Hidráulica de perforación // Principios y ecuaciones desarrolladas para los métodos: máxima potencia hidráulica y máximo impacto hidráulico

En la perforación de pozos el fluido de perforación juega un papel preponderante en el avance de la tasa de penetración (ROP), sin embargo esta importancia no se observa de manera considerable sino se asocia al fluido de perforación con el estudio de la hidráulica de perforación, fundamentalmente la tasa de perforación de un pozo, está gobernada por la eficiencia en la remoción del ripio de perforación (recorte de roca) desde el fondo del hoyo hasta la superficie, adicionalmente con una óptima combinación de velocidad de rotación y peso sobre la mecha.

Un aumento en el porcentaje de acumulación de ripio que puede ser removido por el fluido de perforación, antes que sea retornado al fondo por la mecha, hace que aumente la eficiencia de limpieza, dando como resultado una tasa de penetración mejorada.

Cuando hablo de eficiencia en la remoción del ripio, hago referencia a la capacidad que tiene el fluido de levantar los recortes desde el fondo hasta la superficie, mientras esta capacidad de levantar recortes sea pobre, existe el riesgo de que la perforación se detenga producto de la acumulación del ripio por encima de la mecha de perforación, si bien es cierto que este problema se puede compensar y solucionar dándole mayor rotación a la sarta de perforación y peso sobre la mecha (WOB), también la eficiencia en el levantamiento de los recortes va depender del máximo impacto hidráulico que se genera a lo que el fluido de perforación sale de la tubería de perforación pasando por los chorros de la mecha.

Cómo muchos aspectos de la vida, cuando nos proponemos hacer más eficiente sobre algún aspecto, en muchos casos buscamos programarnos en busca de esa eficiencia, de la misma manera ha evolucionado el estudio de la hidráulica en la perforación de pozos, es decir se han originado una serie de programas con el objetivo fundamental de obtener una apropiada remoción del ripio. Estos programas establecen tasas de circulación ya preestablecidos y correlacionados al tamaño de los chorros de las mechas de perforación en la que se tenga que cumplir con un programa determinado para la perforación de un pozo.

^{Autor de la imagen: @carlos84} Años de trabajo dentro del mundo de la perforación, han llevado a investigadores, científicos e ingenieros de petróleo a descubrir nuevas teorías que funciones como base para el diseño de programas hidráulicos, y que a su vez resulten los más apropiados para ser aplicados en la construcción y perforación de un pozo.

Programas hidráulicos apropiados para la perforación de pozos

Máxima potencia hidráulica

Dentro de los programas hidráulicos que se han desarrollado han surgido distintos métodos hidráulicos para optimizar el proceso de perforación, uno de ellos es el de poder suministrar una máxima potencia hidráulica en la mecha de perforación. El método de la máxima potencia hidráulica consiste en conseguir la forma más idónea para poder limpiar el fondo del pozo gastando la máxima energía disponible en el fondo del pozo.

Máxima impacto hidráulico

Desarrollar un programa hidráulico para la perforación y construcción de un pozo de petróleo aplicando el método del máximo impacto hidráulico, es basarnos en el principio de que los recortes de perforación (ripios) son levantados hacia la superficie más eficientemente cuando la fuerza de impacto del lodo de perforación que sale de los chorros de la mecha golpeando el fondo del pozo es máximo.

Dentro del estudio de la ciencia y la ingeniería, estos dos principios para ser empleados en la perforación de pozos no pueden basarse en simples suposiciones empíricas, por lo que resulta necesario que estos dos principios tengan un sustento y hasta se puedan demostrar matemáticamente, aunado a esto les muestro la siguiente figura gráfica en donde se demostrará la factibilidad en la aplicación de los métodos de la máxima potencia hidráulica y el máximo impacto hidráulico.

^{Autor de la imagen: @carlos84}

Análisis del gráfico de la comparación de máxima potencia hidráulica y máximo impacto hidráulico

^{Autor de la imagen: @carlos84} El gráfico describe que, cuando se pone a circular el lodo de perforación mientras se está perforando el pozo, se varía a diferentes tasas de bombeo del lodo, y a cada valor de tasa se toma la lectura de la potencia, en la figura se observan dos curvas, las cuales representan dos parábolas cóncavas hacia abajo, una de las parábolas es punteada y la otra es continua, la curva continua representa el método de máxima potencia hidráulica, con este método se va aumentando el caudal de bomba en una proporción de 100 GPM hasta que alcanza el mayor valor de potencia a los aproximadamente 300 GPM, luego la potencia empieza descender su valor hasta llegar a bombear a una tasa de 550 GPM aproximadamente. La curva punteada es la parábola que representa el método máximo impacto hidráulico, el cual alcanza su punto máximo de potencia (230 HP aproximadamente) a los 400 GPM.

Lo que nos lleva a concluir que a pesar de que el método de máximo impacto hidráulico alcanza mayor potencia, lo hace necesitando mayor caudal de bomba, por lo que puede llegar a resultar en algunas ocasiones dependiendo de las circunstancias en las que se tenga que perforar el pozo más factible realizar el diseño hidráulico en base al método de máxima potencia hidráulica con un 65% de eficiencia, mientras que el método del máximo impacto hidráulico presenta un 48% de eficiencia en la potencia manifestada en los chorros de la mecha en el fondo del pozo.

Consideraciones generales del método máxima potencia hidráulica

Como lo mencionamos anteriormente, lo que se busca con el método de la máxima potencia hidráulica es suministrar la máxima energía que se tenga disponible para ser aplicada en el fondo del hoyo, esto con la intención de encontrar la mejor manera para limpiar el fondo del hoyo.

Entonces conocido ya el objetivo principal del método de la máxima potencia hidráulica, por lo que resulta de primordial importancia calcular el porcentaje de energía que se debe perder en la mecha para poder obtener una óptima remoción y levantamiento del ripio desde el fondo del hoyo hasta la superficie.

La pregunta de análisis que nos podemos plantear es la siguiente:

¿Qué valor de potencia hidráulica se puede desarrollar en la superficie que pueda llegar a suministrar la bomba de lodo?

La potencia hidráulica suministrada por la bomba de lodo que se pueda ver reflejada en superficie es igual a la potencia hidráulica gastada en el bombeo del lodo de perforación a través del sistema de circulación (sin incluir los chorros de la mecha) más la potencia hidráulica gastada en la mecha.

Bajo este principio surge la siguiente ecuación:

^{Autor de la imagen: @carlos84} La máxima potencia hidráulica en la mecha de perforación 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 de 65% de la presión de descarga en los chorros de la mecha.

Consideraciones generales del método máxima potencia hidráulica

La fuerza del impacto hidráulico impartida en el fondo del hoyo por la corriente del fluido de perforación que es bombeado a través de los chorros de la mecha se define como la tasa de cambio de caudal con tiempo y puede ser formulada como sigue:

^{Autor de la imagen: @carlos84} Quizás se piense que el diseño hidráulico que un ingeniero en perforación pueda realizar para la perforación de un pozo de petróleo, si contempla como método del máximo impacto hidráulico entonces tiene que usar la fuerza de impacto, sin embargo esta fuerza de impacto no está dirigida bajo la influencia de un solo factor, es decir en el diseño hidráulico se debe considerar que la fuerza de impacto puede ser considerada por dos condiciones diferentes.

Por ejemplo, para operar en las condiciones normales mientras se está perforando, se puede llegar a operar bajo una potencia constante del caudal de bomba de lodo empleado, es más se puede llegar a comprobar esta condición en forma matemática y se puede llegar a concluir que el máximo impacto hidráulico en la mecha de perforación ocurrirá a una profundidad dada cuando la tasa de circulación sea tal que el 26% de la presión de descarga de la bomba sea gastada en el sistema de circulación sin tomar en cuenta los chorros de la mecha.

Consideraciones técnicas de los métodos de máxima potencia hidráulica y máximo impacto hidráulico

Máxima potencia hidráulica

- Suponiendo que existen condiciones de flujo turbulento en el sistema de circulación, las pérdidas de presión en este sistema se puede calcular multiplicando un factor que lo podemos llamar (k), el cual representa todas las variables como longitudes, diámetros internos, espacios anulares, densidad del lodo y viscosidad plástica, las cuales permanecen constantes por el caudal, teniendo presente que solo varía la tasa de circulación o caudal de bomba.

- Para condiciones máximas, con una presión en superficie constante, derivamos la potencia con respecto a la tasa de circulación o caudal e igualamos a cero. Ya que con esto podemos llegar a encontrar una ecuación que se ajuste a encontrar las pérdidas de presión en función de la presión en superficie.

Máxima potencia hidráulica

- En el método de máxima potencia hidráulica el caudal de circulación puede variar, sin embargo el producto entre la presión y el caudal de bomba, más la potencia de superficie debe permanecer constante.

- No existe límites en la presión de superficie, es decir las presiones en superficie permanecerán por debajo de los valores de la máxima presión nominal de la camisa usada en la bomba de lodo.

- La condición de los valores de potencia constante en la bomba de lodo no es muy práctica ya que se requiere un cambio continuo y múltiple de las camisas que use la bomba de lodo.

Esto operacionalmente hablando resulta muy complicado, ya que el que se tenga que estar realizando cambios de camisa de bomba en plena operaciones de perforación implica que se tenga que parar forzosamente la circulación del lodo, trayendo esto como consecuencia que se pueda pegar la tubería de perforación por pega diferencial. - Otra consideración importante en el uso de este método para el diseño hidráulico es que se emplee una operación a una presión constante en la superficie, la cual puede resultar siendo la teoría más aceptada y usada para operar bajo este método.

- Puede probarse en forma matemática que el máximo impacto hidráulico en la mecha de perforación ocurrirá a una profundidad y tasa de circulación, tal 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 mecha. En pocas palabras si este fenómeno lo vemos en forma de ecuaciones, pudiéramos decir que: Pc = 0.52Ps y Pm= 0.48Ps, aunque esto difiera sustancialmente de los valores que encontramos previamente para una máxima potencia en la mecha.

Conclusión y consideraciones. Aporte a la ingeniería de Petróleo>

En conclusión puedo decir que de los métodos estudiados y analizados en este artículo, basan su aplicación en función de un buen funcionamiento operacional, ligado al mismo tiempo en los procesos óptimos de limpieza del agujero en el fondo del hoyo, claro está siempre buscando incrementar la tasa de penetración y reducir los costos de perforación.

Es por todas estas razones, que puedo decir que el método de máxima potencia hidráulica es el que mejor ópera para un diseño hidráulico que contemple perforar con una máxima potencia en la mecha de perforación del 65% de la presión suministrada desde superficie y obtener una caída de presión del 35% de la presión suministrada de superficie. Es decir con el método de máxima potencia hidráulica es donde podemos conseguir la mayor eficiencia en aprovechar la energía suministrada desde la superficie para el fondo del pozo.

^{Autor de la imagen: @carlos84}

^{Autor de la imagen: @carlos84} ________________________________________________________

Fuente consultada

Manual de perforación de pozos. Programa de postgrado en ingeniería de petróleo. Centro de adiestramiento de petróleos de Venezuela y sus filiales.

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