Este documento trata sobre hidráulica de perforación. Explica que la hidráulica de perforación se refiere a la interrelación entre la viscosidad, tasa de flujo y presión de circulación de un fluido de perforación y su efecto en el comportamiento eficiente del fluido. También describe los componentes clave del sistema de circulación de fluidos de perforación e incluye información sobre bombas de perforación, reología de fluidos de perforación y sus funciones principales.

1. HIDRAULICAHIDRAULICA
ING. Esteban Casanova

2. INTRODUCCIÓN
La hidráulica en la perforación de pozos se refiere a la
interrelación de los efectos de viscosidad, tasa de flujo y
presión de circulación sobre el comportamiento eficiente del
fluido de perforación. La determinación de la presión mientras
se circula un fluido en un pozo, a una tasa dada, es muy
compleja debido a que la mayoría de los fluidos utilizados
para perforar son no-newtonianos, lo que hace que el
tratamiento matemático del problema sea muy difícil de
formular. A pesar de ello los cálculos de las presiones en el
sistema de circulación son importantes y esenciales para
determinar los requerimientos operacionales de la bomba, la
tasa de flujo óptima y los diámetros óptimos de los orificios de
la mecha que generan una tasa de perforación máxima.

3. TRAYECTORIA DE POZOS
PETROLEROS

4. Tipo Tangencial.
La desviación deseada es
obtenida a una profundidad
relativamente somera,
manteniéndose
prácticamente constante
hasta alcanzar la profundidad
final. Se aplica
especialmente en aquellos
pozos que permiten explotar
arenas de poca profundidad
donde el ángulo de
desviación es pequeño y no
se necesita un revestidor
intermedio.

5. Tipo “S”
Este tipo de pozo direccional
se caracteriza por presentar una
sección de aumento de ángulo,
una sección tangencial y una
de disminución de ángulo
hasta alcanzar la verticalidad.
Se emplea en hoyos profundos
en áreas en las cuales las
dificultades con gas, flujo de
agua, etc., exigen la colocación
de una tubería de revestimiento
intermedia.

6. PERFIL HORIZONTAL
Son pozos perforados horizontalmente o paralelo a la
zona productora con la finalidad de tener mayor área
de producción.

7. FUNDAMENTOS DE LA
HIDRAULICA

8. HIDRAULICA DE PERFORACIÓN
INTRODUCCIÓN
La hidráulica en la perforación de pozos se refiere a la interrelación de los
efectos de viscosidad, tasa de flujo y presión de circulación sobre el
comportamiento eficiente del fluido de perforación. La determinación de la
presión mientras se circula un fluido en un pozo, a una tasa dada, es muy
compleja debido a que la mayoría de los fluidos utilizados para perforar son
no-newtonianos, lo que hace que el tratamiento matemático del problema sea
muy difícil de formular. A pesar de ello los cálculos de las presiones en el
sistema de circulación son importantes y esenciales para determinar los
requerimientos operacionales de la bomba, la tasa de flujo óptima y los
diámetros óptimos de los orificios de la Barrena que generan una tasa de
perforación máxima.

9. 1. Sistema de Circulación
- Descripción del Sistema
Partes del sistema: En la perforación de los
pozos por el método rotatorio se circula un fluido
a través de un sistema que se conoce con el
nombre de sistema de circulación.

11. Partes Uso
Tanques Almacenan, reacondicionan y permiten la succión del lodo.
Bombas Transmiten energía al fluido de perforación.
Conexiones
superficiales
Permiten conectar la bomba con la sarta de perforación.
Están constituidas por el tubo vertical, la manguera de
perforación, la unión giratoria y el cuadrante.
Sarta de perforación Conecta la superficie con el fondo del pozo, permitiendo la
penetración y profundización del mismo. Está constituida
principalmente por la tubería de perforación, lastra-barrenas
y la barrena.
Espacio anular A través de él regresan a la superficie el fluido y los cortes
de formación que produce la barrena.
Equipo de control de
sólidos
Permite sacar del sistema los cortes o el ripio que produce la
mecha. Está constituido por la zaranda, limpiadores de lodo,
desarenadores, deslimadores y centrífugas decantadoras.

12. 2. Bombas de Perforación
Generalidades
Tipos
Las bombas para perforar son de pistón y pueden ser: dobles (dos
pistones) o triples (tres pistones).
Función
Las bombas se utilizan para transmitir al fluido la energía necesaria
para vencer las pérdidas de presión por fricción en cada parte del
sistema.

14. REOLOGÍA DE LOS
FLUIDOS DE
PERFORACIÓN

15. La Reología y la Hidráulica son estudios del
comportamiento del fluido que están relacionados entre
sí. La Reología es el estudio de la manera en que la
materia se deforma y fluye. Se trata de una disciplina
que analiza principalmente la relación entre el esfuerzo
de corte y la velocidad de corte, y el impacto que éstos
tienen sobre las características de flujo dentro de los
materiales tubulares y los espacios anulares. La
Hidráulica describe la manera en que el flujo de fluido
crea y utiliza las presiones. En los fluidos de perforación,
el comportamiento de flujo del fluido debe ser descrito
usando modelos reológicos y ecuaciones, antes de poder
aplicar las ecuaciones de hidráulica.

16. VISCOSIDAD PLÁSTICA
La viscosidad plástica (VP) en centipoise (cps) se calcula a partir de
los datos del viscosímetro de lodo, como:
La viscosidad plástica se describe generalmente como la parte
de la resistencia al flujo que es causada por la fricción mecánica.
La viscosidad plástica es afectada principalmente por:
• La concentración de sólidos.
• El tamaño y la forma de los sólidos.
• La viscosidad de la fase fluida.
• Las relaciones aceite-agua (A/A) o Sintético-Agua (S/A) en los fluidos
de emulsión inversa.

17. La fase sólida es lo que más interesa al ingeniero de fluidos. Un
aumento de la viscosidad plástica puede significar un aumento en el
porcentaje en volumen de sólidos, una reducción del tamaño de las
partículas de los sólidos, un cambio de la forma de las partículas o una
combinación de estos efectos.
Algunos de los sólidos contenidos en el fluido están presentes porque fueron
añadidos intencionalmente. Por ejemplo, la Bentonita es eficaz para
aumentar la viscosidad y reducir la pérdida de fluidos, mientras que la Barita
es necesaria para aumentar la densidad. Como regla general, la viscosidad
del fluido no debería ser más alta que la que se requiere para la limpieza del
pozo y la suspensión de barita. Cuando un fluido no está cumpliendo estas
funciones, lo más conveniente sería aumentar el punto cedente y los valores
de bajo esfuerzo de corte (6 y 3 RPM) y no la viscosidad plástica.

18. Sin embargo, los sólidos perforados afectan negativamente las
propiedades reológicas y no son convenientes. Estos sólidos son
continuamente añadidos al fluido durante la perforación, causando
un aumento de la concentración de sólidos. Si no son eliminados
rápidamente, los sólidos siguen dividiéndose en partículas más
pequeñas al ser circulados y recirculados a través del sistema.
Problemas de viscosidad surgirán si los sólidos perforados no
son controlados.
Los sólidos perforados pueden ser controlados de tres maneras:
1. Control mecánico de los sólidos.
2. Asentamiento.
3. Dilución o desplazamiento.

19. La viscosidad plástica también depende de la viscosidad de la fase fluida. Cuando la
viscosidad del agua disminuye a medida que la temperatura aumenta, la viscosidad
plástica disminuye proporcionalmente. Las salmueras tienen viscosidades más altas
que los fluidos de agua dulce. El aceite emulsionado en los fluidos base agua también
actúa como un sólido y afectará la viscosidad plástica del fluido.
Como regla general, la viscosidad plástica debería ser mantenida al nivel más
bajo posible en todos los casos, porque una baja viscosidad plástica puede
aumentar la energía proporcionada a la mecha, mejorar el flujo en el espacio
anular para la limpieza del pozo, y reducir el uso y desgaste de los equipos, así
como el consumo de combustible. Un límite superior práctico para la viscosidad
plástica es el doble del peso del fluido (lbs/gal). Aunque este valor parezca restrictivo
en lo que se refiere a los altos pesos de fluido, los sólidos se ven tan apretados por el
material densificante, que estos fluidos tienen una tolerancia muy baja respecto a los
sólidos de perforación. La viscosidad plástica constituye una buena aproximación de la
viscosidad a través de los chorros de la mecha.

20. PUNTO CEDENTE
El Punto Cedente (PC) en libras por 100 pies cuadrados
(lbs/100 pies2) se calcula a partir de los datos del
viscosímetro FANN (VG), de la siguiente manera:
PC (lbs/100 pies2) = 2 x Θ300 – Θ600
o
PC (lbs/100 pies2) = Θ300 – VP

21. El Punto Cedente, segundo componente de la resistencia al
flujo en un fluido de perforación, es una medida de las
fuerzas electroquímicas o de atracción en un fluido. Estas
fuerzas son el resultado de las cargas negativas y positivas
ubicadas en o cerca de las superficies de las partículas. El punto
cedente es una medida de estas fuerzas bajo las condiciones de
flujo, y depende de: (1) las propiedades superficiales de los
sólidos del fluido, (2) la concentración volumétrica de los sólidos,
y (3) el ambiente eléctrico de estos sólidos (concentración y tipos
de iones en la fase fluida del fluido).

22. El punto cedente es la parte de la resistencia al flujo que se
puede controlar con un tratamiento químico apropiado. El
punto cedente disminuye a medida que las fuerzas de
atracción son reducidas mediante el tratamiento químico. La
reducción del punto cedente también reducirá la viscosidad
aparente.
El punto cedente es usado frecuentemente como
indicador de las características de dilución por esfuerzo
de corte de un fluido y de su capacidad de suspender el
material densificante y retirar los recortes del pozo.

23. FLUIDOS DE PERFORACION

24. DEFINICION
El lodo de perforación es un fluido, de características físicas y químicas
apropiadas, que puede ser base agua o base aceite; de aire; gas o
combinaciones de agua y aceite (lodo invertido) con diferente contenido de
sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo ni inflamable; pero sí inerte a las
contaminaciones de sales solubles o minerales, y además, estable a las
temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las
operaciones y debe ser inmune al desarrollo de bacterias.
El propósito fundamental del lodo es ayudar a hacer rápida y segura la
perforación, mediante el cumplimiento de ciertas funciones. Sus
propiedades deben ser determinadas por distintos ensayos y es
responsabilidad del encargado en lodos durante la operación, comparar las
propiedades a la entrada y salida del hoyo para realizar los ajustes
necesarios. Si el lodo falla en satisfacer una u otra función, se puede
cambiar su composición o mejorarse agregándole agua, arcillas
comerciales, material densificante o algún producto químico.

25. FUNCIONES
Remover y transportar los cortes hechos por la
barrena del fondo del hoyo hacia la superficie.
En la perforación de una formación, los cortes hechos
por la barrena, o en algunos casos pedazos de la
formación provenientes de las paredes del hoyo al
ocurrir algún derrumbe, deben ser continuamente
retirados desde el hoyo hasta la superficie. El
cumplimiento de ésta función depende de factores
como: densidad, viscosidad del fluido, velocidad
anular y tamaño de los cortes.

26. Enfriar y lubricar la barrena y la sarta de perforación.
La fricción originada por el contacto de la barrena y la sarta
de perforación con las formaciones genera una cantidad
considerable de calor, por tal razón, los lodos deben tener
suficiente capacidad calorífica y conductividad térmica para
permitir que el calor sea recogido del fondo del pozo, para
transportarlo a la superficie y disiparlo a la atmósfera. En
cierto grado, por si mismo, el lodo actúa como lubricante y
ésta característica puede ser incrementada mediante el uso
de emulsionantes o aditivos especiales que afectan la tensión
superficial.
FUNCIONES

27. Cubrir la pared del hoyo con un revoque liso, delgado, flexible e
impermeable.
Un revoque con estas características ayuda a minimizar los
problemas de derrumbe y atascamiento de la tubería o su adhesión a
la pared del hoyo.
Controlar las presiones de las formaciones.
La presión hidrostática ejercida por la columna de lodo debe
controlar la presión de las formaciones. El gradiente normal de
presión es 0.465 lbs/pulg2
/pie y equivale a un peso de 8.9 lbs/gal
(1.06 gr/cc). El control de las presiones anormales requiere que se
agregue al lodo material de alta gravedad específica (como Baritina,
Hematita, etc.) para aumentar su densidad.
FUNCIONES

28. Mantener en suspensión los recortes y el material densificante
cuando se interrumpe la circulación.
La capacidad que tiene el lodo de desarrollar resistencia gel con el
tiempo (propiedad trixotrópica), permite mantener en suspensión las
partículas sólidas cuando se interrumpe la circulación para luego
depositarlas en la superficie cuando ésta se reinicia y en especial al
material densificante.
Soportar parte del peso de la sarta de perforación y de la
tubería de revestimiento durante su inserción en el hoyo.
El peso de la sarta de perforación y de la tubería de revestimiento en
el lodo, es igual a su peso en el aire multiplicado por el factor de
flotación. A medida que aumenta el peso del lodo disminuye el peso
de la tubería.
FUNCIONES

29. Mantener en sitio y estabilizada la pared del hoyo evitando
derrumbes.
Además de mantener en sitio y estabilizada la pared del hoyo para
evitar derrumbes; el lodo debe ofrecer máxima protección para no
dañar formaciones productivas durante la perforación.
Facilitar la máxima obtención de información deseada acerca de
las formaciones perforadas.
Las características físicas y químicas del lodo deben ser tales, que
puedan permitir la obtención de toda la información geológica
necesaria para valorar la capacidad productiva de las formaciones
atravesadas, mejores registros eléctricos y la toma de núcleos.
FUNCIONES

30. Transmitir potencia hidráulica a la barrena.
El fluido de perforación es el medio por el cual
se transmite, a través de la barrena, la potencia
hidráulica al fondo del hoyo desde la
superficie. Debido a que las propiedades
reológicas ejercen una influencia considerable
sobre la potencia hidráulica aplicada, éstas
deben mantenerse en valores adecuados.
FUNCIONES

31. PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LOS
FLUIDOS DE PERFORACIÓN
•
• DENSIDAD DEL LODO:
• La función principal de la densidad es mantener los fluidos
contenidos dentro del hoyo en el yacimiento durante la
perforación. Adicionalmente, mantiene las paredes del hoyo
al transmitir la presión requerida por las mismas. Para
prevenir la entrada de fluidos desde la formación al hoyo, el
lodo debe proveer una presión ligeramente mayor a la
presión de poros encontrada en los estratos a ser perforados.
Un exceso de la densidad del fluido puede ocasionar la
fractura de la formación con la consiguiente pérdida de
fluido de control.

32. CONTENIDO DE SÓLIDOS
En un fluido de perforación existen sólidos
deseables como la arcilla y la barita, y sólidos
indeseables como ripios y arena, los cuales hay
que eliminar del sistema, para ello se utilizan
métodos con el fin de mantener el porcentaje
de sólidos en los fluidos de perforación en los
rangos correspondientes al peso del lodo en
cuestión.

33. ACONDICIONAMIENTO DEL LODO Y EQUIPOS
DE CIRCULACION
•
• Área de acondicionamiento del lodo:
Constituida por una serie de equipos que permiten acondicionar el lodo
eliminándole gran cantidad de sólidos indeseables que han sido
incorporados durante la perforación:
• Tanques de asentamiento: Permite la deposición de sólidos por
gravedad durante el proceso de tratamiento de lodo.
• Zarandas Vibratorias: Separan los ripios cortados al hacer pasar el
lodo que viene del pozo a través de una malla o tamiz vibrador. La
eliminación de sólidos indeseables es de vital importancia para el
buen funcionamiento del lodo durante la perforación. Las mallas
utilizadas son intercambiables y de su tamaño dependerá de la
presencia o no de sólidos en el sistema.

34. ACONDICIONAMIENTO DEL LODO Y EQUIPOS
DE CIRCULACION

35. ACONDICIONAMIENTO DEL LODO Y EQUIPOS
DE CIRCULACION
• Desarenadores (Desander): Equipos de control de sólidos
que permiten separar la arena contenida en el lodo producto
de la perforación. Funcionan a través del principio de fuerza
centrífuga ejercida sobre el fluido de perforación
• Separador de sólidos (Desilter): Separa partículas
provenientes de la formación y que no han podido ser
separadas por los otros equipos de control de sólidos

36. ACONDICIONAMIENTO DEL LODO Y EQUIPOS
DE CIRCULACION
Equipos de circulación: Permiten movilizar el fluido de
perforación a través de todo el sistema de circulación. Dentro de los
componentes principales se encuentran:
Bombas de lodo: Constituyen el eje principal del sistema de
circulación y tiene como función principal manejar los volúmenes
de lodo requeridos durante la perforación de un pozo.

37. ACONDICIONAMIENTO DEL LODO Y EQUIPOS
DE CIRCULACION
• Líneas de descarga y retorno: Conectan las líneas que
transportan el lodo bajo presión. Las líneas de descarga
llevan el lodo fresco y tratado a la sarta de perforación,
mientras que las líneas de retorno llevan el lodo conteniendo
ripios y gases por gravedad desde la boca del pozo al área de
acondicionamiento.

38. ACONDICIONAMIENTO DEL LODO Y EQUIPOS
DE CIRCULACION
• Tubo vertical (stand pipe): Conecta la línea
de descarga con la manguera rotatoria para
transportar el lodo hasta la unión giratoria.

39. ACONDICIONAMIENTO DEL LODO Y EQUIPOS
DE CIRCULACION
• Manguera rotatoria: Manguera de goma con
extremo muy fuerte, flexible y reforzada que
conecta el tubo vertical en la unión giratoria.
Debe ser flexible para permitir el movimiento
vertical libremente.

40. TIPOS DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN
BASADOS EN EL COMPORTAMIENTO
REOLOGICO O CARACTERISTICAS DE
FLUJO

41. FLUIDOS DE PERFORACIÓN
CLASIFICACIÓN
Los fluidos que circulan durante la perforación de un pozo se
pueden clasificar según el comportamiento reológico o
características de flujo, es decir, según la relación entre el
esfuerzo de corte y velocidad o tasa de corte. De acuerdo con
este criterio hay dos clases de fluidos:
• Fluidos Newtonianos.
• Fluidos no Newtonianos.
HIDRAULICA DE PERFORACIÓN

42. FLUIDOS NEWTONIANOS
Son aquellos en los cuales el esfuerzo de corte es directamente
proporcional a la tasa o velocidad de corte ejemplos: agua,
diesel, glicerina.
FLUÍDOS NO NEWTONIANOS
Son los que presentan una amplia variedad de relaciones entre el
esfuerzo de corte y la tasa o velocidad de corte ejemplos: lodos
de perforación, lechadas de cemento, etc. Estos tipos de fluidos
se subdividen, a su vez, en: plásticos, pseudoplásticos,
tixotropicos y dilatantes.
HIDRAULICA DE PERFORACIÓN

43. RÉGIMEN DE FLUJO

44. RÉGIMEN DE FLUJO
Flujo
• El flujo es el movimiento de un fluido, el cual
depende de la velocidad y de las
propiedades del mismo.
• Régimen
El régimen de flujo varía de acuerdo al tipo
de fluido: Newtonianos y No Newtonianos.

45. RÉGIMEN DE FLUJO
En fluidos Newtonianos: Los fluidos
Newtonianos exhiben dos régimen de flujo:
• Laminar.
• Turbulento.
En fluidos No Newtonianos: Los fluidos no
newtonianos, dependiendo de la velocidad de
flujo, exhiben tres regímenes:
• Tapón.
• Laminar.
• Turbulento.

46. RÉGIMEN DE FLUJO
Tipos de régimen de flujo
• Flujo Tapón: En el flujo
tapón, las partículas se
desplazan en línea recta a
velocidad constante. Esto
produce un perfil de
velocidad plano, con una
velocidad menor en la
pared que en el centro del
espacio anular.

47. RÉGIMEN DE FLUJO
• Flujo Laminar:
En este tipo de flujo las
partículas se desplazan en
línea recta, pero la velocidad
no es constante. La velocidad
en la pared llega a cero,
mientras que la velocidad en
cualquier punto separado de la
pared, es proporcional a la
tasa volumétrica promedio, e
inversamente equivalente a la
viscosidad. Esto da un perfil de
velocidad parabólico.

48. RÉGIMEN DE FLUJO
• Flujo Laminar
Perfil adimensional de velocidad, correspondiente
al flujo laminar de un fluido No Newtoniano

49. RÉGIMEN DE FLUJO
• Flujo Turbulento
En flujo turbulento las partículas
no se mueven en línea recta, sino
que viajan de desordenadamente a
velocidades diferentes en forma de
remolino. Esta velocidad aumenta
rápidamente en las zonas
separadas de la pared y se hacen
constantes para la masa principal
del fluido.
El flujo turbulento es el más
efectivo para la remoción de los
sólidos, pero causa el
ensanchamiento o lavado del hoyo.

50. RÉGIMEN DE FLUJO
NÚMERO DE REYNOLS
• La transición entre régimenes de flujo a una velocidad crítica controlada por
la relación entre fuerza y viscosidad, es llamada comúnmente, Número de
Reynolds.
Este número es adimensional y toma en consideración factores básicos de
flujo en tubería como diámetro, velocidad, densidad y viscosidad. Esta
definido como:
N Re = VDρ
µ
Donde:
V: Velocidad promedio del fluido. (pies/seg)
D: Diámetro interno de la tubería. (pulg)
ρ: Densidad del fluido. (lbs/gal)
µ: Viscosidad del fluido. (cps)

51. RÉGIMEN DE FLUJO
• Régimen de flujo en fluidos Newtonianos
El régimen de flujo en fluidos Newtonianos se
determina, de acuerdo al Número de Reynolds, de
la siguiente manera:
N Re < 2000 Flujo laminar
N Re >2000 pero < 4000 Flujo transición
N Re > 4000 Flujo turbulento

52. RÉGIMEN DE FLUJO
Régimen de flujo en fluidos No Newtonianos: Los fluidos no Newtonianos carecen
de viscosidad absoluta, por lo tanto el régimen de flujo se determina con base a la
relación entre esfuerzo de corte (EC) y tasa de corte (TC), de acuerdo a los modelos
reológicos existentes. También se puede determinar comparando la velocidad anular
con la crítica, de modo que:
Sí Va < Vc Flujo Laminar
Sí Va > Vc Flujo Turbulento
Donde:
Va: Velocidad anular, (pie/min)
Vc: Velocidad critica, (pie/min)
La velocidad anular (Va) se calcula a través de la siguiente ecuación:
Donde:
Q: Caudal, (gal/min)
Dh: Diámetro del hoyo, pulg.
Dt: Diámetro externo de la tubería, (pulg).
2 2
24 5
/ min
. x Q
Va pie
Dh - Dt
= =

53. El efecto de “n” sobre el perfil de flujo y el perfil de
velocidad es muy importante para los fluidos no
newtonianos que disminuyen su viscosidad con el
esfuerzo de corte. A medida que el perfil de viscosidad
se aplana ver la siguiente figura, la velocidad del fluido
aumenta sobre un área más grande del espacio anular,
lo cual aumenta considerablemente la limpieza del pozo.
Ésta es una de las razones por las cuales los fluidos de
bajo valor de “n” proporcionan una buena limpieza del
pozo.

55. El índice de consistencia “K” es la viscosidad a
una velocidad de corte de un segundo
recíproco (seg-1). Este índice está relacionado
con la viscosidad de un fluido a bajas
velocidades de corte. La eficacia con la cual un
fluido limpia el pozo y suspende los materiales
densificantes y los recortes puede ser mejorada
aumentando el valor de “K”.

56. RELACIÓN ENTRE (K, n) y (VP, PC)
En los fluidos de perforación a base de arcilla, tanto la
viscosidad plástica (VP) como el punto cedente del lodo
(PC) indicados en la siguiente figura afectan el
coeficiente “K”. Se muestran tres casos: (1)
acumulación de sólidos, (2) disminución de sólidos, y
(3) floculación causada por la contaminación.

57. Esta figura muestra las curvas de consistencia correspondientes a
los modelos: Plástico de Bingham y Ley de Potencia, explicados
anteriormente.

58. PÉRDIDA DE PRESIÓN EN EL
SISTEMA DE CIRCULACIÓN

59. PÉRDIDA DE PRESIÓN EN EL
SISTEMA DE CIRCULACIÓN
• Introducción
Durante las operaciones de perforación
se trata de optimar las pérdidas de
presión, en el sistema de circulación para
obtener máxima potencia y máximo
impacto hidráulico, que aunado a las
condiciones reológicas del fluido, permita
la mejor limpieza del hoyo.

60. PÉRDIDA DE PRESIÓN EN EL
SISTEMA DE CIRCULACIÓN
Pérdida de presión
Para determinar las pérdidas de presión es
necesario conocer el comportamiento real
del fluido a través del espacio anular, de
acuerdo a los modelos reológicos
existentes y determinar con base al
Número de Reynolds, su régimen de flujo.

61. DENSIDAD EQUIVALENTE DE
CIRCULACIÓN (DEC)

62. DENSIDAD EQUIVALENTE DE
CIRCULACIÓN (DEC)
• Introducción
Cuando el fluido de perforación circula a través
del hoyo, la presión de circulación debe ser
suficiente para vencer las pérdidas de presión por
fricción a través de todo el sistema de circulación,
sino también la presión hidrostática y la pérdida
por fricción en el anular.
La presión requerida para vencer la pérdida total
por fricción agregada a la presión hidrostática del
fluido, es la densidad equivalente de circulación.

63. DENSIDAD EQUIVALENTE DE
CIRCULACIÓN (DEC)
• Definición
La densidad equivalente de circulación,
es la presión hidráulica efectiva ejercida
por el fluido. En otras palabras, es la
densidad o peso real del fluido aplicado
contra la formación en condiciones
dinámicas.

64. DENSIDAD EQUIVALENTE DE
CIRCULACIÓN (DEC)
• Cálculo
La DEC, combina la densidad del fluido con la fuerza requerida
para circular el fluido a través del sistema de circulación, y su
magnitud depende del tipo de flujo y de las propiedades del fluido.
La fórmula utilizada para determina la densidad equivalente de
circulación se puede expresar como:
• Donde:
ρ0 : Densidad original del fluido, (lbs/gal)
hv: Profundidad vertical, (pies)
0
v
Pérdidas de Presión en el anular
0.052 * h
DEC ρ= +

65. DENSIDAD EQUIVALENTE DE
CIRCULACIÓN (DEC)
Las pérdidas de presión producidas por flujo turbulento, son
considerablemente más elevadas, que las que se producen en
flujo laminar. En flujo turbulento se logra disminuir la caída de
presión disminuyendo la velocidad de circulación y en flujo
laminar bajando el punto cedente.
Los cambios en las propiedades del fluido tienen influencia
mínima sobre la reducción de las caídas de presión, cuando se
tiene flujo turbulento.
Las caídas de presión calculadas con el modelo reológico de
Bingham para flujo laminar, resultan mayores a las reales. Por
lo tanto, la DEC calculada con este modelo, resulta mayor
La DEC, debe mantenerse en rango de valores aceptables
sobre todo cuando se perforan yacimientos agotados o con
bajos gradientes de presión para minimizar las pérdidas de
circulación, las cuales constituyen un problema potencial en
este tipo de yacimiento.

66. Densidad equivalente de
circulación (DEC)
Ejercicio
Calcular la densidad equivalente de circulación con
base a los siguientes datos:
hv = 13000'
ρo = 12.2 lbs/gal
∆Pa = 600 lpc
Solución
DEC = 12.2 + (600 / 0.052 x 13000) = 13 lbs/gal

67. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
CÁLCULOS DE HIDRÁULICA
Una vez que las propiedades reológicas para un fluido han sido
determinadas y modeladas para predecir el comportamiento del flujo, los
cálculos de hidráulica son realizados para determinar el efecto que este
fluido en particular tendrá sobre las presiones del sistema. Las presiones
críticas son la presión total del sistema (presión de bombeo), la pérdida de
presión a través de la mecha y la pérdida de presión anular (convertida en
Densidad Equivalente de Circulación).
Muchos pozos son perforados bajo limitaciones de presión impuestas por
el equipo de perforación y los equipos conexos. Las presiones nominales
de las camisas interiores de las bombas y de los equipos superficiales, así
como el número de bombas disponibles, limitan el sistema de circulación
a una presión máxima admisible de circulación.

68. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
A medida que los pozos son perforados a mayores profundidades y
que se instala la tubería de revestimiento, el caudal disminuye
dentro de los pozos de diámetro reducido. Las presiones de
circulación aumentarán debido al aumento de la longitud de la
columna de perforación y del espacio anular, y posiblemente debido
a la reducción del diámetro de la columna de perforación. Las
camisas interiores de las bombas de lodo serán cambiadas de
manera que tengan diámetros más pequeños y presiones
nominales más altas. Esto aumentará la presión máxima admisible
de circulación. Cualesquiera que sean las condiciones del pozo, la
presión máxima admisible de circulación impone un límite teórico
sobre el caudal.

69. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
Las presiones de circulación, y por consiguiente el caudal,
están directamente relacionadas con la geometría del
pozo y de los materiales tubulares utilizados, incluyendo
el equipo especial del Conjunto de Fondo (BHA), así
como la densidad y las propiedades reológicas del fluido.
Por lo tanto, resulta imprescindible optimizar la hidráulica
del fluido de perforación mediante el control de las
propiedades reológicas del fluido de perforación para
evitar alcanzar este límite teórico. Esto es particularmente
cierto en el caso de la perforación de alcance extendido.

70. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
PAUTAS PARA LA OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA
La presión máxima admisible de circulación y la velocidad de
circulación son recursos limitados que pueden ser desperdiciados o
aprovechados al máximo. La reología y los cálculos de hidráulica
proporcionan los medios necesarios para ajustar las propiedades del
lodo, el caudal y los chorros de la mecha con el fin de optimizar estos
recursos bajos las restricciones impuestas por los aparatos del equipo
de perforación. 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 Densidad Equivalente
de Circulación (DEC) y la caída de presión a través de la mecha.

71. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
La densidad y las propiedades reológicas del fluido son los
parámetros que afectan esta eficacia hidráulica. Si se supone
que la densidad del fluido es mantenida a un nivel mínimo
seguro para el control del pozo y la estabilidad del pozo,
entonces la optimización de la hidráulica depende de las
propiedades reológicas del fluido y del caudal. En muchos
casos, los equipos de fondo tales como los motores de fondo,
impulsores e instrumentos de medición al perforar (MWD y
LWD) y registro al perforar, requieren un caudal mínimo para
funcionar correctamente. Esto hace que las propiedades
reológicas del fluido constituyan la única variable en el proceso
de optimización.

72. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
PÉRDIDAS DE PRESIÓN DEL EQUIPO SUPERFICIAL
Las pérdidas de presión superficiales incluyen las pérdidas
entre el manómetro del tubo vertical y la tubería de perforación.
Esto incluye el tubo vertical, la manguera del kelly, la unión
giratoria y el kelly o la rotaria viajera (top drive). Para calcular la
pérdida de presión en las conexiones superficiales, utilizar la
fórmula para tuberías de API para la pérdida de presión en la
tubería de perforación. Las geometrías comunes del equipo
superficial están indicadas en la siguiente tabla.

73. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA

74. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
CONEXIONES SUPERFICIALES DE LA ROTARIA
VIAJERA (TOP DRIVE)
Actualmente no hay ningún caso estándar para las
unidades de rotaria viajera. Las conexiones superficiales
de la mayoría de estas unidades se componen de un
tubo vertical de 86 pies y 86 pies de manguera con un
diámetro interior (DI) de 3,0 ó 3,8 pulgadas. Además,
hay una tubería en “S” que es diferente en casi todos los
equipos de perforación.

75. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
PÉRDIDAS DE PRESIÓN DE LA COLUMNA DE
PERFORACIÓN
La pérdida de presión en la columna de perforación es
igual a la suma de las pérdidas de presión en todos los
intervalos de la columna de perforación, incluyendo la
tubería de perforación, los portamechas, los motores de
fondo, las herramientas de MWD/LWD/PWD o cualquier
otra herramienta de fondo

76. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
PÉRDIDAS DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LOS MOTORES Y DE LAS
HERRAMIENTAS
Si la columna de perforación contiene un motor de fondo; una herramienta
de MWD, LWD o PWD; una turbina o un impulsor, sus pérdidas de presión
deben estar incluidas en las pérdidas de presión del sistema para calcular la
hidráulica del sistema. Las pérdidas de presión pueden afectar
considerablemente la presión disponible en la mecha, así como derivar el
flujo alrededor de la mecha. La pérdida de presión a través de las
herramientas de MWD y LWD varía considerablemente según el peso del
lodo, las propiedades del lodo, el caudal, el diseño de la herramienta, el
tamaño de la herramienta y la velocidad de transmisión de datos. Algunos
fabricantes publican pérdidas de presión para sus herramientas, pero estas
pérdidas de presión pueden ser estimadas por lo bajo, porque son
generalmente determinadas con agua.

77. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
La pérdida de presión a través de Motores de Desplazamiento
Positivo (PDM), impulsores y turbinas es más grande que las
pérdidas a través de las herramientas de MWD y LWD, y es
afectada por más variables. Con un PDM o impulsor, el peso
adicional sobre la mecha aumenta el torque y la pérdida de presión
a través del motor. La caída de presión a través de una turbina es
proporcional al caudal, al peso del lodo y al número de etapas de
accionamiento de la turbina. La pérdida de presión a través de los
motores y las turbinas no se puede determinar con precisión
usando fórmulas; sin embargo, estos datos de pérdida de presión
también pueden ser obtenidos de los proveedores.

78. MECHAS DEMECHAS DE
PERFORACIÓNPERFORACIÓN

79. DISEÑO Y SELECCIÓN DE MECHAS
MECHAS DE PERFORACIÓN
Es el elemento cortante o herramienta que perfora el hoyo en las operaciones
de perforación.
La mecha está colocada en el extremo inferior de la columna de perforación.
La mecha va haciendo cortes a medida que va rotando sobre la formación,
bien sea raspando o fracturando dicha formación, ayudado por el peso que se
ejerce hacía abajo proporcionado por los drill collars y la tubería extra pesada.
La eficiencia de cualquier operación de perforación depende mucho de la
elección más adecuada del tipo de mecha por utilizar, de acuerdo con las
condiciones de cada etapa del pozo por perforar. Los diferentes tipos de
formaciones y las diferentes técnicas de perforación requieren del uso de
diversos tipos de barrenas, para obtener resultados óptimos. Estos tipos de
barrenas se obtienen variando ciertos factores de diseño, dentro de las
limitaciones impuestas por la metalurgia, diámetro de la mecha y los criterios
de diseño utilizado.

80. MECHAS
ELEMENTO CORTANTE O
HERRAMIENTA QUE PERFORA EL
HOYO EN LAS OPERACIONES DE
PERFORACIÓN.
PDCDE DIENTES IMPREGNADASDE INSERTOS

81. Diente Insertos PDC Diamante Natural
Formación Blanda Semi Dura Dura Extremadamente Dura

82. Mechas de Arrastre

83. MECHAS DE DIAMANTES NATURALES
Las Mechas de diamantes naturales están constituidas por muchos
diamantes colocados en una matriz de carburo de tungsteno. Su mejor
comportamiento lo obtienen en formaciones que no sean frágiles, de
alta dureza y abrasividad.
En condiciones apropiadas de operación, solamente los diamantes
entran en contacto con el fondo del hoyo, lo que deja una pequeña
claridad entre la matriz y el fondo. Para dirigir el flujo sobre la cara
de la Mecha se abren canales en la matriz, de modo que parte del
fluído es forzado entre ella y el fondo del hoyo, lograndose así la
limpieza y enfriamiento de los diamantes.

84. Mechas de Diamante Natural

85. Diamante Natural

86. MECÁNISMO DE CORTE
(MECHAS DE DIAMANTES NATURALES)
El mecánismo de corte o forma de penetrar la formación de
este tipo de mechas es por fricción o abrasión mecánica.
Por esta razón, sólo se utilizan en formaciones de muy alta
dureza y abrasividad, y se descartan en formaciones
plasticas (arcillosas).
El tamaño y número de diamantes de la mecha depende de
la dureza de la formación. Para formaciones duras se
utilizan Mechas con muchas piedras pequeñas; mientras
que para formaciones blandas, con pocas piedras de mayor
tamaño.

87. MECANISMO DE CORTE
MECHAS DE DIAMANTE NATURAL
MECANISMO DE CORTE: ABRASIÓNMECANISMO DE CORTE: ABRASIÓN

88. •
• CUERPO DE MATRIZ DE CARBURO DE TUNGSTENO Y PERFIL
REDONDO
• USA DE 6 A 9 PIEDRAS POR QUILATE
•
• CUERPO DE MATRIZ DE CARBURO DE TUNGSTENO Y PERFIL
REDONDO
•
•
• CUERPO DE MATRIZ DE CARBURO DE TUNGSTENO Y PERFIL
DOBLE
• CÓNICO. USA DE 1 A 6 PIEDRAS POR QUILATE
• CUERPO DE MATRIZ DE CARBURO DE TUNGSTENO Y PERFIL
• PARABÓLICO. USA 2 A 4 PIEDRAS POR QUILATE

89. MECHAS DE DIAMANTES
POLICRISTALINOS (PDC)
Introducción
Las mechas de diamantes
policristalinos (PDC) aparecieron en
el mercado en los años 70. Su
elemento cortante lo constituye un
disco o capa de diamante
policristalino sintético, adherido a un
substrato de carburo de tungsteno
mediante un proceso de alta presión
y temperatura.

90. MECHAS DE DIAMANTES
POLICRISTALINOS (PDC)
Condiciones operacionales
Las mechas PDC fueron diseñadas para
obtener altas tasas de penetración en
formaciones blandas, firmes y
medianamente duras, no abrasivas. Las
mismas no pueden usarse en formaciones
duras y abrasivas por el hecho de que los
cortadores PDC experimentan un excesivo
desgaste mecánico, incrementado
térmicamente por el calor generado por la
fricción entre el cortador y la formación.

91. MECHAS DE DIAMANTES
POLICRISTALINOS (PDC)
Perfil de la corona
Además del perfil de doble cono usado en
las mechas de diamantes, también se usan
los perfiles de cono simple con diferentes
ahusamientos y perfiles de fondo plano.
Limpieza hidráulica
Se realiza circulando fluidos a través de
orificios en las mechas con cuerpo de
acero y a través de canales en la matriz de
carburo de tungsteno.

92. MECHAS DE DIAMANTES
POLICRISTALINOS (PDC)
Tipos de cortadores
En las mechas PDC es importante
considerar el tamaño, la forma, el número
de cortadores usados y los ángulos de
ataque del cortador, los cuales dependen
de las características de la formación que
se va a perforar.
.

93. Acero - Cort:13mm- G.A. Matrz -Cort:16-13mm-G.A.Matrz -Cort:16-13mm-G.A. Acero -Cort:16-13mm-G.A.Matrz - Cort:13mm- G.A.

94. MECHAS PDC
Mecanismo de corte
El mecanismo de corte que se
produce con estas mechas es por
cizallamiento, que permite perforar
la formación sin producir impacto
en la misma. La ventaja que
presenta es que se obtienen
volúmenes de corte de apreciables
magnitudes, aumentando
consecuentemente la tasa de
penetración.

95. MECANISMO DE CORTE
MECHAS PDC
MECANISMO DE CORTE: CIZALLAMIENTOMECANISMO DE CORTE: CIZALLAMIENTO

96. MECHA TOMA NÚCLEOS

97. Mechas de Conos

98. MECHAS DE CONOS
La mecha de tres conos es, desde hace
mucho tiempo, la más usada en las
operaciones de perforación rotatoria
debido a que utiliza una gran variedad de
diseños de dientes y tipo de cojinetes que
permiten su uso en muchos tipos de
formaciones. Su caracteristica principal es
la presencia de tres conos que giran
alrededor de sus ejes a medida que la
mecha lo hace sobre el fondo.

99. 1 2
3
Punta de
Lanza
Protección
al Calibre

100. TIPOS DE CORTADORES
(MECHAS TRICONICAS)
Otro aspecto importante en el diseño de las mechas de conos lo representa el
tamaño de los dientes lo cual tiene gran efecto sobre la acción de perforación de
la mecha. Para formaciones blandas se utilizan dientes largos y
descentralizados, y para formaciones duras, dientes pequeños con menor
descentralización. Si los dientes son de carburo de tungsteno (insertos), el
extremo se diseña en forma de cincel para formaciones blandas y en forma de
semiesfera para formaciones duras.
Mecanismo de Corte para Barrenas Ticónicas de Dientes
MECANISMO DEMECANISMO DE
CORTE: PALEO

101. MECANISMO DE CORTE
MECANISMO DE CORTE:MECANISMO DE CORTE:
TRITURACIÓNTRITURACIÓN
MECHAS DE INSERTOS DEMECHAS DE INSERTOS DE
CARBURO DE TUNGSTENOCARBURO DE TUNGSTENO
(TRICÓNICA)(TRICÓNICA)

102. Dientes

103. Insertos

104. PERFIL DE MECHAS DE
INSERTOS

105. CONDICIONES OPERACIONALES
(MECHAS DE CONOS)
La acción de perforación de este tipo de mecha depende básicamente de la
descentralización de los conos (off set). Esto hace que el cono se detenga periódicamente
cuando gira la mecha y raspe el fondo del hoyo, tal como lo hacen las mechas de arrastre,
lo cual tiende a aumentar la velocidad de perforación en la mayoría de los tipos de
formación. El ángulo de descentralización del cono varía desde alrededor de cuatro
grados para formaciones blandas, hasta cero grado para formaciones duras.

106. Excentricidad (OFF-SET)
Distancia que hay del eje perpendicular del cono al centro de la Mecha

107. COJINETE

108. OPTIMACIÓN DE LA
HIDRAULICA

109. OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA
Fundamentalmente la tasa de perforación de un pozo, está gobernada
por la eficiencia en la remoción de ripios desde el fondo del hoyo,
adicionalmente con una óptima combinación de velocidad de rotación
y peso sobre la Barrena.
Un aumento en el porcentaje de ripios desalojados que pueden ser
removidos por el fluido de perforación, antes que sean retornados al
fondo, hace que aumente la eficiencia de limpieza y de cómo resultado
una tasa de penetración mejorada.
Para obtener una apropiada remoción de ripios se diseñan los
programas hidráulicos.
HIDRAULICA DE PERFORACIÓN

110. Estos programas establecen tasas de circulación y tamaños de chorros de la
Mecha óptimos para un taladro dado, el cual tiene que perforar un cierto
programa de pozos.
Los investigadores han diseñados diferentes teorías como base para el diseño
de programas hidráulicos apropiados para Mechas triconicas.
Un método consiste en suministrar una Máxima Potencia Hidráulica en la
Mecha. Este método está basado en la teoría de que la mejor manera para
limpiar el fondo del pozo, es gastando la máxima energía disponible en el
fondo.
El otro método es el de Máximo Impacto Hidráulico. El mismo está basado
en la teoría de que los ripios son removidos más efectivamente, cuando la
fuerza de impacto del fluido que sale de los chorros de la Barrena golpeando
el fondo del pozo es máxima.
HIDRAULICA DE PERFORACIÓN

111. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
HIDRÁULICA PARA MECHAS DE CONOS Y “PDC”
Introducción
La velocidad de penetración durante la perforación de un pozo
depende fundamentalmente de la velocidad de rotación, del peso
sobre la mecha y de la remoción eficiente del ripio por debajo de la
misma.
La optimación de la hidráulica es el uso eficiente y racional de
la energía o presión de bomba necesaria para hacer circular el
lodo a través del sistema de circulación, con el fin de obtener
una apropiada remoción del ripio y, consecuentemente,
mejorar la tasa de penetración de la mecha.

112. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
HIDRÁULICA EN MECHAS DE CONOS (TRICONICAS)
Introducción
Para realizar la optimación de la hidráulica en mechas triconicas los
investigadores se basan en dos criterios para el diseño de los programas
hidráulicos, los cuales son:
* Máxima potencia hidráulica en la mecha.
* Máximo impacto hidráulico en el fondo del pozo.

113. CRITERIOS HIDRÁULICOS
Máxima Potencia Hidráulica
La Máxima Potencia Hidráulica en la Barrena para condiciones
de presión de descarga constante, se obtendrá a tasa de
circulación que produzcan una pérdida por fricción del 35% de
esta presión de descarga en el sistema de circulación y una caída
de presión del 65% de la presión de descarga en los chorros de la
barrena.
Pc = 0.35 x Ps y Pb = 0.65 x Ps
HIDRAULICA DE PERFORACIÓN

114. Máximo Impacto Hidráulico
El Máximo Impacto Hidráulico en la Mecha ocurrirá a una profundidad
y tasa de circulación tales que el 52% de la presión de descarga de la
bomba será gastada en el sistema de circulación, sin tomar en cuenta
los chorros de la barrena .
Pc = 0.52 x Ps y Pb = 0.48 x Ps
Donde:
Pc : Pérdida de presión en el sistema de circulación, ( lbs/pulg2)
Ps : Presión en superficie, ( lbs/pulg2 )
Pb : Potencia en la mecha, ( HP )
HIDRAULICA DE PERFORACIÓN

115. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
• Comparación entre ambos criterios

116. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
En muchas regiones del mundo, la hidráulica de la mecha para rocas puede ser
optimizada para mejorar la velocidad de penetración (ROP). Muchos factores
afectan la ROP, incluyendo el tamaño de la mecha, el tipo de mecha, las
características de la mecha, el tipo y la solidez de la formación, y la hidráulica de
la mecha. En las áreas de rocas duras, la interacción entre la mecha y la
formación tiene un mayor impacto sobre la ROP que la hidráulica de la mecha. La
hidráulica de la mecha puede ser optimizada en lo que se refiere al impacto
hidráulico, la potencia hidráulica, la potencia hidráulica por pulgada cuadrada del
pozo debajo de la mecha, o la velocidad de los chorros. En general, el objetivo es
usar de 50 a 65% de la presión máxima admisible de circulación proporcionada a
la mecha. Se considera que los sistemas se optimizan para la fuerza de impacto
cuando la pérdida de presión en la mecha es igual a 50% de la presión de
circulación. Cuando la pérdida de presión en la mecha es igual a
aproximadamente 65% de la presión de circulación, se considera que el sistema
está optimizado para la potencia hidráulica.

117. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
En las formaciones blandas que son típicas de los pozos costa afuera,
el único límite impuesto sobre la velocidad de penetración puede ser el
tiempo de conexión. La acción de chorro no es tan crítica. Bajo estas
condiciones, los altos caudales y la gran turbulencia debajo de la
mecha para reducir el embolamiento de la mecha y del BHA (mecha,
porta-mechas, etc.), así como la limpieza del pozo, constituyen las
principales preocupaciones. Para estas condiciones, la mecha puede
ser optimizada para la fuerza de impacto y el caudal. Cuando se
optimiza para la fuerza de impacto, se perderá aproximadamente 50%
de la presión máxima admisible de circulación en la mecha.

118. Cuando se perforan lutitas duras a grandes profundidades,
la retención de recortes y los finos son los factores que
limitan las velocidades de penetración.
Bajo estas condiciones, aumentos relativamente pequeños
de la velocidad de penetración pueden reducir
considerablemente los costos del pozo. La acción de
chorro es crítica y las velocidades de perforación son
mejoradas cuando se optimiza la mecha para la
potencia hidráulica con el 65% de la pérdida de presión
máxima admisible de circulación en la mecha.
OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA

119. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
REQUISITOS PREVIOS
Para aplicar los criterios hidráulicos descritos anteriormente es
necesario determinar la pérdida de presión en el sistema de
circulación de un caudal (Q) cualquiera, para luego obtener las
condiciones óptimas que permitan seleccionar el área o tamaño de
los orificios de la próxima mecha. Se recomienda seleccionar un
valor de caudal (Q) que esté entre el caudal mínimo (Qmín) y el
caudal máximo (Qmáx). Las pérdidas de presión dependen del
comportamiento reológico del fluido en uso y del régimen de flujo en
cada parte del sistema.

120. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
Límites
El caudal óptimo (Qópt), tiene como límites el caudal
mínimo producido por la velocidad mínima de ascenso y
el caudal máximo que depende de los siguientes
factores :
1. Condiciones máximas de operación de la bomba.
2. Problemas de erosión del hoyo.
3. Densidad equivalente de circulación máxima.

121. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
CÁLCULOS DE HIDRÁULICA DE LA MECHA
Además de la pérdida de presión de la mecha,
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.

122. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
POTENCIA HIDRÁULICA
El rango de potencia hidráulica (hhp) recomendado para
la mayoría de las mechas para rocas es de 2,5 a 5,0
Caballos de Fuerza por Pulgada Cuadrada (HSI) del
área de la mecha. Una potencia hidráulica baja en la
mecha puede producir bajas velocidades de penetración
y un rendimiento deficiente de la mecha.

123. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
HIDRÁULICA PARA MECHAS “PDC”
El diseño hidráulico tiene como objetivo optimizar la potencia
disponible a nivel de la mecha, para limpiar el fondo y
transportar los ripios hasta la superficie.
En el caso particular de las mechas “PDC” una función
adicional debe ser manejada: la capacidad del fluido de
enfriar los cortadores policristalinos.

124. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
En todo caso los cálculos hidráulicos deben considerar el factor enfriamiento
para determinar el área de flujo (TFA). En teoría el máximo caudal, dentro
del límite critico, generará el máximo enfriamiento y la máxima limpieza
debajo de la mecha.
Una alta tasa de flujo ayuda a mejorar el rendimiento principalmente cuando
se usan mechas “PDC” tipo cola de pescado, que debido al mecanismo de
perforación y al diseño, generan grandes volúmenes de cortes cuando
perforan formaciones blandas. En formaciones duras, sin embargo, mayores
velocidades de chorro pueden promover la erosión del cuerpo de la mecha, lo
que es más crítico en mechas de cuerpo de acero.
Es útil determinar la relación entre la potencia hidráulica por pulgada
cuadrada (HSI) y la tasa de penetración para optimizar el rendimiento de la
mecha “PDC”. El efecto de las velocidades de flujo en la vida de la mecha,
también debe ser tomado en cuenta.

125. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
Esta relación se puede encontrar con más precisión en áreas de desarrollo
con numerosos pozos perforados con mechas “PDC”. Si no se dispone de
esta data, algunos fabricantes recomiendan la siguiente hidráulica:
• En fluidos base agua, el rango normal de operación estará entre 2.5 y 6.5 de
HSI.
• En lodos base aceite, el rango normal de operación estará entre 1.5 y 4 de
HSI.
En general, la hidráulica de las mechas “PDC”, se calcula a partir del límite
máximo de HSI recomendado por el fabricante, pero siempre que el caudal
requerido esté por debajo del caudal critico, para evitar erosión en el hoyo.
Este criterio proporcionará el máximo caudal posible para acarrear los cortes
y al mismo tiempo enfriar la mecha, obteniendo rendimientos óptimos para
las condiciones dadas.

126. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
MÉTODO DE CAMPO
Para la introducción de los programas hidráulicos
realizados en la oficina, es necesario tener presente que
las condiciones del pozo y del equipo deben ser las
mismas que las usadas para hacer el programa. En
muchos casos es necesario hacer ajustes debido a que,
por problemas operacionales, se cambian las
dimensiones de la sarta de perforación, las condiciones
del hoyo y del lodo, las características de las bombas,
etc. Cuando esto sucede se pueden hacer ajustes.

127. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
HERRAMIENTAS DE FONDO, FLUJO DESVIADO
Las herramientas de fondo también pueden afectar la capacidad de optimizar
la hidráulica de la mecha. Algunas (pero no todas) herramientas de MWD y
LWD desvían hasta el 5% del flujo. Este fluido desviado no alcanza la mecha
y debe ser restado del flujo a la mecha cuando se optimiza la hidráulica de la
mecha. Se usa el caudal total (no reducido por el volumen desviado) para
calcular la hidráulica anular y las pérdidas de presión en la tubería de
perforación y los porta-mechas. El representante del fabricante de las
herramientas de MWD y LWD debería ser consultado para determinar si una
herramienta en particular desvía al flujo, así como el volumen de flujo
desviado por dicha herramienta y la pérdida de presión estimada a través de
la herramienta. Las secciones portantes de los Motores de Desplazamiento
Positivo (PDM) y de las turbinas requieren una porción del flujo para fines de
enfriamiento

128. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
Este fluido es dirigido hacia el espacio anular y contornea la
mecha. El volumen desviado depende de diferentes
variables, pero está generalmente comprendido entre 2 y
10% del caudal total. Se debe restar este fluido desviado del
flujo a la mecha cuando se optimiza la hidráulica de la mecha.
Se usa el caudal total (no reducido por el volumen derivado)
para calcular la hidráulica anular y las pérdidas de presión en
la tubería de perforación y los porta-mechas. El representante
del fabricante del PDM o de la turbina debería ser consultado
para determinar el volumen específico desviado y la pérdida
de presión estimada a través del motor.

129. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
LIMPIEZA DEL FONDO DEL POZO
Además de transmitir la energía a la superficie de la mecha, el fluido de
perforación también debería remover eficazmente los recortes por
debajo de la mecha para maximizar la ROP, evitando la “reperforación”.
La limpieza puede ser mejorada de varios modos, ninguno de las
cuales afecta la manera en que las pérdidas de presión y la energía en
la mecha son calculadas. Al aumentar la intensidad de la acción de
chorro de los jets sobre la superficie de la formación por debajo de la
mecha mediante la extensión de los jets, se mejora la limpieza del
fondo del pozo. La obturación de un jets mejorará el flujo transversal
debajo de la mecha. Un chorro central mejora la limpieza de los conos
para evitar el embolamiento de la mecha.

130. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
La acción de chorro es más fuerte cuando el lodo sale de los jets
y disminuye a medida que la distancia desde los jets aumenta,
debido a la interacción con el lodo circundante. El uso de jets
extendidas que colocan el punto de salida más cerca del fondo
del pozo puede aumentar la intensidad del chorro sobre la
formación. La intensidad del chorro también puede ser mantenida
usando tamaños asimétricos de jets (aumentando el tamaño de
un jets mientras se reduce el tamaño de los otros). Esto
mantendrá el área de flujo total y la pérdida de presión deseado
en el jets, aumentando la intensidad de chorro de por lo menos
uno de los jets.

131. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
La proximidad de los jets al fondo del pozo se describe frecuentemente
con la relación H/D, donde H es la distancia entre el jets y el fondo del
pozo, y D el diámetro del jets. Esta relación H/D indicará la intensidad
de la acción de chorro. La intensidad total del chorro se mantiene en el
centro del flujo a relaciones H/D de 8 o menos, y disminuye
rápidamente a razones más altas. Aumentando el diámetro del jets se
reduce la relación H/D, pero también se reduce la velocidad del jets y la
pérdida de presión a través de la mecha.
La disposición de los jets de las mechas de cortadores de diamantes
policristalinos (PDC) está diseñada para remover eficazmente los
recortes por debajo de la mecha. La disposición de los jets también es
importante para enfriar eficazmente las superficies de los cortadores.

132. OPTIMACION DE LA
HIDRAULICA
Resumen
El rendimiento de la perforación está directamente relacionado con
las restricciones mecánicas impuestas por el equipo de perforación.
Al controlar las propiedades reológicas del lodo, se puede optimizar
el rendimiento, operando dentro de los límites mecánicos impuestos
por el equipo de perforación. Las propiedades reológicas del lodo
deberían ser controladas para que se pueda transmitir a la mecha
la mayor parte posible de la presión máxima admisible de
circulación del equipo de perforación, reduciendo las pérdidas de
presión parásitas en las conexiones superficiales, la columna de
perforación y en el espacio anular, sin perjudicar la limpieza del
pozo o la suspensión de los sólidos.