Método de campo. Diseño hidráulico // Ejercicio aplicado
Introducción
Esta técnica gráfica la podemos resumir como un método de programas precalculados, como lo mencione anteriormente el método gráfico tiene sus desventajas a consecuencia de que si alguna variable como: caudal de bomba, diámetro de tubería de perforación, densidad del lodo, cambia, a esa misma proporción varía las caídas de presión en el sistema de circulación.
Por lo tanto el método gráfico como sistema de programas precalculados solo debe usarse cuando las condiciones del pozo y del equipo no cambien, es decir cuando las condiciones de pozo y equipo se mantengan constantes. Otra forma de ser vista la aplicación de los métodos cuyos programas son precalculados es que pueden ser usados cuando las condiciones del pozo y del equipo sean las mismas que las usadas en el programa de perforación.
Cuando se elabora un programa de perforación, se toman en cuenta las condiciones más favorables y estimadas desde el punto de vista geológico, presiones de formación, curva de densidad del lodo, condiciones de los equipos de perforación, entre otros. Todos los involucrados en las operaciones de perforación de pozos sabemos que la geología de las formaciones del subsuelo varían a razón de las presiones de formación, por lo que se debe variar muchas veces la densidad del lodo. Lo otro importante es que muchos de los equipos de perforación no se encuentran al 100% de su capacidad.
En conclusión las condiciones idóneas para aplicar un método de programas precalculados no se tienen en su totalidad, por lo que realizar un diseño hidráulico en base a este método involucra no obtener los resultados esperados.
Es a partir de este punto donde los problemas operacionales hacen cambiar la configuración de las condiciones según el programa de perforación, por lo que el tener que cambiar la sarta de perforación, propiedades del lodo de perforación, bombas de lodo, requiere el uso del método de campo para el diseño hidráulico en la perforación de pozos.
Vídeo introductorio
Antes de la lectura y comprensión del método de campo en el diseño hidráulico los invito a visualizar el vídeo introductorio, donde básicamente se explica ligeramente la importancia y la razón del uso del método de campo en el diseño hidráulico.
Aplicación del método de campo
Cuando ocurre algún evento que amerite un cambio en cualquiera de los componentes del taladro como: cambio de mecha, bomba de lodo, diámetro de la tubería, entre otros,resulta necesario realizar un ajuste tomando en consideración las siguientes recomendaciones:
[1] Medir la presión de las bombas en la descarga a dos velocidades (emboladas/minuto) diferentes de las bombas y sus respectivos caudales
En base a la experiencia operacional en la perforación de pozos, el procedimiento para medir la presión de las bombas a dos velocidades distintas en emboladas por minuto, hay que subir a la planchada (parte de la torre de perforación) y darle la orden al perforador que coloque por ejemplo las dos bombas a 30 emboladas/minuto cada una, se mira el manómetro de presión (presión de bomba) y se anota en el tally (agenda de cálculo del ingeniero de operaciones de perforación) la lectura de presión de bomba. Luego que se anote la presión de bomba a la velocidad de 30 emboladas /minuto, se le pide al perforador a pagar las bombas de lodo para estabilizar la circulación en el sistema, una vez estabilizada, se pide prender las bombas de lodo a una velocidad superior, por ejemplo pudiera ser 50 emboladas por minuto cada bomba, a esa velocidad se anota la presión de bomba.
[2] Determinar las caídas de presión en la mecha a los dos caudales equivalentes a las emboladas por minutos
Para determinar las caídas de presión utilizamos la siguiente ecuación:
Siendo este uno de los cálculos base para todos los demás que siguen en el método de campo, quiero compartir con ustedes el siguiente vídeo en donde se explica un ejemplo de cómo calcular la caída de presión en la mecha de perforación:
[3] Determinar la caída de presión en el sistema de circulación excluyendo la mecha de perforación
Las caídas de presión el sistema de circulación del fluido de perforación se calculan hallando las pérdidas de presión en todo el sistema (caída de presión en superficie + caída de presión dentro de la tubería de perforación + caída de presión en la mecha de perforación + caída de presión en el espacio anular) a dos velocidades de bomba de lodo, luego se le resta las pérdidas de presión en la mecha de las presiones obtenidas en la descarga.
[4] Calcular el exponente n
Para calcular el exponente n, resulta necesario aplicar la siguiente ecuación:
∆Pc1: Caída de presión en el sistema de circulación a la primera velocidad de bomba de lodo elegida.
∆Pc2: Caída de presión en el sistema de circulación a la segunda velocidad de bomba de lodo elegida.
Q1: Caudal correspondiente a la primera velocidad de bomba, medido en galones/minuto (GPM).
Q2: Caudal correspondiente a la segunda velocidad de bomba, medido en galones/minuto (GPM).
Debemos tener presente que las caídas de presión en el sistema de circulación deben excluir las caídas de presión en la mecha, y que los caudales 1 y 2 sean los mismos que se calcularon para calcular la caída de presión en la mecha.
[5] Calcular la caída de presión optima empleando el criterio de máxima potencia hidráulica
Para este cálculo es aconsejable aplicar el criterio de máxima potencia hidráulica en la mecha, para ello se calcula la caída de presión óptima en el sistema de circulación (excluyendo la mecha), aplicando la siguiente ecuación:
Para esta ecuación podemos considerar a la presión máxima de la bomba de lodo como el valor de presión existente cuando las bombas de lodo que se tengan operativas en el taladro están bombeando a la máxima velocidad de emboladas por minuto, es en ese momento cuando debemos anotar los valores de presión de bomba, siendo este valor el que vamos a emplear en la ecuación de la caída de presión óptima.
En el caso del valor del exponente n, debemos utilizar el valor que calculamos en el paso número 4.
h4>[6] Calcular la constante k de la ecuación de presión de circulación
Existe una ecuación que expresa la forma para poder calcular la presión en el sistema de circulación que involucra una constante k y caudal de bomba elevado al exponente n, de dicha expresión es de donde se despeja y se encuentra el valor k.
Si despejamos la constante K, nos queda la siguiente expresión:
Para calcular la constante k, sustituimos uno de los valores de caída de presión de la parte [4] y la dividimos entre el caudal de bomba a la velocidad de bomba que se eligió para el valor de caída de presión en el sistema de circulación.
[7] Calcular el caudal óptimo
Para calcular el caudal óptimo empleamos la ecuación que involucra la presión de circulación óptima, la constante k y el exponente n. Para ello utilizamos la siguiente ecuación:
El valor de caudal óptimo se calcula dividiendo el valor de la presión de circulación del sistema de circulación óptima entre el valor de la constante k, y todo este resultado lo elevamos al exponente de la expresión 1/n.
[8] Calcular la caída de presión óptima en la mecha de perforación
Para calcular la caída de presión óptima en la mecha de perforación debemos restar el valor de la presión óptima del sistema de circulación al valor de la presión máxima de la bomba de lodo, esto se traduce en la siguiente ecuación:
Desde el punto [1] hasta el [8] hemos realizado una serie de cálculos necesarios para llegar a un objetivo final, que no es más que calcular el área de los chorros de la mecha de perforación, para calcular el área de los chorros de la mecha debemos tener los valores de:
- Densidad del lodo de perforación.
- Caudal óptimo de la bomba de lodo (Qopt).
- Caída de presión óptima en la mecha de perforación (∆Pmopt).
Situación está que nos hace caer en dos punto finales para cumplir definitivamente con el método de campo, que son:
[9] Calcular el área de los chorros de la mecha de perforación
Con el caudal óptimo y la caída de presión óptima en la mecha se calcula el área de los chorros tal y como sigue:
[10] Seleccionar la combinación de tamaños de chorros correspondientes existentes en el mercado acorde o equivalente al área total de los chorros
Generalmente los mismos proveedores de las mechas de perforación como la Baker Hughes, Halliburton, Weatherford y Schlumberger, por solo nombrar algunas compañías suministran catálogos con los diferentes mediadas de chorros de mecha que varían desde 1 chorro, 2 chorros y 3 chorros, la selección consiste en elegir el diámetro de los chorros medidos en pulgadas o mm acorde con el valor de área de los chorros que nos haya dado en el paso [9].
Para poder colocar un ejemplo de cómo se realiza la selección del tamaño de los chorros en base al valor de área de los chorros de la mecha de perforación, les voy a presentar un modelo de cómo sería una tabla que muestre estos datos:
El análisis que se debe hacer, sobre todo a criterio personal, si se es ingeniero de operaciones, se debe poseer esta tabla para aligerar los cálculos y que la selección sea más confiable y segura, sin embargo un ingeniero nunca debe perder el horizonte de saber de dónde salen los valores, para ello quiero dar una breve explicación para que vean de donde salen ese valor del tamaño de los chorros aunado al valor del área de los chorros.
Lo primero que debemos saber es que el chorro de la mecha es una pieza cilíndrica, por lo tanto su parte transversal es un circulo, por lo que el resultado del área de los chorros es el área de un circulo, por lo que si nos planteamos la ecuación geométrica para calcular el área de un circulo, y de allí despejamos el diámetro, nos dará el valor del tamaño del chorro para dicha área del chorro de la mecha de perforación, para entender un poco lo referido les invito a visualizar la siguiente imagen gif:
Conclusiones, recomendaciones y aporte a la ingeniería
El método de campo para realizar ajustes en lo que a diseño hidráulico refiere, resulta muy útil en sitio, sobre todo cuando vamos a realizar un cambio de mecha de perforación, ya que al realizar el cambio de mecha no sabemos qué tamaños de chorros son los que mejor se adecuan a las condiciones actuales del pozo, para ello el método de campo emplea una serie de ecuaciones, de la cuales muchas ya las he trabajado anteriormente.
Este método nos ayuda a optimizar la distribución del tamaño de los chorros en base al cálculo del área total de los chorros, que es el objetivo fundamental del método, para iniciar con la aplicación del método es muy importante calcular idóneamente la caída de presión en la mecha de perforación en base a las presiones de bomba que se registren en la descarga en base a dos velocidades de bomba en emboladas/minuto, en donde se debe elegir una velocidad al mínimo de la capacidad de la bomba de lodo y otra al máximo de su capacidad.
Resulta primordial también tener a mano siempre anotado todas las especificaciones de la bomba de lodo, como diámetro de la camisa y la longitud de la carrera del vástago y su respectivo diámetro si es una bomba de acción doble (DUPLEX).
Para comprender la aplicación del método y su campo de aplicación, quiero mostrarles el siguiente vídeo, en donde se tienen las condiciones simuladas de un pozo, tomando en cuenta la densidad del fluido de perforación, las especificaciones de una bomba de lodo duplex, la presión máxima y mínima en superficie a dos velocidades de bomba, el diámetro del hoyo.
En el ejercicio propuesto se desea optimizar la distribución del tamaño de los chorros en base al método de campo, tomando en cuenta el área total de los chorros de la mecha que se está usando antes del cambio de la mecha.
Vídeo: Ejercicio aplicado. Todos los pasos del método de campo
Referencia consultada
Manual de perforación de Pozos. Programa de Postgrado en ingeniería de petróleo. Centro de Adiestramiento de Petróleos de Venezuela y sus filiales.
Fuentes y recursos utilizados
- Todas las imágenes y vídeos mostrados en la publicación son de mi autoría.
- Para la elaboración de las imágenes se emplearon las herramientas de diseño de Microsoft Word y Microsoft Power point.
- Las Ecuaciones mostradas fueron elaboradas aplicando las herramientas de inserción de ecuaciones de Microsoft Word.
- Para la elaboración de la imagen gif use el programa para imágenes gif: PhotoScapeSetup_V3.7.
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Ya con esta publicación amigos cierro mi capitulo referido a la serie temática dedicada al diseño hidráulico, esperando que esta y otras publicaciones logren estar a la altura de las expectativas de la plataforma y todas las comunidades y usuarios que apoyan el contenido en el área de la ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas.
Saludos y hasta una próxima entrega.
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Gracias compañero @carlos84 por compartir este contenido de un buen nivel y tu experiencia en esa diciplina saludos
Gracias a ti amigo @newton666 por comentar positivamente acerca de esta publicación referida al método de campo en el diseño hidráulico. Saludos
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