Evaluación reológica de la velocidad anular óptima del fluido de perforación

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Saludos queridos amigos y lectores de la plataforma steemit. Quiero dar un saludo especial a las comunidades amigas de #stem-espanol, #steemstem, #curie, #cervantes, #entropia, y agradecer por el especial apoyo a mis publicaciones y en general por el apoyo brindado a las publicaciones académicas en el idioma español.

Cuando me refiero a la palabra óptima, se me vienen muchos pensamientos a la cabeza, entre ellos: eficiencia, ideal, exactitud, maximizar, mejorar, nivel intermedio. Y es que mis pensamientos rodean las proximidades del significado de esta palabra tan importante en el argot de la ingeniería.

El impacto que tienen las propiedades reológicas en el transporte del fluido de perforación, generalmente se evalúan en la caída de presión que va a existir dentro de la tubería de perforación y en el espacio anular (hoyo-tubería), sin embargo es necesario profundizar mucho más allá de la caída de presión que puede existir en estos espacios, la profundización debe radicar en saber qué magnitud física de relevancia es la que altera estas caídas de presión, sin lugar a dudas son muchas, pero la que quiero tocar y explicar netamente en el presente artículo es la de la velocidad óptima en el transporte del fluido por el espacio anular, no sólo porque impacte en la caída de presión sino también en la limpieza del hoyo.

De todas esas palabras claves que nombre anteriormente para conceptualizar sobre la palabra óptima, debo referirme a que la velocidad óptima es aquella velocidad alcanzada por el fluido de perforación en el espacio anular para que el proceso de perforación se lleve de una manera eficiente, ideal, con exactitud, donde se maximicen los procesos alternos, donde se mejore el trabajo en la perforación del pozo, y sobre todo cuando se alcance un nivel intermedio en los valores de velocidad, es decir una velocidad anular óptima es aquella que no es tan alta como para generar un caudal de flujo que derrumbe una formación litológica, ni tan baja como para que no levante los ripios (cortes de perforación) desde el fondo hasta la superficie.

Para evaluar los beneficios existentes de trabajar con una velocidad anular óptima, explicare el impacto favorable que tiene trabajar con una velocidad anular óptima, entre los múltiples análisis existentes están:

[1] Mejoría en el incremento en la tasa de penetración, a medida que la velocidad de los cortes de perforación son manejados con la velocidad anular óptima.

[2] Relación de la velocidad anular óptima con las propiedades reológicas óptimas para la limpieza del hoyo.


Por qué perforar un pozo de petróleo con un fluido de perforación que tenga una velocidad anular óptima?


A pesar de que cualquier velocidad mayor que la velocidad de asentamiento de los cortes de mayor tamaño, eventualmente levantarán todos los cortes desde el fondo hasta la superficie, mientras más baja sea la velocidad anular, más se acumulara los cortes de perforación (ripios) en el fondo del hoyo y el espacio anular. Debido al asentamiento, la concentración de cortes de perforación depende de:

[1] La relación de transporte.

[2] Tasa de flujo.

[3] Tasa de generación de cortes por la mecha de perforación.

La perforación de pozos de petróleo es un proceso que históricamente ha ido perfeccionando la técnica de perforación rotatoria a medida que va probando e incorporando nuevas tecnologías, nuevos métodos, sin embargo lo que más ha funcionado es la experiencia de los sucesivos trabajos de perforación, es debido a esto que puedo mencionarles con la propiedad del caso que:

“La concentración de recortes de perforación (ripios) en un 5% son los causantes de fricción en el hoyo, especialmente en el espacio anular, por lo que una mala limpieza del hoyo incrementa la fricción en el espacio anular, por consiguiente se aumentan las caídas de presión en el espacio anular en caso de no tener un transporte del fluido de perforación con una velocidad anular óptima que levante los ripios.”

Para poder comprender un poco este fenómeno de transporte y levantamiento de los ripios, muestro una figura, que a groso modo muestra la velocidad ascendente teórica de los recortes de perforación, que es necesaria para mantener una concentración de cortes menor al 5% para diversas geometrías (diámetros) del hoyo.



En el gráfico de la velocidad de levantamiento de los cortes de perforación requeridos para mantener una concentración de los mismos menor del 5% en el espacio anular, tenemos diversos aspectos a destacar y analizar, sin embargo podemos mencionar uno y que es necesario tenerlo en consideración, y no es más que en el caso de la línea recta que representa la tubería de perforación de 4-1/2” y un hoyo de 8” de diámetro, a una tasa de penetración de pie/hora, la velocidad de los cortes deberá ser de aproximadamente 60 pie / minuto.

Podemos destacar que el comportamiento de este gráfico es proporcional, es decir a medida que la velocidad de los cortes de perforación va aumentando, a ese ritmo también aumenta la velocidad en la perforación del pozo (tasa de penetración), sin embargo el mayor rendimiento lo encontramos en la combinación de un diámetro de hoyo de 8 pulgadas y un diámetro externo de tubería de perforación de 4-1/2 pulgadas, lo que da una idea de que mientras mayor sea la longitud del espacio tubería de perforación-hoyo menor será la velocidad del fluido de perforación en el anular, por consiguiente no existirá un transporte eficiente del ripio y la tasa de penetración será menor.

Las propiedades reológicas tienen un fuerte impacto en el transporte del ripio y la limpieza del hoyo, tal es el caso de la viscosidad, en vista de que la tasa de penetración decrece con un aumento de la viscosidad, es preferible mantener la limpieza del hoyo aumentando la velocidad anular en lugar de aumentar las viscosidades del lodo.

Existen diversas consideraciones que deben ser tomadas en cuenta para incrementar la velocidad del fluido de perforación en el espacio anular, ya que se pueden llegar a tener ciertos inconvenientes operacionales si se manejan altos valores de velocidad anular, por lo que es recomendable explicar las siguientes consideraciones:

[1] La tasa de aumento de la relación de transporte va decreciendo cada vez más a altas velocidades anulares.

[2] Las tasas de circulación altas envuelven costos de bombeo desproporcionadamente altos, debido, a que, la caída de presión en la sarta de perforación aumenta con el cuadrado de la velocidad en flujo turbulento.

[3] Las velocidades anulares altas pueden causar erosión del hoyo, sin embargo, las tasas de flujo altas, de por sí, no causarán erosión del hoyo en formaciones compactas, aun cuando el flujo sea turbulento.

Tocando esta parte, les puedo mencionar que la configuración del hoyo empleada para perforar los pozos en Tomoporo – Barúa - Motatán y La Ceiba (Sur del Lago Trujillo) contempla perforar el hoyo conductor primeramente con una mecha de 17-1/2 pulgadas de diámetro desde superficie hasta alcanzar los 1000 pies de longitud, luego se saca toda esa sarta de tubería, para bajar con una mecha de 26 pulgadas y repasar el hoyo, todo esto con la intención de no generar altos valores de velocidad anular, ya que si se perfora directamente con la mecha de 26 pulgadas se necesitaran altos valores de velocidad del fluido en el espacio anular, generando esto altos valores de caudal de bombeo y un posterior socavamiento en la formación, sobre todo considerando que de 0 a 1000 pies la formación litológica es poco consolidada.

Desafortunadamente, en la mayoría de los lugares, donde son perforados algunos pozos petroleros, las formaciones son fracturadas, bien por movimiento tectónicos, o debilitadas por reacciones físico-químicas con el lodo. Bajo tales circunstancias, el ensanchamiento del hoyo (socavamiento) aumentará a razón del aumento de la velocidad anular.

Conclusión de las consideraciones para el uso de velocidades anulares altas en el espacio anular


Se puede analizar las tres consideraciones nombradas anteriormente bajo una sola concepción, por lo que se puede concluir que las velocidades anulares y viscosidades óptimas dependen de si se puede mantener o no el hoyo en su diámetro correcto. Un hoyo en su diámetro, se puede mantener limpio, bien con agua, o bien con un lodo de perforación con viscosidad baja, pero hay que tener en cuenta, que si el hoyo se ensancha significativamente la velocidad del fluido en esa sección ensanchada disminuye, de forma tal que, existe una amplia variación en velocidades en las secciones del hoyo que están en su diámetro y las secciones ensanchadas.

Si pensamos en aumentar el caudal de bombeo para desplazar el lodo de perforación a altas velocidades en el espacio anular, y de esta forma limpiar las secciones ensanchadas del pozo, todo puede resultar en valores de velocidades excesivas en las secciones del hoyo que están en su diámetro.

Bajo todas esas condiciones de la velocidad anular alta y un caudal de bombeo alto, se debe ajustar las propiedades reológicas del lodo de perforación con la intención de aumentar la relación y capacidad del transporte del fluido y un eficiente acarreo del ripio.


Propiedades reológicas óptimas para la limpieza del hoyo


A pesar de que el tema central es la velocidad anular óptima, es necesario explicar las propiedades reológicas que logran compensar una velocidad anular desfasada de su valor óptimo, por ello debemos tomar como principio general, un lodo de perforación con viscosidad predominante estructural, indicado por una alta relación de punto cedente (yield Point) a viscosidad plástica, o un bajo índice de comportamiento de flujo (n) deseable para los propósitos de limpieza del hoyo.

Un lodo de perforación con esas características reológicas será un fluido de perforación cuya viscosidad efectiva aumentará en las secciones ensanchadas donde la velocidad del fluido es baja, y decrece en las secciones no ensanchadas, donde la velocidad del fluido es alta.

La pregunta de análisis idónea para este caso sería:

¿Qué aporte, en relación a valores desfasados de velocidad anular óptima, tiene un lodo de perforación con viscosidad estructural variable?

Un lodo con componentes de viscosidad estructural alta, se esperaría levante los cortes más eficientemente que un fluido Newtoniano o casi Newtoniano, pero la evidencia experimental y de experiencia en las perforaciones de pozos en el campo se tiene que es una deducción algo contradictoria. Se ha podido determinar que la velocidad de asentamiento de los cortes correlaciona mejor con el punto cedente (Yield Point) que con cualquier otro parámetro reológica.

Esto quiere decir compañeros que, para un ingeniero en lodos de perforación que quiera cuidar y supervisar una propiedad reológica que mantenga una limpieza efectiva del agujero y compensar los valores desfasados de velocidad anular óptima, debe centrar sus esfuerzos en el punto cedente como propiedad reológica de importancia para este fin. A continuación se describe el siguiente gráfico que soporta esta afirmación:



En el gráfico de velocidad de asentamiento de partículas versus punto cedente, podemos observar que una vez se supera el valor 20 Lbs / 100 pie2 como punto cedente se empiezan a ver una disminución considerable de la velocidad de asentamiento de partículas (recortes de perforación), y que al existir una disminución de la velocidad de asentamiento del ripio de perforación es un indicativo de que el Yield Point es una propiedad reológica que ayuda considerablemente a la limpieza del agujero, cuando los valores de velocidad anular no son los óptimos.

Se sugiere que, un lodo de perforación con un valor bajo de (n) también sería ventajoso, debido a que tendría un perfil de velocidad comparativamente aplanada, y por ende tasas de cortes bajas y viscosidades locales que lograron prevalecer en la mayor parte del radio del espacio anular. Es necesario acotar que no existe ninguna evidencia experimental en que se varie (n) y los factores permanezcan constantes.

Ciertamente se espera que los perfiles de velocidad de recortes aplanados sean ventajosos porque evitan esa acción acumulativa de regresar al fondo del hoyo, aunque por otro lado, el llegar a reducir el valor de (n), se reduciría también la viscosidad efectiva media, debido a que:



Si observamos y analizamos la ecuación, a medida que bajemos el valor de (n), el exponente se va haciendo cada más pequeño, por lo que el valor de la tasa de deformación del fluido disminuirá, haciendo que la viscosidad efectiva disminuya paulatinamente.


Conclusiones


[1] La velocidad anular del fluido de perforación es aquella velocidad que alcanza el fluido a una tasa de bombeo fija en el espacio anular, de manera que este valor para que se considere óptimo debe ser lo suficientemente alto como transportar los recortes de perforación hasta la superficie, pero sin sobrepasar valores tan altos como para socavar las formaciones litológicas poco consolidadas.

[2] El otro aspecto que debemos considerar es que con altas velocidades en el espacio anular se puede generar un lavado del hoyo, lo cual hace que los sólidos incorporados de la formación incrementen la densidad equivalente de circulación del fluido de perforación (DEC).

[3] Si tomamos en cuenta que Q (caudal) = V (velocidad) x A (área), implica que si despejamos la velocidad, nos queda que: V = Q / A Por lo que a medida que las secciones del espacio anular sean de mayor diámetro, el área de la sección circular del espacio anular será mayor, es debido a ello que debemos de tener especial interés en el área de la sección transversal alrededor de los Drill collar, ya que allí es donde se tiene el área más pequeña, por lo tanto es en ese espacio donde se tendrá los mayores valores de velocidad anular.



[4] Todo lo contrario ocurre en el espacio anular donde se encuentra la tubería de perforación, y es que el área alrededor de la tubería de perforación (drill pipe) tiene la más alta área de sección transversal, esto es debido a que los drill pipe tienen menor diámetro que lo drill collar, por ende la velocidad del fluido de perforación alrededor de los drill pipe será la de más bajo valor, y es donde existirá una tendencia de la velocidad de asentamiento del ripio a superar la velocidad del lodo.



[5] Si por alguna circunstancia no podemos mantener un valor de velocidad anular óptimo, es decir un valor de velocidad anular que este entre la velocidad anular mínima y velocidad anular máxima, lo más recomendables es acoplar los valores de las propiedades reológicas para mantener una limpieza efectiva del hoyo, en especial los valores de punto cedente (yiel point) del fluido de perforación.

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Nota: Todas las imágenes y ecuaciones son de mi autoría, y fueron elaboradas empleando las herramientas de diseño de Microsoft Word 2010 y Microsoft PowerPoint 2010. Para la imágen gif de portada se utilizó el programa PhotoScape Setup V3.7
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Referencia consultada


[1] Manual de Perforación de Pozos. Programa de Postgrado en Ingeniería de Petróleo. Centro de Formación y Adiestramiento de Petróleos de Venezuela (PDVSA) y sus Filiales.
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para un ingeniero en lodos de perforación que quiera cuidar y supervisar una propiedad reológica que mantenga una limpieza efectiva del agujero y compensar los valores desfasados de velocidad anular óptima, debe centrar sus esfuerzos en el punto cedente como propiedad reológica de importancia para este fin.
saludos

Gracias a ti por tomarte el tiempo y leer amigo @newton666. Ciertamente el encargado del lodo de perforación debe cuidar todas sus propiedades como: densidad, viscosidad, filtrado, pero cuando se trata de mantener una velocidad óptima del lodo en el espacio anular y por razones operacionales no se lograran alcanzar estes valores, una manera de compensar esto es con el punto cedente como propiedad fundamental del lodo para mantener una limpieza efectiva del hoyo.


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