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Fluidos de perforacion

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fluidos de perforacion petrolera por el ingeniero esteban casanova

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Fluidos de perforacion

  1. 1. Principios BásicosPrincipios Básicos dede Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación
  2. 2. RESEÑA HISTORICA * Heggen y Pollard (1914): Mezcla de agua con material arcilloso que permanece suspendido durante un tiempo considerable. * Lewis y Mc Murray (1916): Mezcla de agua con materiales arcillosos que permanece suspendido durante un tiempo considerable y que esta libre de arena, ripio o materiales similares. * Strond (1921): Establece el uso de aditivos y la utilización de Barita y Oxido de Hierro para densificar el lodo. * En 1929 aparece la Bentonita como agente suspensivo y gelificante * En 1931, Marsh mide la viscosidad del lodo mediante el Embudo Marsh. * En 1937 se utiliza el Filtroprensa para medir la perdida de filtrado del lodo
  3. 3. Remoción de los cortes o ripios Control de las presiones de formación. Limpiar, enfriar y lubricar el equipo de perforación. Proteger la productividad de la formación. Prevenir derrumbes de formación. Suspender solidos cuando se detiene la circulación. Transmitir energía hidráulica a través de la mecha. Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación. Ayuda en la evaluación de formaciones (Registros). Sirve como transmisor de información sobre la perforación Funciones de los Fluidos de Perforación
  4. 4. Densidad del ripio Tamaño de las partículas o derrumbes. Forma de la partícula. Densidad del fluido. Viscosidad del fluido. Velocidad del fluido en el espacio anular Depende de: Si no se cumple lo anterior, se tendrán problemas operacionales como puentes, rellenos, arrastre o pega de tubería. Veloc. anular debe ser mayor que la Veloc. de caída del ripio Remoción de los cortes o ripios 33
  5. 5. Arremetida Control de presiones de formación Perdida de CirculaciónSi Dlodo > Pformación Si Dlodo < Pformación SUBNORMAL ANORMALNORMAL 0.433 Gradiente de presión del agua dulce 0.466 Gradiente de presión del agua salada Ph = 0.052 * Dl * H ( Lpg )
  6. 6. Limpiar, enfriar y lubricar el equipo Lodo Limpieza de la mecha Limpieza del ensamblaje de fondo Enfriamiento del equipo Lubricación (aceites, surfactántes, detergentes )
  7. 7. Proteger la productividad de la formación DAÑO A LA FORMACION Invasión del filtrado Reducción de la Permeabilidad Lodo Baja o ninguna productividad
  8. 8. Prevenir derrumbes de formaciónPrevenir derrumbes de formación Presión Hidrostática ayuda a mantener las paredes del pozo DERRUMBES Ruptura de la formación (mecha, estabilizadores, etc) Erosión del hoyo por alta Velocidad Anular Formaciones con buzamiento alto Reacciones osmóticas en la formación Formaciones con presiones anormales Formaciones de sales solubles
  9. 9.  Densidad de las partículas.  Densidad del lodo  Viscosidad del lodo.  Resistencia de gel del lodo Durante los cambios de mecha, paradas de bombas de lodo, los ripios deben estar suspendidos. La tasa de asentamiento de los ripios dependerá de: Suspender los solidos perforadosSuspender los solidos perforados
  10. 10. Depende de un buen diseño hidráulico Fluido a alta velocidad Fuerza de impacto Remoción de cortes Mejor limpieza del hoyo Mayores tasas de penetración Transmitir energía hidráulica a través de la mecha Jets de la mecha
  11. 11. Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación Factor de flotación Disminuye el peso de la tubería Evaluación de formaciones: ( Registros ) Hay que mantener ciertas propiedades del lodo como: * Viscosidad * Filtrado * Calidad de los fluidos * Revoque Ff = (1-Dl / 65.4)Ff = (1-Dl / 65.4)
  12. 12. Durante la perforación: . Conductividad . Contenido de gas . Análisis de muestras Después de la Perforación: . Registros Eléctricos Transmitir e informar sobre la perforación
  13. 13. Composición de los lodos Fase liquida + Fase solida + Aditivos Químicos Agua o Aceite Reactivos (Arcillas comerciales, solidos perforados hidratables) Inertes (Barita, solidos perforados no reactivos, Arena, Calizas, Sílice, Dolomita) . Fosfatos . Pirofosfatos . Tetrafosfatos . Taninos . Corteza de Mangle . Quebracho . Lignitos . Lignosulfonatos . Bicarbonato deSodio . Soda Caustica . Humectantes . Surfactantes . Otros
  14. 14. Reología de los Fluidos Deformación de la Materia Todas las propiedades de flujo dependen de la interrelación de la Tensión de Corte y la Velocidad de Corte Velocidad de corte Tensión de corte
  15. 15. Tipos de Fluidos Velocidad de Corte Newtonianos: “ Son aquellos donde la tensión de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte “ Agua, Diesel, Glicerina m TensióndeCorte Tc= m x Veloc.corte donde: m: Pendiente Viscosidad Constante Tc: Tensión de Corte
  16. 16. No-Newtonianos: “ Requieren cierta Tensión de Corte para adquirir movimiento” (Punto Cedente verdadero) TensióndeCorte Velocidad de Corte Viscosidad Variable depende de : . Tipo de Fluido . Veloc de Corte Visc= Tc / Vc Tipos de Fluidos
  17. 17. Modelos Reológicos: Permiten explicar el comportamiento del lodo Modelo Plástico de Bingham Viscosímetro de dos velocidades 300 600 Viscosidad Plástica VP= F600 - F300 Punto Cedente PC= F300 -VP
  18. 18. Modelo de la Ley Exponencial A velocidades bajas de corte, las Tensiones de Corte obtenidas del modelo de Bingham superan las verdaderas Tensiones de Corte verificadas en el lodo Este modelo esta basado en las lecturas obtenidas a 300 y 600 rpm cuyos valores corresponden a la siguiente ecuación: F = K x P n K: Factor de consistencia del flujo laminar n: Indice de Comportamiento del flujo laminar
  19. 19. Factores que afectan a la reología Temperatura Viscosidad Presión: Poco afecta a las propiedades reológicas Tiempo Gel Deposición de solidos Degradación del Lodo
  20. 20. Propiedades básicas de los fluidos Viscosidad Plástica: Resistencia al flujo causada por fricción mecánica entre los sólidos presentes en el fluido AFECTADA POR Concentración de solidos Tamaño y forma de las partícula Viscosidad de la fase fluida
  21. 21. Densidad del lodo “ Peso por unidad de volumen, esta expresado en libras por galón, libras por pie cúbico, etc ” Depende del fluido usado y del material que se le adicione La densidad del lodo debe ser suficiente para contener el fluido de la formación, pero no demasiado alto como para fracturar la formación
  22. 22. Punto Cedente ( Yield Point )Punto Cedente ( Yield Point ) “ Resistencia al flujo causada por las fuerzas de atracción entre partículas sólidas del lodo. Es consecuencia de las cargas eléctricas sobre la superficie de las partículas dispersas en la fase fluida” DEPENDE DE Concentración iónica de las sales contenidas en la fase fluida Cantidad de Solidos Tipo de solidos y cargas eléctricas
  23. 23. Resistencia GelResistencia Gel Fuerza mínima o Tensión de Corte necesaria para producir un deslizamiento en un fluido después que este ha estado en reposo por un período determinado de tiempo” Problemas El no control Retención de gas Presiones elevadas para iniciar circulación Aumento de la velocidad de sedimentación de las arenas y solidos Succión en la sarta de perforación
  24. 24. Perdida de Filtrado LODO Formación Filtrado Depende de:Depende de: . Propiedades de las rocas perforadas. Propiedades de las rocas perforadas . Permeabilidad Tipos de filtración: Estática y Dinámica Revoque
  25. 25. Tipos de Fluidos de Perforación Para un buen diseño del lodo de perforación, se deben considerar los siguientes factores: . Selección adecuada del fluido. . Mantenimiento adecuado ( propiedades ) . Planificación: Tipos de formación, equipos de superficie, disponibilidad de aditivos, etc. Base Agua Base Aceite Aireados
  26. 26. Fluidos Base AguaFluidos Base Agua La fase continua es el agua y es el medio de suspensión de los solidos Existen varios tipos: Lodo de Agua Fresca - no Inhibido Fase acuosa con sal a bajas concentraciones y Arcilla Sódica. Son simples, baratos. aditivos viscosificantes, dispersantes, Soda Cáustica y Barita. Diseñados para perforar zonas arcillosas hasta 220 °F. Muy sensibles a contaminaciones
  27. 27. Este sistema esta conformado de la forma siguiente: • Agua Fresca • Nativos. • Agua - Bentonita • Con Taninos • Fosfatos Lodos de Agua Fresca . Formaciones duras . Agua dulce o salada . Altas velocidades anulares para remoción de solidos Lodo de Agua Fresca -no Inhibido
  28. 28. Se forman al mezclar agua con Arcillas y Lutitas de las formaciones superficiales. Lodos Nativos Son utilizados para perforar zonas superficiales (hasta 1500) Densidades hasta de 10.0 LpgNo requiere de control de filtrado Propiedades reológicas no controladas Continua dilución para prevenir floculación Se deben controlar los sólidos para un efectivo mantenimiento Requieren de continua dilución
  29. 29. Lodos de Agua-Bentonita Es un lodo de inicio de la perforación, constituido por agua y Bentonita recomendado para ser usado hasta 4000´ Características: • Buena capacidad de acarreo • Viscosidad controlada y control de filtrado • Buena limpieza del hoyo • Bastante económico.
  30. 30. Lodos con Taninos - Soda Cáustica Es un lodo base agua con Soda Caustica y Taninos como adelgazantes, pude ser de alto como de bajo Ph. No se utilizan con frecuencia, son afectados por la temperatura Lodos de Fosfatos Es un lodo tratado con adelgazantes ( SAAP ), • Utilizado en formaciones con poca sal o Anhidrita • Máxima temperatura de uso: 180°F • Bajo costo y simple mantenimiento • Muy susceptible a contaminaciones
  31. 31. Lodos de base agua Inhibidos Su fase acuosa permite evitar la hidratación y desintegración de Arcillas y Lutitas hidratables mediante la adición de Calcio Calcio (Cal, Yeso y CaCl2 ) Arcillas Sódicas Mecanismo : Plaquetas de Arcilla Liberación de agua Reducción del tamaño partícula Reducción viscosidad Lodo con mayor cantidad de sólidos y propiedades reológicas mínimas Arcillas Cálcicas
  32. 32. Lodos tratados con Cal Utilizan la Cal ( Ca (OH)2 ) como fuente de Calcio soluble en el filtrado. Composición: • Soda Cáustica • Dispersante Orgánico • Cal • Controlador de filtrado • Arcillas comerciales * Pueden emplearse en pozos cuya temperatura no sea mayor de 250 °F * Soportan contaminación con sal hasta 60000 ppm
  33. 33. Lodos tratados con Yeso Utilizan el Sulfato de Calcio como electrolíto para la inhibición de Arcillas y Lutitas hidratables. Caracteristicas: • Ph entre 9.5 y 10.5 • Concentración de Calcio en el filtrado de 600 a 1200 ppm • Tienden a flocularse por altas temperaturas • Resistentes a la solidificación por temperatura
  34. 34. Lodos tratados con Lignosulfonato Se adhieren sobre la partícula de Arcilla por atracción de valencia, reduciendo la fuerza de atracción entre las mismas y así reducir la viscosidad y la fuerza gel Ventajas de su aplicación: • Mejora las tasas de penetración • Menor daño a la formación • Resistentes a contaminación química • Fácil mantenimiento • Control de propiedades reológicas • Estabilidad del hoyo • Compatible con diversos aditivos • Controlador de filtrado
  35. 35. Lodos en agua salada Son aquellos que tienen una concentración de sal por encima de 10.000 ppm hasta 315.000 ppm La sal aumenta el poder de inhibir la hidratación de Arcillas Se deben utilizar para: • Perforar zonas con agua salada y Domos de sal • Evitar la hidratación de Arcillas y Lutitas hidratables
  36. 36. El uso de este tipo de lodo puede prevenir problemas originados por: Lodos de bajo coloide Son lodos de base agua con Polímeros como agentes viscosificantes y con bajo contenido de Bentonita o compuesto coloidal • Presencia de formaciones solubles de Calcio • Intercalaciones de sal • Flujo de agua salada • Contaminación con CO2 • Presencia de formaciones solubles de Calcio • Intercalaciones de sal • Flujo de agua salada • Contaminación con CO2 Permite obtener grandes beneficios como son: • Incremento de la tasa de penetración • Mejora la limpieza del hoyo • Mejora la estabilidad del hoyo
  37. 37. Lodos Base Aceite Emulsion: Dispersión de partículas finas de un liquido en otro liquido Lodo Inverso Agua ( fase dispersa) Aceite ( fase continua ) No se disuelve en el aceite pero permanece suspendida en forma de gotas pequeñas EMULSION ESTABLE EMULSIFICANTE
  38. 38. Son resistentes a altas temperaturas, no son afectados por formaciones solubles. Lodos Base Aceite Bajas perdidas de fluido Prevenir atascamiento diferencial Reducción de torques en pozos direccionales Controlar y prevenir la hidratación de Arcillas y Lutitas Toma de núcleos Perforación en ambientes corrosivos Perforación de formaciones de baja presión Ventajas
  39. 39. Lodo Base Aceite Componentes: • Aceite ( Gas-oil) • Agua • Emulsificantes • Controlador de Filtrado • Arcillas Organofílicas • Humectantes • Espaciadores • Cloruro de Calcio
  40. 40. Problemas de campo -Análisis y Soluciones * Degradación de componentes químicos (aditivos) . Degradación bacteriana . Degradación Térmica . Degradación por Oxidación ( Oxigeno ) * Contaminación de fluidos de perforación . Con Cemento . Lodo cortado por gas . Con agua salada o sal . Con Calcio . Gelatinización por alta temperatura . Con Anhidrita y Yeso . Con solidos
  41. 41. ContaminacionesContaminacionesContaminacionesContaminaciones Cemento: Producto de las Cementaciones de los revestidores. Es controlable y puede prevenirse con antelación. Sintomas: . Incremento del ph . Aumento tanto de Punto Cedente como del Gel . Incremento de filtrado y presencia de Calcio en el . Revoque grueso y esponjoso . Alta viscosidad de embudo Tratamiento:Tratamiento: Añadir compuestos químicos que reaccionen con el Ion Calcio y puedan removerlo como un precipitado insoluble. Pretratamiento: con 0.5 a 0.75 lbs/bl de Bicarbonato de Sodio.
  42. 42. Lodo cortado por gas Se produce cuando se perfora una zona de gas muy porosa a altas tasas de penetración. El gas al expandirse produce cambios en la Densidad del lodo. Síntomas: . Aumento del volumen del lodo en los tanques . Presencia de burbujas en los tanques . Olor a gas en lineas de flujo . Disminución de la densidad del fluido Tratamiento: . Detener la circulación y circular el pozo (columna estabilizada) . Aplicar tratamiento químico para mantener reología . Reanudar lentamente circulación y continuar perforando
  43. 43. Agua salada: (Perforación de una arena de agua salada ) Problemas que puede causar en el lodo • Aumento del volumen de fluido en el sistema • Disminución de pH • Incremento de las propiedades reológicas • Aumento de la perdida de filtrado • Aumento de los Cloruros • Disminución de la Alcalinidad del lodo Tratamiento • Incrementar la densidad del lodo • Añadir controlador de filtrado • Añadir Soda Caustica para subir pH • Agregar dispersante • Diluir si es necesario
  44. 44. CO2 y H2S Forman soluciones ácidas en el agua. Floculan las Arcillas y producen alta corrosión H S2 • Incoloro • Mas pesado que el aire • Olor a huevo podrido • Soluble en agua • Irritante y altamente tóxico Síntomas: • Aumento del volumen de los tanques • Disminución de la densidad del lodo • Disminución de la eficiencia volumétrica de las bombas • Fuerte olor a gas Tratamiento: • Degasificar • Mantener baja resistencia de gel • Mantener densidad del lodo en tanque activo
  45. 45. Anhidrita y Yeso Anhidrita es Sulfato de Calcio y el Yeso es Sulfato de Calcio con agua Síntomas • Disminución de pH • Disminución del Mf • Disminución del Pf • Aumento del Ión Calcio en el filtrado • Alta viscosidad • Alta perdida de filtrado Tratamiento: Agregar Soda Ash ( 0.093 Lbs/bl para precipitar 100 ppm de Calcio) CaSO4 + Na2CO3 ------------- CaCO3 + Na2SO4 Anhidrita Soda Ash
  46. 46. Carbonatos y Bicarbonatos Se pueden originar: • Al reaccionar el Dioxido de Carbono ( CO2 ) con los iones Oxidrilo (OH) • Sobretratamiento del lodo con Carbonato y/o Bicarbonato de Sodio • Al mezclar Arcillas Sódicas • Al agregar Barita contaminada con Carbonatos ¿ Como identificarlos? • Bajo pH, Pf y Mf • Alta perdida de filtrado • Altos Geles • No hay presencia de Calcio en el filtrado Carbonatos Bicarbonatos • Bajo Pf y alto Mf • Alto Filtrado • Altos geles • No hay presencia de Calcio en el filtrado
  47. 47. Los problemas asociados con Carbonatos y Bicarbonatos se pueden diagnosticar con un analisis de Alcalinidad del filtrado Pf y Mf Pf : Fenoltaleina Mf : Anaranjado de Metilo (indicadores) H2SO4 como solucion tituladora Pf: cc de H2SO4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH del lodo a 8.3 Mf: cc de H2SO4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH del lodo a 4.3 Lodo + Fenoltaleina --------- color rosado ( Iones OH- y CO3 ) al titular con H2SO4 y obtener el color original del filtrado Bicarbonatos
  48. 48. en este momento el pH del filtrado es 8.3. Pf = cc de H2SO4 utilizados Luego se agrega Anaranjado de Metilo a la misma muestra obteniendose un color naranja que indica la presencia de iones CO3 y HCO3, se titula con H2SO4 y cambia a color rosado salmón pH = 4.3 Mf : Cantidad de H2SO4 utilizados + cc de H2SO4 para obtener el Pf La cantidad de Acido Sulfúrico utilizada para determinar el Pf, es la requerida para convertir los Carbonatos a Bicarbonatos; y la empleada para titular del Pf al Mf, es la necesaria para convertir los Bicarbonatos a Dioxido de Carbono y agua Bicarbonatos
  49. 49. Cálculos Básicos para Fluidos de Perforación Volumen de lodo en el sistema: Volumen tanques + volumen hoyo Rectangular Cilindrico L x A x P (pies) Vol (bls) = L A P P D Vol (bls) = D x 3.1416 x P (pies) 5.615 pie / bl 5.615 pie / bl4 x4 x 5050 33 33
  50. 50. Volumen del hoyo: Se considera que el diámetro del hoyo es igual al diámetro de la mecha Vol. del hoyo = 2 Volumen en el revestidor : Diámetro ( pulg ) x Longitud ( pies ) x 0.000972 Diametro ( pulg ) x Longitud ( pies ) x 0.000972Vol revest.= 2 Diametro : Diametro interno del revestidor ( bls ) 5151
  51. 51. Capacidad y desplazamiento de la tuberia de perforacion Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo abierto ) + ( Vol. del revestidor ) ( sin tuberia ) Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo ) + ( Vol. revest ) - (Desp. tub. perforacion ) abierto( con tuberia ) [[ ]] cont..... 5252
  52. 52. Dint.D ext. Vol. Desplaz. = ( Dext ) - ( Dint. ) x long ( pies ) x 0.000972 2 2 [[ ] Volumen de desplazamiento de la tuberia: 5353
  53. 53. Volumen Anular: Es el volumen que se encuentra entre la tubería de perforación y las paredes del hoyo y/o revestidor Vol anular= vol. hoyo - Capac - Dezpl. c /tub tub. tub Vol. anular= ( Dhoyo - Dtub ) x long x 0.000972 2 2 Va 5454
  54. 54. Caudal de la Bomba: Se obtiene mediante el diametro de la camisa y la longitud de la embolada , convirtiendolo en barriles por embolada y multiplicandolo por las emboladas por minuto. Q = ( D piston x long. piston x 0.003238 ) x (emboladas por minuto) 2 Q : Bls/min o Galones/min 5555
  55. 55. Tiempo de Circulación: Fondo arriba: Tfa = Volumen anular (bls) Caudal bomba (bls/min) Tiempo de circulación: Tc = Vol. hoyo - Desp. tubería Caudal de la bomba Circulación completa: Volumen total lodo,(bls) Caudal bomba, (bls/min) Tcc = 5656
  56. 56. Velocidad Anular: Se expresa en pies /min y se determina con el Caudal de la bomba y el volumen anular V anular = (Bls/min) 1029 (D hoyo ) - (D tub )2 2 5757
  57. 57. Velocidad Critica: Es la velocidad anular a la cual el modelo de flujo cambia de Laminar a Turbulento Vc (dentro tub.) = 1.08 VP + 1.08 VP + 12.34 d Pc Pl 2 2 Pl d 1.08 VP + 1.08 VP + 9.26 (dh-dt) Pc Pl2 2 Pl (dh - dt) Vc (espacio anular) = Donde: Vp : Viscosidad Plastica d : Diametro interno tuberia, pulgada Pc : Punto Cedente Pl : Densidad del lodo, lbs/gal dh : Diametro hoyo, pulgadas dt : Diametro externo,pulgadas 5858

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