Hidraulica

HIDRÁULICA

Es la operación donde el fluido se utiliza para transferir presión desde la superficie a la mecha, utilizando la caída de presión a través de la misma, para mejorar la tasa de penetración. Parte de la energía que transmite el fluido de perforación también se pierde al limpiar el área que está por delante de la mecha acarreando los ripios generados durante la perforación, evitando la aglomeración de los mismos en el cuerpo y cara de la mecha.

Para que el fluido realice algunas de sus otras funciones como la de arrastrar los ripios a la superficie, las bombas de lodo deberán ser capaces de vencer las pérdidas de presión totales asociadas con el equipo de superficie, la sarta de perforación, la mecha y el espacio anular, enviando un caudal que sea suficiente para transportar los ripios hacia arriba y fuera del pozo.

Estas pérdidas de presión también afectan la presión total ejercida por la columna de fluido sobre la cara del pozo, incrementando la pérdida de circulación, el control de arremetidas y otros asuntos relacionados con la estabilidad del pozo.

El propósito de un programa hidráulico es el de ofrecer las ecuaciones y procedimientos básicos para realizar un análisis del sistema circulante, dando una visión del efecto que tiene la reología del fluido de perforación sobre las pérdidas de presión del sistema circulante, razón por la cual, mientras más precisos sean los modelos reológicos utilizados para describir el fluido de perforación, más preciso podrá ser el análisis hidráulico a desarrollar.

MODELOS REOLÓGICOS

Modelo plástico de Bingham

Por su sencillez, el modelo reológico comúnmente utilizado para describir las propiedades reológicas de los fluidos de perforación es el modelo plástico de Bingham. Este modelo supone que el esfuerzo de corte es una función lineal de la tasa de corte, una vez que se ha excedido un esfuerzo de corte específico (el esfuerzo de corte umbral o punto cedente) y se expresa como τ = PC + VP (γ), donde:

PC = Punto cedente, lbf/100 ft2

VP = Viscosidad Plástica, cP (centipoise, 1/100 Poise)

Debido a que este modelo se desarrolló a partir de datos determinados entre las tasas de corte de 500 a 1000 seg-1, caracteriza mejor un fluido a tasas de corte más altas. El PC y la VP se calculan a partir de datos obtenidos con un viscosímetro concéntrico convencional, a 600 y 300 rpm, mediante las ecuaciones siguientes:

1. VP = θ600 - θ300, donde:

• VP = viscosidad plástica, cP

• θ600 = lectura del cuadrante para 600 rpm

• θ300 = lectura del cuadrante para 300 rpm

2. PC = θ 300 - VP

La tasa de corte en rpm, multiplicada por 1,702, nos da la tasa de corte en seg-1, para los reómetros convencionales utilizados en campos petroleros. Una vez que se han determinado los valores de VP y PC, se puede utilizar el modelo para determinar el esfuerzo de corte a cualquier tasa de corte.

Ley Exponencial

El modelo de la Ley Exponencial describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte graficado en función de la tasa de corte es una línea recta, cuando se utiliza papel de coordenadas doblemente logarítmicas. Debido a que se aproxima más al comportamiento de un fluido de perforación a bajas tasas de corte, en comparación con el modelo plástico de Bingham, con frecuencia se emplea para monitorear las características de suspensión y calcular la pérdida de presión del fluido de perforación en el anular. El modelo de la ley exponencial es:

τ = Kγn, donde:

K=índice de consistencia del fluido, lb-segn/100 ft2

n=exponente de la ley exponencial, adimensional

τ= esfuerzo de corte (fuerza/area) dinas/cm2

γ= tasa de corte seg-1

Los parámetros reológicos n y K se pueden calcular a partir de dos puntos de datos cualesquiera de tasa de corte/esfuerzo de corte. Debido a que no es usual que, en un gráfico de coordenadas doblemente logarítmicas, todos los datos sean una línea recta, es mejor determinar n y K a las tasas de corte dentro de la sarta de perforación (np y Kp ) y dentro del anular ( na y Ka). Se puede tener una mayor precisión si se utiliza n y K en intervalo de tasas de corte de 5 a 200 seg-1, para el anular, y en el intervalo de 200 a 1000 seg -1 para el interior de la tubería.

Las lecturas del cuadrante del viscosímetro para un instrumento estándar de seis velocidades se pueden emplear para determinar las constantes de la ley exponencial. La práctica usual consiste en utilizar las lecturas de 3 rpm y 100 rpm para la tasa baja de corte y las lecturas de 300 rpm y 600 rpm para el intervalo de alta tasa de corte.

Las fórmulas generales para n y K Si se utilizan las lecturas del cuadrante del reómetro a 600 y 300 rpm son:

Existen otros modelos reológicos conocidos como el Modelo Newtoniano, Modelo Herschel-Buckley (Modelo de la Ley Exponencial Modificado), Modelo de Casson y el Modelo de Robertson-Stiff, sin embargo los que mas se adaptan al comportamiento del flujo de los fluidos de perforación son el Modelo plástico de Bingham y el de Ley Exponencial, siendo este ultimo el mas utilizado para el análisis o desarrollo de programas hidráulicos en perforación de pozos petroleros.

REGIMEN DE FLUJO

Al comparar el flujo de un fluido con el movimiento de láminas paralelas deslizándose una sobre otra, se pueden identificar:

 Flujo tapón donde el fluido fluye como una masa semi-sólida.

 Un patrón ordenado conocido como Flujo laminar.

 Un Flujo Turbulento, que se genera a altas velocidades, donde las láminas pierden su orden.

 Un Flujo transitorio representado por el movimiento de las láminas entre un estado y otro.

FLUJO TURBULENTO

 Presenta el flujo mas uniforme a través del hoyo y de mejor limpieza y capacidad de acarreo. Sin embargo genera mayor erosión y altos valores de densidad equivalente de circulación ECD.

 Es encontrado siempre dentro de la tubería. Requiere altas velocidades por lo que genera altas caídas de presión.

 Aunque no es deseado en el anular, puede ser requerido en hoyos de alto ángulo.

 El flujo turbulento tiene un Nº de Reynolds mayor a 4000.

FLUJO LAMINAR

 Durante la perforación este patrón de flujo es encontrado en el anular.

 No produce altas caídas de presión ni produce excesiva erosión del hoyo.

 El arrastre Friccionar entre laminas es llamado

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