Hydraulic

Ing. Roberto SalasIng. Roberto Salas

HidráulicaHidráulica

La PerforaciónLa Perforaciónenen

Ciencia que controla el movimiento del lodo deCiencia que controla el movimiento del lodo de perforación en el sistema de circulación del taladroperforación en el sistema de circulación del taladro

Conceptos Básicos

• Velocidad Anular• Tasa de Bombeo• Perdidas de Presión• Potencia Hidráulica en la Mecha• Diámetro de los Jets o Boquillas

Programa de Hidráulica* Movimiento del lodo a través del sistema de circulación • Conocimiento de equipos, tuberias y partes de la mecha con la finalidad de comprender:

Perdidas de PresiónVelocidadesPotencia

Tasa de Penetración

Mayor Eficiencia

El Lodo .....* Proporciona energía a la salida de los jets de la mecha * Contribuye a la limpieza de la mecha* Levantamiento de los ripios

Mantiene las particulas moviendose hacia arriba

Mantiene las partículas moviendose hacia arriba y a lo largo de la sarta de perforación

Mueve todas las partículas sueltas

Mantiene el hoyo limpio

La Mecha .....Se debe efectuar una buena selección del tipo de

mecha y los jets o chorros adecuados, a fin de lograr el máximo rendimiento hidráulico

Parámetros Hidráulicos* Etapas de Flujo * Velocidad del Lodo * Caudal o Tipo de Flujo* Presión y Perdida de Presión

* Etapas de Flujo

Lodo

Dinámico

Estático

Flujo TapónFlujo Laminar IncompletoFlujo Laminar CompletoFlujo Turbulento

Presión insuficiente parainiciar el movimiento

Flujo Tapón

Flujo Laminarincompleto

Aumento de presión y el fluido comienzaa moverse con una velocidad diferencial

Se excede de valor de punto de fluencia.presión suficiente para mover el fluido comoun tapón sólido

Resistencia a la fricción que retarda alflujo en la vecindad de la tuberia y dela pared del hoyo

Flujo Laminar incompleto

* Etapas de Flujo

Flujo Laminarcompleto La velocidad del flujo aumenta.

Desorden de particulas

Al incrementar la presión, el fluido continúa moviendose mas rapido en el centro del anular

Flujo Turbulento

* Etapas de Flujo

No Flujo

Flujo laminar completo

Flujo laminar incompleto

Flujo Tapon

Flujo turbulento

Velocidades del LodoEl lodo fluye a traves de seis (6) secciones del circuito del lodo:

Sección I: Tubo vertical, manguera de lodo, union giratoria, cuadrante o kellySección II: Interior de la tuberia de perforación

Sección III: Interior de los portamechas

Sección IV: Todos los conductos que atraviezan los orificios de la mechaSección V: Toda el area exterior de los portamechas, anular entre el hoyo y los portamechasSección VI: Todo el espacio exterior de la tuberia de perforación, entre la tuberia y el hoyo

El lodo fluye a traves de seis (6) secciones del circuito del lodo:

Bombas de LodoConexiones de Superficie

Tubo Vertical (Stand Pipe)

Manguera de Lodo

Polea Giratoria (Swibel)

Cuadrante ( Kelly )

Tubería de Perforación

Espacio anular

Portamechas

Mecha

Tubo CanalControl Solidos

Tanques de lodo

Velocidad Anular:Velocidad con la cual el fluido subepor el espacio anular (pies/min)Va=

1029( Dhoyo )2 - ( Dtub )2

Va Q

Acarreo de Ripios

Velocidad Anular:Formaciones durasFormaciones blandas

Vanulares bajasVanulares altas

Altos valores de Q

Rápida y mayor remociónde ripios

Pozo mas limpio

Menores costos de mantenimiento y control de las propiedades del lodo

Diam. Hoyo(pulg)

Veloc. Anular(pies/min)

Velocidades Anulares mínimas

12 1/4 90

10 5/8 110

8 1/2 120

7 7/8 130

6 140

Tasa de Bombeo :Volumen expulsado en cada embolada, multiplicado por el número de emboladas de la bomba en un minuto ( gal/min )

Bomba de lodo

Pistón

Volumen definido en un tiempo dado

Carrera

Pérdidas de Presión :

Fluido(agua, gas, aire o lodo)

Presión Presión

Presión depende del largo de la tuberia

Factores que afectan la hidráulica:* Capacidad de

Levantamiento* Velocidad Crítica

* Perdida de presión en flujo laminar

y turbulento * Densidad equivalente de circulación

Capacidad de

LevantamientoVa: Velocidad del fluido en el anular

Vs

Va

Vs: Velocidad de asentamiento de

particulasV r: Velocidad de ascenso de las

particulas Vr : Va -

VsEl lodo debe ser lo suficientemente viscoso y de gran fluidez en el anular para proveer adecuada limpieza del pozo, o sea, que los recortes o ripios sean llevados hasta la superficie

Factores que afectan la hidráulica:

Capacidad de

Levantamiento

Factores que afectan la hidráulica:

La velocidad de flujo del lodo en el anular, debe vencer la velocidad de asentamiento de las partículas, para obtener buena limpieza del hoyo y asi evitar un aumento de la torsión, arrastre, presión hidrostática, atascamiento, disminución de la tasa de penetración o perdidas de circulación

Vs = 175 x d ( 21- G )

0.667( G 0.333 x U 0.333 )

Vs : Velocidad de asentamiento ( pie/min )G : Densidad del lodo ( lbs/gal )d : Diámetro promedio de los ripios (pulgadas)U : Viscosidad del fluido (centipois)

Factores que afectan la hidráulica: Densidad Equivalente de Circulación

( DEC. ) Manómetro

Presión de circulación

Espacio anular

Presión hidrostatica

Presión total = P circ. + Ph

Ph = 0.052 x G x h

Ph + Pp = 0.052 x DEC x h

DEC = Ph + Pp0.052 x h

Pp : Sumatoria de las caidas de presion en el anular

Caidas de Presión

Cps : Caida de presión en conexiones de superficie

Conexiones de

superficie

Tubo VerticalManguera de lodoCuadrantePolea Giratoria

Se han preparado grupos de equipos más usados,realizandose equivalencias con tuberia de perforación

Ps = Cps + Cptp + Cppm + + Cph-pm + Cph-tp

Cpm

Equivalencia entre el grupo de equipos superficiales y tuberia de perforación, para el cálculo de caidas de presión

Caidas de Presión

EQUIPOS DIMENSIONES EQUIVALENCIA GRUPO I

Tubo vertical 40' x 3" Manguera 45' x 2" 437' de tub. de perf. Polea giratoria 4' x 2" de 3 - 1/ 2" D.E. Cuadrante 40' x 2 - 1/ 2" 2, 764" D. I.

GRUPO I I Tubo vertical 40' x 2 - 1/ 2" 161' - 3 -1/2" x 2.764" Manguera 55' x 2 - 1/ 2" Polea giratoria 5' x 2 - 1/ 2" 761' 4 - 1/ 2 x 3.826" Cuadrante 40 x 2 - 1/ 2"

GRUPO I I I Tubo vertical 45' x 4" 479' 4 - 1/ 2" x 3.826" Manguera 55' x 3" Polea giratoria 5' x 2 - 1/ 2" 816' 5" x 4.276" Cuadrante 40' x 3 - 1/ 4"

GRUPO I V Tubo vertical 45' x 4" 340' 4 - 1/ 2" x 3.826" Manguera 55' x 3" Polea giratoria 6' x 3" 579' 5 x 4.276 Cuadrante 40' x 4"

: Caida de presión en la tuberia de perforaciónCptp

Se debe conocer: Tipo de fluido que esta fluyendoRegimen de flujo del fluido

Fluido Newtoniano :Se debe calcular el Número de Reynolds

Lamina

rCp = V x Lx Vp

1500 d2

Turbulento

Cp = Fx Lx V2

x Q

25.8 d

Caidas de Presión

Fluido no

Newtoniano :

Laminar Turbulent

oCp = Fx Lx V2

x G

25.8 d

Nr = d x V x G

Vp + 6.65 x Y (d/V)928

Cp =V x Lx Vp

1500 d2 255 d+Y x L

F: Factor de fricción

V: Velocidad anular (pies/min)

d: Diametro interno (pulg)

Vp: Viscosidad plastica

L: Longitud

y: Punto Cedente

Caidas de Presión

Cppm : Caida de presión en los portamechas

Se calcula igual que el anterior, pero tomando en cuenta el diametro interno de los portamechas

Cph-pm : Caida de presión entre hoyo y los portamechas

El diámetro utilizado en la fórmula, debe ser el diámetro hidráulico, o sea, la diferencia el conducto mayor y el diámetro del conducto menor

dequiv. = dh - dpmdh

dpm

Caidas de Presión

Cph-tp : Caida de presión entre hoyo y tuberia de perforación

El diámetro utilizado en la fórmula, debe ser el diámetro hidráulico, o sea, la diferencia entre el diámetro del conducto mayor y el diámetro del conducto menor

dequiv. = dh - dtpdh

dtp

Caidas de Presión

Cpm : Caida de presión en la mechaSe usa la ecuación de conservación de la energía

Cpm = G x Q2

12032 C2 A 2

C : Constante de orificioG : Densidad del lodo

A : Area equivalented : Diámetro equiv. de orificio

Caidas de Presión

Cpm = G x Q2

7430 C2d 4

Cpm : Caida de presión en la mecha

Diámetro equivalente de orificio de la mecha:Deq = ( d1

2 + d22 + d3

2 ) 0.5 ( Orificios

diferentes )Deq = ( 2d1

2 + d22) 0.5 ( 2 orificios iguales y uno diferente )

Deq = ( 3d12) 0.5 ( 3 Orificios iguales)

Caidas de Presión

Programa Hidráulico :Factores que influyen en la presión requerida:

.- Areas en el sistema.- Caudal de circulación.- Longitud del sistema.- Propiedades del lodo

Programa HidráulicoAreas en el

sistema :A menor area Mayor presión requerida

Ejemplo: Q = 400 Gal /

min4 ½ “ Prequerida = 564 lbs /

pulg2

3 ½ “ Prequerida = 2745 lbs / pulg2

Al aplicar mayor presión, la tasa de penetración puede mejorar, reduciendo el diámetro de la tuberia o el diámetro de los jets o chorros de la mecha

Presión en la mecha y tamaño de los jetsVelocidades mayores en los jets de la mecha pueden obtenerse utilizando orificios con areas pequeñasSi la tasa de circulación es la misma, mientras mas pequeño sea el orificio, mayor sera la presión y la velocidad varía de acuerdo a las siguientes proporciones :Si el area del jet se reduce a la mitad, la velocidad se duplica

Planificación del

Programa

Perdidas de presión mínimas en varios sitios

Máxima presión en la mecha a velocidades no menores de 225 pies/seg

Programa Hidráulico

Caudal de Circulación:Mientras mas grande sea el volúmen del fluido que se desea circular, mayor será la presión que deberá aplicarse

Volúmen del fluido = Caudal

4 ½ “

100Lpc

100 gpm

4 ½ “

350Lpc

200 gpm


Longitud del Sistema :

4 ½ “

30Lpc

100 gpm

1000´

4 ½ “

60Lpc

100 gpm

2000´

Para una tuberia de cualquier longitud y un mismo caudal, la presión es la misma por cada pie de tuberia a traves de la cual el lodo circula


Propiedades del LodoDensida

dResistencia al movimiento

800 Lpc 100 gal

8.0 Lpg

1000 Lpc 100 gal

10.0 LpgPara lodos pesados se requiere mayor presión

Altos valores de viscosidad (alto contenido de solidos)

Mayores requerimientos de presión


Programa HidráulicoPara realizar el diseño hidráulico hay que

tomar en cuenta los siguientes factores: Velocidad del fluido de perforación por los orificios de la mecha Velocidad minima de ascenso del fluido por el espacio anular entre hoyo y tuberia de perforación Potencia hidráulica en la mecha Impacto hidráulico originado por el fluido al chocar con la formación

Estos factores dependen del equipo que se tenga en superficie y de la distribución de la potencia de la bomba, para que la máxima potencia este aplicada en la mecha

Programa HidráulicoEcuación de

Potencia:HPsup = HPmecha + HPsistHPsup = Pmecha Q + Psist Q

1714 1714

HPsup = Q ( Pmecha + P sist ) 1714

Si se desea mantener HPsup constante, se debe variar la presión en la mecha o el gasto de la bomba

Si se mantiene la presión en la mecha constante, entonces el gasto de la bomba debe decrecer y la presión en la superficie crece


Método de la máxima presión en la mechaPmecha

ConstantePsup = Psist + Pmecha

Pmecha = Psup - Psist

Sostiene este metodo, que se puede mantener una presión en la mecha igual al 65% de la presión disponible en superficie y que en el sistema solo se gasta el 35 % de dicha presión

Programa HidráulicoMétodo de la máxima presión en

la mechaEl gasto optimo será:

Qopt = Q´ 0.35 x PsupP´ sist

0.538

P´sist = Caida de presión en todo el sistema (excluyendo la mecha)Q ´= Gasto supuesto

Qopt nunca debe ser menor que el gasto originado por la velocidad minima de ascenso del fluidoQ = 2.448 V (dh2- dt2)

Y tampoco puede ser mayor que el gasto permitido por las características de la bomba

Q = 1714 ( HP ) / P

Programa HidráulicoMétodo del máximo impacto

hidráulicoSe basa en el impacto que se origina en el fondo del pozo cuando el fluido de perforación abandona la mecha y choca contra la formación

Es función de

Masa que pasa por los orificios porunidad de tiempoVelocidad de dicho fluido

IH = 5.18 x 10 -4 Q G V

Programa HidráulicoMétodo del máximo impacto

hidráulicoSe deben tener ciertas condiciones óptimas de operación:a) Al iniciar la perforación, mantener potencia en superficie constante, aumentando presión en superficie, entonces la caida de presión en la mecha puede ser el 74% de la presión en superficie, para que la potencia gastada en el sistema sea el 26% de la potencia disponible en superficieGeneralmente se utilizan dos bombas en paralelo para poder conseguir mayor caudal

b) La presión en superficie no puede aumentar indefinidamente. Manteniendo la presión en superficie constante, se puede continuar la perforación hasta que la caida de presión en el sistema llegue al 52% de la presión de superficieSe consigue manteniendo el gasto mínimo


Método del máximo impacto hidráulicoSe deben tener ciertas condiciones óptimas

de operación:.c) Mantener constante la caida de presión en el sistema igual al 52% de la caída de presión en superficie y dejar decrecer el gasto hasta que alcance el valor del gasto mínimo.Si se desea continuar perforando, es necesario mantener gasto minimo constante, aumentando la caida de presión en el sistema. La presión disponible para la mecha va decreciendo y es necesario aumentar el diámetro de los orificios de la mecha; en ese momento, el Impacto hidráulico no es suficiente y por consiguiente la perforación no es óptima. Se puede resolver colocando dos bombas en serie para conseguir mayor presión

Bomba A operando solaValvulas abiertas: 1, 2, 5Valvulas cerradas: 3, 4, 6, 7, 8

Bomba B operando solaValvulas abiertas: 3, 4, 6, 8Valvulas cerradas: 1, 2, 5, 7

Operando en paraleloValvulas abiertas: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8

Valvulas cerradas: 7Operando en serie

Valvulas abiertas: 3, 4, 5, 7, 8Valvulas cerradas: 1, 2, 6

2 1

5

6 7

8

3 4

Succión

Succión

BOMBA A

BOMBA B

DescargaTanque

de Succió

n

Programa HidráulicoComo preparar un diseño hidráulico

por el método del Máximo Impacto HidráulicoCalcular la caida de presión en el sistema:Se procede de igual forma que para el método de máxima presión en la mecha. (suponer un gasto). Con ese valor de gasto, calcular caidas de presión para cada sección del sistema y para las profundidades programadas . Calcular gasto minimo a partir de la velocidad mínima de ascenso del fluido. Calcular gasto máximo a partir de las caracteristicas de la bomba

. Suponer un gasto y proceder a calcular la caida de presión en el sistema


Como preparar un diseño hidráulico por el método del Máximo Impacto HidráulicoDeterminar las condiciones de diseño:Calcular la caida de presión minima que se debe permitir en el sistema. Esta presión es igual al 26% de la presión en superficieCalcular la caida de presión máxima que se debe permitir en el sistema. Esta presión es igual al 52% de la presión en la superficieProceder de la misma forma para potencia

Programa HidráulicoPreparar un cuadro de condiciones

óptimas en papel doble logarítmico de dos ciclos por un cicloGraficar la caida de presión en el sistema contra el gasto supuesto por cada profundidadIdentificar el limite de condiciones óptimas de trabajoLeer gasto óptimo y su correspondiente caida de presión para cada profundidad, donde las lineas graficadas según el paso 4, cortan el limite óptimo de operación Con los valores leidos en el paso anterior, se continua preparando el programa igual al método de la máxima presión en la mecha

Hydraulic

Engineering

Transcript of Hydraulic