn
El área de flujo total
se puede obtener de :
A  0.32
Q
Cálculo de la hidráulica en la Barrena

72# P110
121/4 ” pozo
13 3/8” a
Q
Peso de Lodo
PV
YP
3 RPM lectura
= 7980 pies
= 500 gpm
= 17.5 lb/gal
= 40
= 30
= 8
= 5” ( 4.276 ” ID )
= 8” ( 3” ID ) , 350 pies
= 3500 psi
Tubería de Perforación
Collares de perforación
Presión de bombeo máxima
Equipo de Superficie Caso 3.
Calcule: 1. Las pérdidas de presión totales
3. Tamaños de tobera
2. Perd de P. en la barrena
4. ECD
USE AMBOS MODELOS, DE BINGHAM Y EL DE LEY DE POTENCIA MODIFICADO
Cálculos Hidráulicos Ejercicio # 1
= 9000 pies

En general, los aspectos hidráulicos de la barrena se optimizan para
mejorar la velocidad de perforación; sin embargo, hay muchos factores que
afectan la velocidad de perforación:
• Tamaño de la barrena
• Tipo de la barrena
• Características de la barrena
• Tipo y resistencia de la formación
• Aspectos hidráulicos de la barrena
El objetivo de la optimización hidráulica es obtener un buen equilibrio en
controlar las presiones en el pozo, el gasto o tasa de bombeo, la limpieza
del pozo, la presión de bombeo, ECD y la caída depresión a través de la
barrena.
La presión y la velocidad de circulación máximas son restricciones
limitadas ligadas a las capacidades del equipo de perforación.

Cálculos Hidráulicos Ejercicio # 2
Si la profundidad total de la sección de pozo de 12 ¼” está a
14,000 pies, y el objetivo era perforar toda la sección con una
barrena, ¿qué tamaño de toberas escogería? (suponga que la
tasa de bombeo y la reología del lodo permanecen
constantes).

En general la meta es usar del 50% al 65 % de la presión de
circulación máxima permisible en la barrena.
•Se considera que el sistema está optimizado para fuerza de
impacto cuando la pérdida de presión en la barrena se
aproxima al 50 %
• Se considera
potencia hidráulica
que el sistema está optimizado para
cuando la pérdida de presión en la
barrena se aproxima a 65 %.

La siguiente gráfica tomada del manual de MIDF ilustra la diferencia entre
optimizar para potencia hidráulica y para fuerza de impacto.

Cálculos de Presión Ejercicio # 3
¿Cuál es el porcentaje de caída de presión a través de la
barrena en los ejercicios 1 y 2?
Si el ejercicio # 2 fuera continuado, cuál sería la presión de
bombeo al perforar a 9000 pies ? ¿Qué podría usted hacer
para aprovechar esta situación?

Q) / 1714 HHP en la bomba = (Pt
 Donde;
 HHP , potencia hidráulica
 Pt , pérdida de presión total en psi ( SPP)
 Q , gasto o caudal de la bomba en gpm
 Potencia Hidráulica;
 HHP en la barrena = (Pb Q ) / 1714
 Donde;
 HHP , potencia hidráulica
 Pb , pérdida de presión en la barrena en psi
 Q , gasto o caudal de la bomba en gpm

Potencia hidráulica por pulgada cuadrada de área de la barrena ( HSI )
Hay un término que se usa en la hidráulica de perforación para tener
una mejor idea de la magnitud de la potencia hidráulica. A este término
se le llama potencia hidráulica por pulgada cuadrada de área de cara de
la barrena (H.S.I, por sus siglas en inglés) y básicamente se obtiene al
dividir la potencia hidráulica entre el área del diámetro del pozo que está
perforando la barrena.
H.S.I = HHP disponible en la barrena/área de la cara de la barrena

Calcule la Potencia Total, la Potencia en la Barrena y el H.S.I.
para el Ejercicio1, 2 y la segunda pregunta del ejercicio 3.

Fuerza de Impacto del Chorro;
 La fuerza que ejerce el fluido al salir por debajo de
la barrena. Se expresa como:
QV n 
1930
Fi 
Donde:
Fi , la fuerza del impacto de chorro en libras
Q, gasto o tasa de bombeo en gpm,
Vn , velocidad del chorro en las toberas en pies/seg
 , densidad de lodo en ppg
Cálculos de la hidráulica en la Barrena

Calcule la fuerza de impacto de chorro para los
ejercicios 1, 2 y la segunda pregunta del ejercicio 3.

Realice el ejercicio 1 utilizando “drilling office” de tal manera que:
• Se realicen dos corridas de barrena.
• Cada corrida de barrena se optimice para H.S.I.
¿Cuáles son las configuraciones de tobera en cada corrida y a
qué profundidad se debe realizar el viaje para cambiar las
toberas?

Fin del Módulo

Principios sobre
Hidráulica de Perforación
Programade Entrenamiento
AceleradoparaSupervisores

Contenido:
 Objetivos
 Conceptos básicos de Hidráulica
 Pérdidas de Presión y Densidad Equivalente de
Circulación
 Selección de Toberas para la Barrena
 Optimización Hidráulica

Objetivos:
 Al final de esta presentación USTED PODRA:
 Entender los conceptos básicos de la hidráulica de la
perforación,
 Describa varias pérdidas de presión
 Factores que afectan la DEC
 Seleccione las toberas de la barrena para optimizar la
hidráulica de la barrena

Circulación de Fluidos:
 La circulación del fluido tiene que diseñarse para
remover los recortes con eficiencia y también para
enfriar la cara de la barrena,
 Estos requerimientos pueden satisfacerse al
aumentar el caudal o gasto de la bomba,
 Sin embargo, el incremento en la velocidad de
bombeo del fluido (gasto) puede causar una
erosión excesiva de la cara y una falla prematura
de la barrena.

Barrena de Conos de Rodillo:
 La velocidad de penetración es función de muchos parámetros
incluyendo:
 Peso Sobre la Barrena, WOB,
 Velocidad de Rotación de la barrena, RPM,
 Propiedades del Lodo,
 Para evitar un influjo de fluidos desde la formación al agujero,
la presión hidrostática del lodo debe ser ligeramente más alta
que la presión de la formación (margen de seguridad),
 Eficiencia Hidráulica.

Eficiencia Hidráulica :
Los efectos del aumento de caballaje hidráulico en la
barrena son similares a su efecto sobre las barrenas de
cono
El fabricante con frecuencia recomienda un caudal de flujo
mínimo en un intento por asegurar que la cara de la barrena
se mantenga limpia y la temperatura del cortador se
mantenga al mínimo
Este requerimiento para la tasa de flujo puede tener un
afecto adverso sobre la optimización del caballaje hidráulico
en la barrena, HHP.

Importancia de una buena Hidráulica para perforar:
 Remoción de recortes en el espacio anular
 Presión hidrostática para balancear la presión del poro y
prevenir que se colapse el agujero del pozo
 DEC (Densidad Equivalente de Circulación)
 Presiones de Surgencia / suaveo durante los viajes de
entrada y salida de la sarta en el pozo
 Limitación de la capacidad de bombeo
 Optimización del proceso de perforación (Max HHP
consumido en la barrena o Max Impacto del Chorro)
 Efectos de Presión y Temperatura

Limpieza del Agujero:
 Velocidad Anular
 Velocidad de penetración (ROP)
 Viscosidad
 Angulo del Agujero
 Densidad del Lodo
 Ensanchamiento del Agujero por erosión (lavado)

Sistema de Circulación:
Espacio Anular
Barrena
Lastra Barrena
Agujero Abierto
Bomba
de lodos
Presa
Tubería de Revestimiento
& cemento
Tubería de
Perforación

Pérdidas de Presión en el Sistema Circulante:
 Pérdida de presión en el equipo de la superficie
 De la bomba al “stand pipe”, manguera rotaria, Kelly o
Top Drive, hasta la parte superior de la tubería de
perforación
 Pérdida de presión a través de la sarta de perforación
 Pérdida de presión en las herramientas del fondo:
 PDM / Turbinas
 Absorbedores de impacto / Martillos de Perforación
 MWD / LWD
 Pérdida de presión a través de las toberas en la barrena
 Pérdidas de presión en el espacio anular

Margen Operativo de las Presiones del Lodo:
Presión
Profundidad
Presión de poros
DEC
Presión de Fractura
Presión Hidrostática del Lodo

v
df

Q
2
2
2
1
24 .51
d 
 Velocidad del fluido a través de la sarta de perforación Vf (pies/min):
v f

Q
2
24 .51
d
 Q = Gasto o tasa de bombeo (gal/min, gpm),
 d2 = Diámetro del agujero (pulgadas),
 d1 = Diámetro externo de la sarta de perforación (pulgadas),
 d = Diámetro interno de la sarta de perforación (pulgadas).
Conceptos Básicos de Hidráulica;
 Velocidad promedio del fluido
 Velocidad del fluido a través del espacio anular Vf (pies/min);

Número Reynolds (para flujo en el espacio anular):
2 2N * 8.69 * Dh  Dp N '


q 300 
 Dh  Dp
 Q 
R  43 .69 * MW / E  *
2 N '
Laminar si RN < 2000
Transición RN está entre 2000 y 3000
Turbulento si RN >3000
Donde:
RN ,
MW,
Eq300
Dh,
Dp,
N’,
Número Anular de Reynolds (sin dimensión)
Densidad del Lodo (lbs/gal)
Lectura del Viscosímetro Fann a 0 RPM
Diámetro del Agujero (pulgadas)
Diámetro de la tubería (pulgadas)
valor “n” en la Ley de Potencia = log (600 /300 ) / log (600/300)

Cálculos para el Flujo Crítico:
 La velocidad de bombeo (gasto) a la cual el perfil de flujo en el
espacio anular más pequeño pasa de laminar a turbulento.
 Es importante mantener el flujo en laminar al perforar a través de
formaciones mecánicamente inestables.
nc 




 Dp
)
Q  ( Dh
1
 2  n
2 NC 3002
43 .64  8 .69 ( Dh  Dp ) 
R 
Qc,
RNC ,
Dh ,
Dp ,
n,
300 ,
Gasto o tasa de bombeo ,gpm
Número Reynolds crítico , usualmente 2,000
diámetro del agujero en pulgadas
diámetro de la tubería en pulgadas
valor “n” de la Ley de Potencia = log (600 /300 ) / log (600/300)
lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM.

Pérdidas de Presión en el Espacio Anular – Flujo Laminar:
 Si la tasa de bombeo (gasto) está por debajo del Número
Reynolds crítico en el espacio anular el cálculo de pérdida
de presión en psi/1000 ft. es:
n


 Q
 8 . 69 ( Dh  Dp ) 
/( Dh  Dp ) 2 n  1
300
APL  3 . 75 
Q,,,
APL,
Dh ,
Dp ,
n,
300 ,
Gasto o tasa de bombeo, gpm
pérdida de presión en el espacio anular psi/1000 ft.
diámetro del agujero en pulgadas
diámetro de la tubería en pulgadas
valor “n” en laLey de potencia = log (600 /300 ) /log (600/300)
lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM

Pérdidas de Presión en el Espacio Anular – Flujo Turbulento:
 Si el gasto de flujo está por arriba del número Reynolds crítico, el cálculo
de pérdida de presión del espacio anular en psi/1000 ft. será:
2
) 2
) 3
NCR ( Dh  Dp
 Q
( Dh  Dp
APL

163 . 67 
Q,, Gasto o tasa de bombeo ,gpm
APL, pérdida de presión en el espacio anular en psi/1000 pies.
Dh , diámetro del agujero en pulgadas
Dp , diámetro de la tubería en pulgadas
RNC , Número Reynolds crítico , usualmente 2,000
 densidad del lodo en lbs/gal

Densidad Equivalente de Circulación (DEC):
 DEC es la suma de pérdidas de presión en el espacio anular dividida
(profundidad x factor). En unidades de campo se expresa como:
oDEC 


 Pa
TVD  .052
DEC, Desnsidad Equivalente de Circulación en lbs/gal
pa, Pérdida de la presión en el espacio anular
TVD, Profundidad vertical verdadera en pies
 Densidad del lodo en el pozo en lbs/gal

de los Velocidad de penetración y tamaños
recortes,
 Eficiencia de la limpieza del agujero
Densidad Equivalente de Circulación (DEC):
 Factores que afectan la DEC:
 Densidad del lodo.
 Pérdidas de presión en el espacio anular Pa.
 Geometría del agujero, viscosidad efectiva,
temperatura, presión, gasto o tasa de bombeo,

generada
por una mayor densidad del fluido, podría producirse un retraso
considerable en la velocidad o tasa de penetración(ROP)
 Esto significa, que si existe una condición dinámica,
una mayor presión en el fondo ejercida por una
existirá
densidad
dinámica del fluido de perforación, de allí el concepto de E.C.D
(Equivalent Circulation Density)
 Se conoce como E.C.D, a la densidad existente dentro del hoyo
cuando se realiza la actividad de circulación de un fluido y
referida al fondo la densidad que se ejerce en contra de la
formación que se esta atravesando
CÁLCULO DEL E.C.D
 Densidad Equivalente de Circulación (E.C.D)
 Si una mayor presión en el fondo del hoyo existiese

CÁLCULO DEL E.C.D
 Densidad Equivalente de Circulación (E.C.D)
 Al existir la circulación en el proceso de perforación las
probabilidades de arremetidas o amagos son menores que
cuando se esta realizando los viajes con la tubería, esto
representa un ventaja para las condiciones dinámicas
 El cálculo del E.C.D en el fondo del pozo, se podrá obtener
por la siguienteecuación:
E.C.D = ?o + [ S ? P anular ]
0.052 x TVD
?o: Densidad original del fluido, ppg
S? P anular: Sumatorias de las pérdidas de presión por fricción
anular, psi
TVD: Profundidad Vertical Verdadera, pies

Pérdida de presión dentro de la tubería:
 Suponiendo flujo turbulento dentro de la sarta de perforación o
el número Reynolds > 2100.
f
V
P pp
p  L
25 . 81  D
2

Pp ,
fp ,

Vp,
D,
L,
Pérdida de presión en la tubería en psi
Factor de fricción para la tubería
Densidad del lodo en lbs/gal
Velocidad de promedio dentrode la tubería en pies/seg
Diámetro interno de la tubería en pulgadas
Longitud de la tubería en pies

 2
2
 P b 
156 Q 
 D 2
n
Pb , Pérdida de presión en la barrena en psi
Q , Gasto o tasa de bombeo en galones por minuto, gpm
Dn , Diámetro de las toberas en 1/32 de pulgada
 , Densidad del lodo en ppg
Pérdida de fricción en las Toberas de la Barrena:

Caballaje Hidráulico:
 HHP en la barrena = (Pb Q ) / 1714
 Donde;
 HHP , caballaje hidráulico,
 Pb , pérdida de presión en la barrena en psi,
 Q , gasto o tasa de bombeo en gpm.
Q) / 1714 HHP en la bomba = (Pt
 Donde;
 HHP , caballaje hidráulico,
 Pt , pérdida total de presión en el sistema, psi (SPP),
 Q , gasto o tasa de bombeo en gpm.

erosión del agujero a altas velocidades en Puede llevar a la
formaciones frágiles
 Se expresa como:
2
n
. 3 Q
V
n
418
 D

 Donde:
 Vn ,
 Q,
velocidad del chooro en la tobera en pies/seg
gasto o tasa de bombeo en gpm
 Dn
2
, suma del cuadrado de los diámetros de las toberas en 1/32 de
pulg
Velocidad del chorro en las Toberas:
 Se relaciona muy estrechamente con la acción de limpieza que se está
dando en la barrena

Fuerza de Impacto del Chorro:
 La fuerza ejercida por el fluido de salida por debajo de la
barrena
 Se expresa como:
QV n 
1930
Fi 
Donde:
Fi , Fuerza de impacto del chorro en libras,
Q, gasto o tasa de bombeo en gpm,
Vn , velocidad del chorro en la tobera en pies/seg
 , Densidad del lodo en lbs/gal

 Otras Aplicaciones de la Hidráulica;
 Para calcular o estimar las velocidades de asentamiento
de los recortes perforados con o sin circulación
 Para calcular las presiones de surgencia y de suabeo
 Para calcular velocidades seguras en corridas de sartas
de perforación y de revestimiento
 Para calcular la máxima velocidad de penetración para
un gradiente de fractura dado

Optimización de la Hidráulica en la Barrena
 Máximo Caballaje Hidráulico
Debe adoptarse para uso en formaciones blandas a medias.
 Máxima Fuerza de Impacto del Chorro
Debe adoptarse para uso en formaciones medias a duras.
 Máxima Velocidad del Chorro
Se basa en la presión máxima permisible en la superficie a
un gasto o tasa de bombeo seleccionado.
Cálculo del flujo:
1. Después de determinar el modelo de reología, calcule la capacidad
de transporte delfluido.
2.Calcule la caída de presión para el agujero usando ya sea el Max HHPo JIF
3.Decida la combinación de Toberas.
4. Calcule los requerimientos de caballaje de la Bomba.

Ahora USTED podrá:
 Entender los conceptos básicos de hidráulica de la
perforación
 Describir y calcular las pérdidas de presión en el
sistema
 Describir los factores que afectan la DEC
 Entender el proceso para optimizar la hidráulica de
la barrena

TEORÍAYPROCEDIMIENTOS
PARALIMPIEZADELAGUJERO
Programade Entrenamiento
AceleradoparaSupervisores

Problemas y Síntomas de Limpieza delAgujero
1. Los problemas relacionados con la limpieza ineficiente del
agujero incluyen:
1. Disminución de la vida de la barrena
2. Velocidad de penetración más lenta que resulta de
volver a moler los recortes ya perforados.
2. Rellenos del hoyo cerca del fondo del agujero durante los
viajes cuando la bomba de lodo está apagada.
3. Formación de puentes en el espacio anular lo que puede
conducir a pegamientos de la sarta.

Los problemas relacionados con la limpieza ineficiente del
agujero incluyen:
4. Aumento en la densidad del espacio anular y, a su vez, en la
presión hidrostática del lodo en el anular. Este incremento
de la presión hidrostática del lodo puede causar la fractura
de una formación débil expuesta, lo que da por resultado
pérdida de circulación.
5. En la práctica, la limpieza eficiente del agujero se obtiene
proporcionando suficiente velocidad de circulación al lodo de
perforación en el anular y las propiedades deseables del
fluido.
Problemas y Síntomas de Limpieza delAgujero

Puesto que no se está
acelerando, la suma
de las fuerzas es igual
a cero
Velocidad de caída de una partícula sólida en un fluido
La fuerza debida a la gravedad
se ve contrarrestada por:
- Fuerza de flotación
- Arrastre viscoso alrededor
de la partícula
6
1 d
d
mudpart
2
s
slips
3
p
part mud
18 
   g (LEYDESTOKE)Vslip 
 3d V   g
parteVparte g   mud Vpart g  ArrastreVis coso

Ley de Stokes –Deslizamiento Newtoniano)


2
mud spart
slip
d  
V 138
Expresada en unidades de campo:
Aplicable donde el número Reynolds de la partícula es <0.1
N
a
928lodoVSlipdPartícula
Re 

Deslizamiento en fluidosNewtonianos
Al aumentar el número
Reynolds, empieza a
dominar la Fricción
slip
f
Para VelocidadDeDeslizamient
Vslip
d
En unidades deCampo
mud

mud
d part  part mud
  
V 1.89
Resuelto
f  3.57 parte part mud
2
 
2
2
3
1
6
slipmud
3
p
part mud
V
dpart
d
g
Area*EnergíaCinética
Fuerza de Arrastre Viscoso F

d part * MudVslip

4 2

A*
1 V2
2
f  4
g
 part mud
  
f 
Vslip 

Para resolver la ecuación:
VelocidadDeDeslizamiento  Fricción  Re ynolds  VelocidadDeDeslizamiento
Deslizamiento en fluidosNewtonianos

Esfera Equivalente(Esfericidad)
La esfericidad es el área de una esfera que contiene el mismo
volumen que la partícula dividida entre el área superficial de la
partícula.

Ejemplo –1
 ¿Qué tan rápido se asentará en el agua una arena
de diámetro promedio de 0.02” con una esfericidad
de 0.81?

Procedimiento para lasolución
1. Calcular una aproximación a la velocidad de deslizamiento
utilizando la Ley de Stokes.
2. A partir de esa velocidad, calcular el Factor de Fricción y el
número Reynolds y colocarlos sobre la gráfica.
3. Usar las líneas inclinadas para moverse hacia arriba de la
Esfericidad de la partícula y para obtener la Fricción y el
Número de Reynolds correcto
4. Calcular la velocidad de deslizamiento correcta utilizando
la ecuación de fricción

Paso 1 : Cálculo aproximado de la velocidad de
deslizamiento
1
2
part mud s
Vslip 0.736
Vslip 138
Vslip 138

2.6*8.338.330.022
   d

Paso 2: Cálculo del Factor de Fricción y delNúmero
Reynolds para la Velocidadaproximada
8.33
0.02
0.7362
2
2.6*8.338.33
f 3.57
V
f 3.57
mud
mud
slip
part part

d   
1
928*8.33*0.736*0.02
ReN 114
NRe 
NRe 
a
928mudVSlipdParticle
f 0.211
Ingresar en la Gráfica f = 0.211 y Re = 114 y subiendo por la
línea diagonal hasta la esfericidad de 0.81, se encuentran los
valores correctos de Fricción y del Número de Reynolds:
F. de Fricción = 7 ------ Número de Reynolds = 20

Paso 3: Cálculo de la Velocidad Real de Deslizamiento
slip
Vslip  0.1278 ft /sec
0.02
*
(2.6*8.338.33)
7 8.33
V 1.89
mud
slip
f
dpart

 part  mud
V 1.89

Ejemplo – 2
 Si se detiene la circulación durante 60 minutos,
cuánto relleno habrá en el fondo si el fluido contiene el
2% por volumen de la arena del Ejemplo –1?

Sugerencias para lasolución
 Calcular la partícula más grande que puede
asentarse en 60 mins.
 ¿Qué tan alta será la pila de arena si tiene 40% de
porosidad después de que se asienta (es decir,
concentración era del 2% por volumen en
60% de arena y 40% de agua) cuando su
la
columna antes de asentarse (es decir, 2% de arena
y 98% de agua)?

Solución al Ejemplo – 2
1 0.4
 La arena se asienta a 0.1278 ft/sec ó 7.67 ft.min
 En 60 minutos caerá arena al fondo desde una altura de
460 pies (7.67 pies/min x 60min = 460 pies)
 Si el volumen de arena es inicialmente del 2%, y la
porosidad de la arena asentada es del 40%, la altura del
relleno de arena desde el fondo del pozo se calcula
igualando la cantidad de arena antes de parar la bomba y
después de 60 minutos de asentamiento:
 Arena Suspendida en 460 pies = Arena asentada en 60 minutos
460 x0.02  Alturax (1 0.4)
H 
460x0.02
 15.3pies

Problema – propuesto
 Se requiere colocar un tapón de arena sobre un obturador
dentro de una tubería de revestimiento de 7pulgadas 32#.
El equipo permite bombear 5% por volumen de arena que
es perfectamente esférica de diámetro de 0.028 pulgadas.
Si se quiere tener un tapón de 50 pies de altura, ¿cuánto
volumen de arena y salmuera hay qué bombear?
¿Cuánto tiempo se debe esperar antes de circular el agua
por arriba del tapón?
 Suponer que el tapón tendrá 40% de porosidad, que la
arena es de 2.65 de gravedad específica y que el peso de
la salmuera de 9 lbs/gal.

Una partícula de roca que caiga a través del lodo sólo se asentará
si puede vencer la resistencia gel del lodo. De no ser así, se
mantendrá suspendida.
Velocidad Deslizamiento No Newtoniana
gel s part mud 10.4d    
 La fuerza de Gel del lodo requerida para
suspender partículas es proporcional al
tamaño y a la densidad de la partícula.
 Una vez que se han quebrado los geles,
la partícula se asentará lentamente por
el Flujo de Deslizamiento. No hay ningún
modelo para simular el Deslizamiento No
Newtoniano,

Fuerza de Gel para Resistir el Asentamiento
Para el problema del Tapón de Arena, ¿a qué punto se
tiene que elevar la fuerza de gel si se quiere evitar el
asentamiento?
 3.88 ó4
10.4x0.028(2.6x8.338.33)
gel
10.4ds part  mud gel

Velocidad de Deslizamiento No Newtoniano
Si el fluido se está moviendo, la partícula se asentará, con una
velocidad relacionada con la viscosidad y el grado de turbulencia
Vt = Va - Vs
donde
Vt = velocidad de transporte
Va = velocidad anular
Vs = Velocidad de Deslizamiento

Razón deTransporte
= 0 Proporción de Transporte =1 Si la Velocidad Desprendimiento
(limpieza perfecta)
 = Va entonces FT será cero (no hay limpieza y no hay
 > Va entonces FT será negativo (no hay limpieza, habrá
Si VDesprendimiento
asentamiento)
Si VDesprendimiento
asentamiento)
aa
T
T
VV
F
VelocidadAnular

VT

VelocidadDeTransporte
RazóndeTransporte  F
Vslip
1

Existen tres casos de Deslizamiento:
 El flujo relativo es Laminar
 El flujo relativo es Transicional
 El Flujo relativo es Turbulento
(Nre < 3)
(3< Nre< 300)
(Nre > 300)
 Para saberlo, se debe calcular el número Reynolds de la partícula
 El problema es encontrar la viscosidad a la velocidad de flujo relativo
(tasa de bombeo o gasto)
N
a
Re 

Correlación deMoore
n
a
K  
 
 Se aplica la Ley de Potencia (n y K) para encontrar
la viscosidad a la tasa (ó gasto) de flujo, después
se aplica para calcular el número Reynolds de la
partícula


 d  d  x n 
Va   0.0208
 2 
1 
144 
(1n)
2 1
 

2/3
m a
parte p m
Para 3  Nre  300
Vs 2.9 1/3
 1/3

D   
mp
s
Para Nre  3
Para flujo de transición:
V 82.87
a
  D2
parte 
HIDRÁULICA DE PERFORACIÓN
Para flujo laminar:

Para flujo turbulento, la ecuación se convierte en:
1/2
For NRe 300
V 1.54
m
mp
s

D   
part
Nótese que para calcular el número Reynolds se requiere una
Velocidad de Deslizamiento, así que la ecuación que va a usarse se
encuentra por ensayo y error

Ejemplo
 ¿Cuál es la Razón de Transporte para recortes de lutita de ¼”
de diámetro y gravedad específica de 2.6 gr/cc que se mueven
en un fluido de 9 lbs/gal el cual es bombeado para dar una
velocidad anular de 120 pies/min en un agujero de 12 ¼” con
tubería de perforación de 5”? Las lecturas del Viscosímetro Fan
VG son:
3 2
6 3
100 13
200 22
300 30
600 50

Sugerencias para lasolución
 Encuentrar la Viscosidad Aparente a la Velocidad
Anular del fluido en el agujero
 Suponer una ecuación de correlación
 Calcular el la Velocidad de Deslizamiento y el
Número Reynolds para verificar la ecuación
usada
 Calcular la Velocidad de Transporte y la Razón
de Transporte correspondientes

Cálculo de “n” y “K”
 30
  
n  0.74
n  3.32Log
300 
 600
  3.32log
50

51030
5110.74

K  152
K 
511n
510300

Cálculo de laViscosidad Aparente
1
144 2
0.74

0.74 




0.0208

*


 2

 
152

12.25 5


1




0.0208



 2
 2 1 
 
(10.74)
a
n
(1n)
a 
a
* n 
144  V
d dK
a 63.4

 

Cálculo del Deslizamiento y Número de Reynolds
Suponga un Flujo Transicional
91/3
*63.41/3
2/3
s
m a
p mpart
Vs  0.476 ft / sec, or 28.6 ft / min
0.252.6*8.3392/3
V 2.9
Vs  2.9 1/3
 1/3

D   
Re

928*9*0.476*0.25
16
63.4
N
NRe 
a
Ya que es mayor que 3, la
opción para la ecuación fué
correcta

Cálculo de la Razónde Transporte
120
F
V
T
Va
Vslip
Va
T
FT  0.76 or 76%
 1
28.6
F  T
1

Concentración de Recortesy DEC
 En el espacio anular, hay una fracción f de recortes y
(1-f ) de lodo.
1471
144*60
2
(gpm)
d *VelocidadDePenetraciónh
s
hs
Q 
Q 0.7854d2
*VelocidadDePenetración*
7.4805
(gpm)
Al perforar, la barrena genera recortes
Qs  Ab *VelocidadDePenetración
  annulusannulus
Qmud
fA
Qs
and VAnnulus VT 
1 f A

Concentración de Recortes y ECD
d 2
*ROPQ
t mudhs t mud
fAannulus
Qs
VAnnulus
VT
T
d2
*ROP1471FQQ  FQ
f  s
 h
Qmud
1 f Aannulus
F 
Annular Mud Weight  s f  m (1 f )

Ejemplo
 Para el ejemplo previo, ¿cuál es la fracción de volumen de
recortes en el lodo y cuál es la DEC anular si se está perforando
a 185 pies/hr?
Dh= 12.25 pulg, MW = 9 lbs/gal, Razón de Transporte = 0.75,
AV = 120 pies/min
144
0.785412.25 2
2
Qa  Ah *Va  0.818478*120*7.4805  735 gpm
 0.81847 ftAh 
12.252
*185
 0.0326
12.252
*1851471*0.76*735
f 
d 2
*VelocidadDePenetración1471FQ
d 2
*VelocidadDePenetración
t mudh
f  h

Ejemplo – continuación
Densidad Anular deLodo  s f  m (1 f )
MWa  2.6x8.33x0.0326  9(1 0.0326)
MWa 9.42 ppg

Para prevenir problemas en el agujero, se acepta
generalmente que la fracción de volumen de
recortes (o concentración de recortes) en el espacio
anular no debe exceder el 5%.
Por lo tanto, el programa de diseño para la
capacidad de transporte del lodo también debe
incluir una cifra para la concentración de recortes de
perforación en el espacio anular.
Concentración de Recortes de Perforación

Efecto de la Inclinación en la Eficiencia de Limpieza
0
10
20
30
40
0 10 20 60 70 8030 40 50
Inclinación del Agujero, (grados)
ConcentraciónTotaldeRecortes,(%)
Laminar 115'/min
Turb wtr 115'/min
Laminar 172'/min
Turb mud 115'/min
Laminar 229'/min
Turb mud 229'/min
Flujo Lam
Flujo Turb
Flujo Turb
inar (lodo)
ulento (agua)
ulento (lodo)
PV = 19
PV = 1
PV = 3
YP = 17
YP = 0
YP = 2

Prof
(pies)
?pces
(psi)
?Ptp
(psi)
?Pb
(psi)
?Ph-b
(psi)
?Ph-tp
(psi)
S?Pc
(psi)
Fc ?Pcc
(psi)
Tabla para el Diseño Hidráulico

Prof
(pies)
?Pcc
(psi)
Qopt
(GPM)
Qtrab
(GPM)
?Pcopt
(psi)
?Pbitopt
(psi)
TFA
(pc)
%
Efic.
HSI
(Hp/pc)
Tabla para el Diseño Hidráulico

 Hidráulica en Barrenas PDC
 El diseño hidráulico para las Barrenas PDC, se reduce a la
búsqueda efectiva del área de los toberas, jets o chorros
requeridos para circular con el Gasto mínimo sugerido por el
fabricante
 Igualmente que produzca los HSI pre-seleccionados y que
los valores de presión de circulación o bombeo sean
manejables por las bombas del Taladro
 La información necesaria para poder implementar un
Diseño son:
 Qmin (proporcionado por el fabricante)
 HSI (rangos en 2,5 y 6,0)
 Densidad del fluido

 Procedimiento de Diseño
 Seleccione un valor de HSI sugerido por el fabricante
 Calcular el Qmin, Qmax y Qcrítico
Seleccione un valor de Gasto de Trabajo (Qtrab) que este dentr de
los valores mínimos y máximos y que no exceda el Qcrítico
Compare este Qtrab con el valor mínimo que sugiere el fabricante
 Calcule el valor de Caída de Presión en la Barrena (?Pb)
1,47
Qmin = 12,72 x Dh
? Pb = 1.346,2 xHSI x Dh2=psi
Qtrab

 Procedimiento de Diseño:
Calcule en Área de las Toberas o Jets y distribuya en diámetro d
acuerdo al número de jets que la Barrena posea
Con el Qtrab calcule las distintas caídas de presión del Sistema d
Ciirculación (?Pc)
 Calcule la Presión en la Superficie
Pr. superf = ?Pb + ?Pc
1/2
Ajets = [ (Qtrab x 2
Dlodo) / (10.860 x ? Pb) ]

 Ejercicio para el Diseño Hidráulico de PDC:
 Datos
 Dhoyo = 12 ¼”
 Tubería DP´s = 5” OD x 4,276” ID, 19,5 lbs/pie
 Barras DC´s = 7 ¼” OD x 2 13/16” ID
 Long b = 750 pies
 Dlodo = 16 ppg
 VP = 30 cps
 YP = 16 lbs / 100 pie cuadrados
 2 Bombas FA-1300 , Triplex, Dc = 6” x Lv = 12”, EV = 95%
 Strokes por min = 120 spm c/u
 Tipos de Equipos de Superficie = No.3
 Presión de trabajo en superficie: 2.700 a 3.300 psi
 Profundidad del pozo para el diseño: 7.000 pies
 HSI recomendado = 3,0 y 4,0
 Qmin recomendado por el fabricante = 600 GPM
 Jets de la barrena PDC = 5 jets

 Hidráulica de campo
 Las relaciones analizadas para el criterio de máximo impacto
hidráulico han sido profundamente utilizadas en todos los programas
hidráulicos existentes en la actualidad, con las consiguientes
observaciones y objeciones sobre su exactitud, por las razones siguientes:
El valor del exponente o pendiente igual a 1,86 esaproximado.
No existe ningún modelo reológico que represente fielmente el
comportamiento de los fluidos utilizados en perforación, además, se
asume que en todo el pozo el patrón de flujo es turbulento.
Los modelos reológicos utilizados más frecuentemente para el cálculo
de las caídas de presión en el sistema de circulación son: el modelo
plástico o de Bingham y el modelo de Ley de Potencia, así como otros
más sofisticados, como el de Casson, son igualmente modelos empíricos

En base a lo expuesto anteriormente las caídas de presión obtenidas
con éstos modelos son referenciales.
Se considera que en todo el pozo el flujo es turbulento, lo cual es
aplicable para el cálculo de las caídas de presión dentro de la sarta de
perforación, no así para los espacios anulares, donde normalmente se
tiene flujo laminar o detransición.
Para los cálculos con los modelos anteriores, se considera constante
la reología del fluido en todo su recorrido, desde que abandona la
bomba, hasta que retorna a los tanques activos, lo cual no es cierto,
esto origina errores adicionales.
Otra parte de error en los cálculos, es asumir que el hoyo a perforar
estará a calibre, también, al ocurrir cualquier cambio en las
características del hoyo perforado se deben ajustar los cálculos
hidráulicos.

 En vista de lo mencionado anteriormente,
utilización del denominado “Método Hidráulico
se recomienda la
de Campo”. Las
ventajas de la aplicación de éste método durante la perforación de un
pozo son las siguientes:
No es necesario el cálculo de las caídas de presión en el sistema de
circulación con modelos matemáticos empíricos, puestos que éstos
se obtienen de las presiones de bombas, observadas en los
manómetros respectivos.
Esto dará el esfuerzo real (PB) necesario para mover el fluido de
circulación, en el sistema de circulación, para una condición dada.
La única caída de presión a calcular, es la que se origina a través
de los jets de la barrena. Esta se determina con la fórmula utilizada
para la caída de presión a través de los jets

Se obtiene el valor real de “m” y el ajuste de los parámetros
hidráulicos se realiza a la profundidad donde sea necesario un
cambio de barrena.
En conclusión, el realizar un procedimiento de campo es
realmente un mecanismo de absoluta confianza para el diseño de
los jets de la barrena que esta por entrar, este debe hacerse bajo las
premisas de que se tienen reales condiciones del fluido y de tener
con exactitud los valores de la verdaderas caídas de presión en un
sistema de circulación y en un hoyo
A continuación el procedimiento sugerido para realizar un
Método Hidráulico de Campo

 Procedimiento de Diseño
Seleccione dos valores de Gasto diferentes (Q1 y Q2) y
observe los valores de presiones de la bomba (Psup1 y Psup2).
Se recomienda que Q1 sea el valor de caudal que se está
utilizando para la perforación
Calcule dos valores de la caída de presión en la barrena para
los dos Gastos seleccionados. El área de los jets a utilizar
deberá ser el de la barrena que está por sacarse del hoyo
10.860 x TFA
2 = Dlodo x (Q2)
10.860 x TFA
? Pb1 = Dlodox (Q1) 2 ?Pb
2
2
2

Determine los valores de caídas de presión en el sistema de
circulación (? Pc) para los valores de Gastoseleccionados:
? Pc1 = Psup1 –?Pb1 y ?Pc2 =Psup2 – ?Pb2
 Determine el valor real de la pendiente “m”
m = log (?Pc1 / ?Pc2)
log (Q1 / Q2)
 Calcule el valor de “K”
K= (? Pc1/ Q1 ) =m(?Pc2 / Q2 ) m

ha seleccionadoDe acuerdo al Método Hidráulico que
calcule el valor del ?Pcopt
Impacto: ? Pcopt = (2 / m + 2)x Ps1
Potencia: ?Pcopt = (1 / m + 1) x Ps1
 Determine el valor de ?Pb opt = Ps1 – ?Pcopt
 Calcule el valor de Qopt = (?Pcopt / K )
Calcule el TFA de la fórmula conocida
Calcule los HSI y el Porcentaje de eficiencia real de la
fórmulas conocidas
1/m

 Ejercicio para Método de Campo:
Datos
 Dhoyo = 8 ½”
 Tubería DP´s = 5” OD x 4,276” ID, 19,5 lbs/pie
 Barras DC´s = 6 ¼” OD x 2 ¼” ID
 Long b = 700 pies
 Dlodo = 14 ppg
 VP = 28 cps
 YP = 16 lbs / 100 pie cuadrados
 2 Bombas FA-1300 , Triplex, Dc = 6” x Lv = 12”, EV = 95%
 Strokes por min = 120 spm c/u
 Tipos de Equipos de Superficie = No.3
 Jets de la barrena en uso = 2 x 10/32 y 1 x 9/32
 Profundidad = 12.000 pies
 Valores tomados: Q1 = 250 GPM y Ps1 = 2.700 psi
Q2 = 125 GPM y Ps2 = 690 psi
 Calcule los nuevos tamaños de los jets de la próxima Barrena

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