Reología del fluido de perforación. VII Parte (Limpieza efectiva del hoyo)

En múltiples ocasiones escuchamos hablar en el mundo de la perforación de pozos acerca de la limpieza efectiva del agujero, es decir de la importancia de contar con un fluido de perforación que logre transportar los recortes de perforación (ripios) de manera efectiva desde el fondo del pozo hasta la superficie.

Es el lodo de perforación el encargado de realizar esta función, sin embargo la pregunta importante que rodea este entorno es:

¿Qué propiedades reológicas actúan eficientemente sobre el transporte del ripio?

Para responder a esta interrogante, es importante analizar y revisar en primera instancia todos los mecanismos básicos involucrados en este proceso de transportar los ripios de perforación desde el fondo hasta la superficie. Por ejemplo si nombramos la tasa de bombeo a la cual la bomba de lodo mueve y transporte el lodo de perforación desde los tanques activos hasta la superficie, estaríamos en la obligación se asociar este proceso a la de generar una columna de lodo con capacidad ascendente, en el que el lodo acarrea partícula sólidas (ripios de perforación) para que de esta forma actúen otras propiedades físicas como: velocidad del fluido, viscosidad del lodo, capacidad de gel y presión de bombeo.

Si el lodo de perforación se encuentra en reposo, es decir sin estar en circulación en el pozo, se tiene un fenómeno dentro del pozo que es necesario reducir o eliminar, y es el de que el ripio descienda por la acción de la gravedad y adquiera una alta velocidad de asentamiento, o mejor conocida como velocidad de asentamiento terminal, esta velocidad de asentamiento terminal va a depender de la diferencia existente entre la densidad del ripio y la densidad del lodo, no solamente las diferencias de densidades entre ripio y fluido, sino también el tamaño y forma que tenga el ripio, la viscosidad del lodo, y sobre todo si la tasa de caída es suficiente para causar turbulencia en la vecindad inmediata del ripio, ya que esta turbulencia cercana al ripio es el que lo va a transportar hacia la superficie mientras el lodo esté en circulación.

En conclusión para describir un estudio generalizado de las variables que influyen en un transporte efectivo del ripio, y una óptima limpieza del hoyo, resulta necesario explicar en este artículo una serie de ecuaciones asociadas a la turbulencia asociada anteriormente, en donde podemos analizar la ecuación del Número de Reynolds, velocidad de asentamiento terminal del ripio de perforación, densidad del ripio, entre otras más.

Una vez que se analicen y estudien todos los factores que se desenvuelven alrededor del ripio de perforación, podemos ajustar ciertos parámetros físicos como velocidad anular, en donde podemos ver las diferentes relaciones de transporte de corte a diferentes valores de velocidades cuando se usan distintos fluidos de perforación.

Ecuaciones involucradas en la limpieza del hoyo

En el caso de esferas, que caen a través de un líquido Newtoniano, podemos calcular el Número de Reynolds mediante la siguiente ecuación:

Para poder determinar el comportamiento de flujo en la vecindad del ripio, es necesario que calculemos el número de Reynolds. En la ecuación descrita anteriormente, podemos definir los siguientes términos:

- dp: es el diámetro de la esfera que representa la partícula de ripio.

- Vt: es la velocidad final con la que la partícula (ripio) logra asentarse.

- ρf: es la densidad del lodo de perforación.

- μ: es la viscosidad del lodo de perforación.

Analicemos las diferentes variables para este tipo de cálculo para el Número de Reynolds, el diámetro del ripio se puede obtener, mediante un promedio en la medición que realizan las compañías de servicio de mud logging en las operaciones de muestreo del ripio, por lo que este resultado es manejable para aplicar esta ecuación.

La densidad del lodo de perforación es una variable obtenida y medida por los ingenieros de lodo empleando la balanza del lodo, y que junto a la viscosidad resultan parámetros del lodo que se pueden obtener de las pruebas realizadas cada cierto tiempo mientras se perfora.

Ahora bien, es la velocidad de flujo terminal la que podemos desarrollar mediante la ley de Stokes, la cual expresa que:

En esta ecuación ρp es la densidad de la partícula. Bajo condiciones de flujo turbulento, la velocidad de asentamiento terminal está dado por la ecuación de Rittinger:

La predicción de la velocidad terminal de los cortes de perforación es mucho más difícil, por un lado, existe una amplia variedad en los tamaños de las partículas de ripios, aunado a esto la geometría de las particulares es de forma irregular. Por otro lado también existe la naturaleza no-Newtoniana de la mayoría de los lodos de perforación usados en la perforación de pozos.

Con esto lo que quiero decir es que no solamente es cuestión de sustituir datos para encontrar la velocidad terminal de los cortes de perforación, si no que sus variables están envueltas por una serie de dificultades para poder conseguir con exactitud la densidad aproximada del ripio, mientras que al mismo tiempo el comportamiento de flujo de la mayoría de los lodos de perforación son no-Newtonianos.

Las velocidades terminales en flujo turbulento son algo más fáciles de determinar, debido a que, la tasa de caída no es afectada por las propiedades reológicas del fluido de perforación. Debido a esta circunstancia se ha propuesto la siguiente ecuación para la caída de partículas planas cayendo con la cara hacia abajo (es la orientación normal para una caída en el comportamiento de flujo turbulento).

Las velocidades terminales predichas con la ecuación para la caída de partículas planas con orientación turbulenta, correlacionan bien con los datos experimentales obtenidos con cortes artificiales de tamaño y formas uniformes. Todo esto se hace con la orientación de irse acercando a la ecuación que modelo más medianamente el comportamiento real en el proceso de perforación en relación con la velocidad terminal de los cortes de perforación.

Sin embargo el procedimiento más simple, para determinar la velocidad de asentamiento de los cortes de perforación de interés es por experimento directo, es decir en el campo, mientras se perfora y se recolectan los ripios de perforación.

Las velocidades de asentamiento en el lodo de perforación, una capa de un líquido transparente de mayor densidad que el lodo, sería colocado en el fondo de la columna de asentamiento, para poder ver cuando la partícula alcanza el fondo. La siguiente figura muestra algunas de las velocidades de asentamiento de cortes de perforación de lutitas, que caen a través del agua:

En un pozo de perforación de petróleo, cuando se para la circulación del lodo de perforación, los cortes se asientan bajo condiciones estáticas. Cuando el lodo de perforación tiene un comportamiento newtoniano, la velocidad de asentamiento es finita, sin importar cuan viscoso sea el lodo de perforación, y que debido a la enorme longitud de la columna de asentamiento, sólo una pequeña porción de los cortes alcanza el fondo, a menos que la viscosidad se acerque a la del agua.

En un fluido, no Newtoniano, la velocidad de asentamiento depende de la diferencia entre el esfuerzo creado por la diferencia de gravedad entre las diferencias de la densidad de la partícula de ripio - densidad del fluido de perforación y la resistencia de gel del lodo (s). Cuando el esfuerzo es menor, entonces la velocidad terminal de asentamiento es cero, y el corte llega a estar suspendido.

La resistencia inicial de gel es muy baja para suspender cortes grandes y la suspensión depende del aumento de la resistencia del gel con el tiempo.

En una columna de fluido de levantamiento, una partícula se moverá hacia arriba, si la velocidad del fluido es mayor que la velocidad de asentamiento de la partícula.

Volvemos a notar la influencia que tiene la velocidad en el transporte del ripio, más que cualquier otra propiedad, la velocidad que adquiera el lodo debe ser mayor que la de asentamiento experimentado por el ripio, para que de esta manera el lodo pueda levantar los cortes hasta la superficie.

Sin embargo, la partícula se asienta en la columna de levantamiento, tal que, la velocidad de subida del corte es menor que la velocidad anular. Se ha definido la eficiencia de limpieza del hoyo, en términos de la relación de transporte, derivada como sigue:

Donde Ve es la velocidad de levantamiento neta del corte, Va es la velocidad anular, y Vs es la velocidad de asentamiento del corte. Dividiendo ambos lados de la ecuación Va, obtenemos lo siguiente:

Luego se empezó a gestar otras mediciones referentes al decrecimiento existente en la relación de transporte de cortes de perforación de manera artificial con el número en la velocidad anular, bajo condiciones simuladas al pozo. Todo con esto con la intención de simular y ajustar alguna correlación matemática que ayudará a encontrar una ecuación que optimizará esa relación del transporte del ripio hacia la superficie.

En el gráfico mostrado, podemos observar un comportamiento de remoción de cortes a velocidades bajas en el espacio anular, en el que la relación entre la velocidad anular y la relación del transporte de los cortes de perforación tienden a nivelarse a medida que la velocidad anular aumenta, y que, a una velocidad dada, la relación es dependiente en muy alto grado de la viscosidad del lodo.

Una razón por la cual se obtiene una pobre eficiencia de transporte se debe a que los cortes de roca, cuya forma geométrica es de forma plana, tienden a reciclar localmente, esta acción de reciclamiento se presume que es causada por una forma parabólica de la distribución de velocidad en el espacio anular cuando el flujo es laminar, ocasionando en el corte aplanado fuertes desigualdades.

En consecuencia los cortes, dan vuelta alrededor de los extremos (paredes del hoyo – tubería de perforación) hasta que logran migrar hacia los lados del espacio anular, donde descienden alguna distancia antes de migrar de nuevo hacia el centro.

Conclusión

En forma general la limpieza del hoyo y el óptimo transporte del ripio desde el fondo hasta la superficie, resulta un tema de especial importancia dentro de las operaciones de perforación. Son las propiedades reológicas del fluido aunadas a ciertas propiedades físicas como la velocidad del lodo en el espacio anular variables claves a mejorar para lograr un transporte efectivo de los cortes de perforación.

El aporte que realiza la existencia de las diversas ecuaciones mostradas en este artículo van a orientadas a satisfacer una mejora en la tasa de penetración, ya que si el transporte de los ripios se dan de forma eficiente la rapidez de perforación aumentara.

La otra importancia que tienen estas ecuaciones es que ajustan y optimizan los valores de velocidad que debe tomar el fluido en el espacio anular para superar la velocidad de terminación y asentamiento de los cortes de perforación.

De los puntos tratados en este post, podemos concluir que el descenso hacia debajo de los cortes de perforación es causado parcialmente por la baja velocidad prevaleciente en las paredes, y parcialmente por la orientación de los extremos del corte.

En general, la rotación de la sarta de perforación mejora la relación de transporte del ripio, debido a que imparte movimiento helicoidal a los cortes en las cercanías de la tubería de perforación. Teóricamente, el flujo turbulento mejoraría la relación de transporte, debido a que el perfil de velocidad aplanado, elimina el momento de rotación de la partícula, sin embargo experimentalmente se ha logrado demostrar que este comportamiento no tiene consistencia, probablemente debido a las diferentes condiciones experimentales existentes, tales como el tamaño y la forma del corte.

A medida que la perforación vaya evolucionando en optimizar el proceso del transporte del ripio de perforación mediante el estudio reológico del fluido de perforación, se pueden llegar a minimizar costos asociados a problemas en la perforación de pozos como la pega de tubería acumulación de cortes de perforación por encima de la mecha de perforación, hasta el punto que la perforación y rotación del sarta se detiene por completo.

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.

Referencias recomendadas

[1] [Efectos de los fluidos en el proceso de perforación](https://www.clubensayos.com/Ciencia/Efectos-de-los-fluidos-en-el-proceso-de/3248458.html)

[2] [Limpieza del pozo](https://es.scribd.com/doc/219720123/Limpieza-Del-Pozo-LIMPIO) __________________________________________________________________________________________________________

Nota: todas las imágenes, incluyendo la edición de las ecuaciones, son de mi autoría. Fueron elaboradas empleando las herramientas de diseño de Microsoft Word 2010 y Microsoft PowerPoint 2010, también se utilizó para las imágenes Gif el programa PhotoScape Setup V3.7 __________________________________________________________________________________________________________

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