3.de1.1.2_hydraulics_Spanish MG.ppt

DE1.1.2_hydraulics.PPT 22 July 2004

Manual de Referencia : Drilling Fluid & Hydraulics (700.AL.959)

Competence Assurance SystemCompetence Assurance System

HidráulicasHidráulicas

Soporte para tests DE1.1.2, 1.1.3Soporte para tests DE1.1.2, 1.1.3


Cuales son los objetivos de un análisis hidráulico?Cuales son los objetivos de un análisis hidráulico?

HydraulicasHydraulicas

Seleccionar un modelo apropiado de comportamiento del lodo en el sistema de circulación

Determinar las pérdidas de presión en las diferentes secciones del sistema de circulación.

Calcular la velocidad de los fluidos dentro de la tubería y en el anular.

Determinar los caballos de fuerza hidráulica en la mecha.


Cuales son los objetivos de la optimización de la hidráulica?Cuales son los objetivos de la optimización de la hidráulica?

HydraulicsHydraulics

Seleccionar adecuadas tasa de bombeo (galonaje) para proveer velocidades anulares adecuadas para levantar los ripios sin exceder los limites de presión de las bombas.

Determinar la velocidad anular máxima en hoyos inestables

Cuando es posible, , seleccionar los jet ó chorros para maximizarse el poder hidráulico usado a través de la mecha,


El objetivo es calcular la pérdida de presión en el sistema de circulación.

La Sumatoria de las pérdidas de presiones se conoce

como PRESIÓN DE CIRCULACIÓN

HidraulicasHidraulicas

Cálculos HidráulicosCálculos Hidráulicos

La presión de circulación es la generada en la La presión de circulación es la generada en la bomba para superar la fricción entre el bomba para superar la fricción entre el movimiento del fluido y las superficies a través movimiento del fluido y las superficies a través de las cuales este pasa.de las cuales este pasa.

P Surface Equipment

P Drill String

P Bit

P Annulus

Stand Pipe Pressure =

P Surface Equipment + P Drill String

P Bit + P Annulus

Bottom Hole Circulating Pressure =

P AnnulusPh +


• Densidad del Fluido

• Viscosidad (derivada de los parámetros reológicos)

• Velocidad del Fluido

• Longitud recorrida

• Diámetros de las tuberías


La presión o pérdida de energia es función de: La presión o pérdida de energia es función de:

Presión de Circulación

Bomba Flujo


El análisis hidráulico es una de las tareas primarias del El análisis hidráulico es una de las tareas primarias del Ingeniero de DatosIngeniero de Datos


2) 2) Seleccionar el modelo hidráulico adecuado.

1) 1) Determinar la relación entre esfuerzo de corte / tasa de corte

3) 3) Calcular las velocidades del fluido dentro de la tubería y en el anular.

4) 4) Determinar el patrón de flujo en cada sección del hoyo.

El cálculo de la hidráulica actual requiere seguir los siguientes pasos:El cálculo de la hidráulica actual requiere seguir los siguientes pasos:

5) 5) Calcular la pérdida de presión en cada sección del hoyo y a través de la mecha.


REOLOGIA:REOLOGIA: Ciencia de deformación y flujo de la materia.Ciencia de deformación y flujo de la materia.

En petróleo: Estudio y control de las propiedades del flujo y la viscosidad En petróleo: Estudio y control de las propiedades del flujo y la viscosidad del lodo.del lodo.


3 factores afectan la remoción del ripio :

Densidad del Lodo : flotabilidad

Velocidad Anular: función del tamaño anular y el galonaje

Viscosidad : evitar el deslizamiento de los ripios cuando suben por el anular

Una las funciones mas importantes del Fluido de Perforación es LA LIMPEZA DEL HOYO

La Reología del Lodo influye enormemente en la eficiencia de este proceso.

Conceptos ReológicosConceptos Reológicos


El El COMPORTAMIENTO REOLOGICO DE COMPORTAMIENTO REOLOGICO DE de un fluido depende de la relación de un fluido depende de la relación entre la densidad del lodo, la viscosidad anular y la viscosidad pero también entre la densidad del lodo, la viscosidad anular y la viscosidad pero también depende de:depende de:


SHEAR STRESS esfuerzo de corteSHEAR STRESS esfuerzo de corte: energía necesaria para mover el fluido, : energía necesaria para mover el fluido, cuantificada por cuantificada por SPPSPPSHEAR RATE tasa de corte SHEAR RATE tasa de corte : cuantificada por : cuantificada por LA VELOCIDAD DEL FLUIDO, LA VELOCIDAD DEL FLUIDO, representada por la tasa de bombeorepresentada por la tasa de bombeo

Se asume que el movimiento de un Fluido ocurre en una serie de capas discretas de fluido.

La Fricción entre estas capas causa que el fluido exhiba cierta resistencia al flujo: VISCOSIDAD.

Conceptos ReológicosConceptos Reológicos (cont.) (cont.)

1 cm

1 cm/sec

Stationary Plate

Moving Plate

Fluid Layers


Shear stress: = F/A

en dinas/cm3

F = fuerza aplicada para romper la resistencia del fluido a fluir en dinasA = Área sometida al esfuerzo en cm2

Shear rate : = V/H in sec –1

V = Relativa a la velocidad de las capas de fluido en cm/secH = Distancia que separa las capas de fluido en cm

V

HyidráulicasHyidráulicas

• Asuma 2 placas planas paralelas, separadas 1 cm.

• El espacio entre las placas esta lleno por fluido

• Se aplica una fuerza en el la placa del tope causando un movimiento de 1cm por segundo.

• Las capas de fluido entre las placas se mueven a diferentes ratas.

• La velocidad disminuye de lo mas cercano a la placa en movimiento a lo mas cercano de la placa inmóvil.

SHEAR STRESS and SHEAR RATESHEAR STRESS and SHEAR RATE: Como cuantificar la Viscosidad (1)

1 cm

1 cm/sec

Stationary Plate

Moving Plate

Fluid Layers

H


SHEAR STRESS and SHEAR RATESHEAR STRESS and SHEAR RATE: Como cuantificar la viscosidad (2)

Cuando se incrementa shear rate, también se incrementa shear stress.La relación entre ambas es:

Viscosidad Dinámica en cP :


Nota: En la perforación, el fluido esta combinado entre dos placas estacionarias: la pared del hoyo y la tubería.

El movimiento de las placas puede ser considerado como capas de fluido con altas velocidades (centro del anular).

Según la relación entre SHEAR STRESS and SHEAR RATE, se pueden definir diferentes tipos comportamientos del fluido.

Relación entre shear stress and shear rate

1 cm

1 cm/sec

Stationary Plate

Moving Plate

Fluid Layers


El comportamiento del flujo puede ser de dos tipos, dependiendo de la relación entre shear rate and shear stress: Newtonianos: Agua, aceite (relación lineal)

No-Newtonianos: pintura, fluidos de perforación (relaciones no- lineales)


Muchos de los fluidos de perforación exhiben comportamientos pseudo-plásticos, pero muchas de las aplicaciones en perforación y cálculos basados en un comportamiento plásticocon calculations yield stress son lo suficientemente precisos.

Tipos de FlujosTipos de Flujos

Los Fluidos No-Newtonianos pueden definirse además por dos comportamientos:

Plásticos es lineal pero necesita una cantidad especifica de shear stress para comenzar el movimiento : Punto Cedente (PC) (Ecuaciones de Bingham)

Pseudo-plástic No son lineales y no tienen PC (Ecuaciones Power law)

Shear Stress

Shear Rate

Newtonianos

Pseudo-plásticosYieldPoint

(PC)

Plastic w/Yield Stress

Dilatantes


Pueden existir varios patrones de flujo, dependiendo de la cantidad de la interacción entre las capas de fluido; esto esta basado en la relación entre the shear stress/shear rate, y la viscosidad.


Patrones de Flujo (Cont.)Patrones de Flujo (Cont.)

Los patrones de fluido pueden existir en uno o mas de tres estados generales:

Shear Stress

Shear Rate

CriticalVelocity

A

B

C

D

Point A = No Flow

A to B = Plug Flow

B to C = Start of LaminarFlow

C to D = Full Laminar Flow

Point D = Critical Velocity

> D = Turbulent Flow

Flujos TapónFlujos Tapón: Fluidos de alta viscosidad : Fluidos de alta viscosidad a muy bajas esfuerzo aplicadoa muy bajas esfuerzo aplicado (bombeo de cemento); velocidades uniformes de pared a pared.

Flujo LaminarFlujo Laminar: : Las capas de fluido se mueven en línea recta, paralelas a la dirección del flujo, con las mayores velocidades en el centro del canal.

Flujo TurbulentosFlujo Turbulentos: se desarrolla a altas : se desarrolla a altas velocidades del fluidovelocidades del fluido: las capas de fluido interactúan en forma impredecible; aproximadamente con velocidades constantes a través de la sección

Velocidad CriticaVelocidad Critica: punto en el cual el flujo comienza a ser mas turbulento que laminar.: punto en el cual el flujo comienza a ser mas turbulento que laminar.


Ventajas de un Flujo Turbulento:

Velocidades mas uniformes en la sección anular

Mayor envolvimiento de ripios (a mayor área de la superficie expuesta al flujo mayor eficiencia en el acarreo de ripios)

Desventajas de Flujos Turbulentos:

Incrementa la posibilidad de erosión del hoyo en formaciones poco o no consolidadas. Incrementa la pérdida de fluido a la formación.


Patrones de Flujo (2)Patrones de Flujo (2)


Modelar la hidráulica actual de un pozo requiere el uso de una formula para flujos laminares y otra diferente para los flujos turbulentos. Los flujos tapón no se observan a las ratas de flujo de perforación.

Esto significa que las velocidades criticas, sobre las cuales se asume un flujo turbulento podrían ser determinadas en cada sección.

En general el flujo dentro de la tubería será turbulento en la mayoría de los casos. Mientras que en el anular puede ser laminar o turbulento en diferentes puntos.

Los cálculos para perdida de presión a través de la mecha se usa una formula simplificada ya que el flujo siempre será altamente turbulento a través de los jet o chorros para cualquier tasa de flujo practica.


Patrones de Flujo (2)Patrones de Flujo (2)


Los fluidos pueden ser Newtonianos o No- Newtonianos.


Modelos Hidráulicos (1)Modelos Hidráulicos (1)

Un fluido Non- Newtonianos puede exhibir comportamientos plásticos, pseudo-plásticos o dilatados. El Flujo ( a tasas de circulación normal) puede ser Laminar o Turbulento. La mayoría de los fluidos de perforación tienen comportamiento pseudo-plástico

Los modelos de flujo usando comportamientos plásticos son los mas populares en la industria petrolera por la facilidad de sus cálculos.

Los dos modelos mas importantes usados en la industria petrolera son:Los dos modelos mas importantes usados en la industria petrolera son:

BINGHAM: BINGHAM: considera los fluidos de perforación considera los fluidos de perforación Plásticos con punto cedente.Plásticos con punto cedente.

POWER LAW (Ostwald): POWER LAW (Ostwald): considera los fluidos de perforación como considera los fluidos de perforación como Pseudo-Pseudo-plástico con un pseudo-punto cedenteplástico con un pseudo-punto cedente


La principal diferencia entre los modelos de Bingham y Power Law es como manejan el comportamiento del fluido a bajas shear rates (Flujos laminares).



Shear Stress

ShearRate

Ideal Power LawYieldPoint

Bingham

'Pseudo-

Yield Point'

Actual Mud Behavior


ALS-2 ofrece la posibilidad de escoger entre 7 modelos reológicos:

1. BINGHAM

2. BINGHAM PLASTIC MODIFICADO

3. POWER LAW ( OSTWALD )

4. POWER LAW MODIFICADO

5. POWER LAW MODELO API

6. ALTERNATIVO

7. HUGHES

Familia BinghamFamilia Bingham

Familia Power lawFamilia Power law

Cálculos SimplificadosCálculos Simplificados




Cual es el mejor modelo a usar?En general el mejor modelo es aquel que representa con mayor precisión la perdida actual de presiones. Esto requiere experimentar para determinar el modelo mas apropiado para las condiciones locales.

BINGHAM / BINGHAM MODIFICADO: es considerado como el mas preciso para fluidos con alto contenido de sólidos o para lodos con densidades mayores a xx g/cc (12 lpg)

POWER LAW ( OSTWALD )/ POWER LAW MODIFICADO: Se considera mas preciso para fluidos con bajo contenido de sólidos o densidades menores a xx g/cc (12 lpg)

POWER LAW API: Proporciona mas detalle para el calculo de n y K (exponentes Power Law) que las ecuaciones de Power law estándar

ALTERNATIVE: Puede usarse tanto para fluidos de alta viscosidad como para lodos con alto contenido de sólidos o lodos con base aceite.

HUGHES: simplifica las ecuaciones buscando principalmente un calculo manual rápido.




El Viscosímetro mide:

• Viscosidad Plástica (PV) (VP)

• Punto Cedente (YP) (PC)

Lo cual estima la reología del lodo bajo circulación, y:

Geles (10 segundos)

Geles (10 minutos)

Lo cual estima la reología del Lodo en bajo condiciones estáticas.

off

on

A. Test Cup

B. Hand Wheel

C. RotorSleeve

D. Indicator DialE. Speed

Control

Spring

Dial

RotorSleeve

Bob

ViscosimeterMechanism

Figure A1-3 'Generic' Rotary Viscosimeter


Mediciones ReológicasMediciones Reológicas


Fluido Plástico: Modelo BINGHAM: =YP + PV *


Modelos Hidráulicos para Modelos Hidráulicos para Flujos Laminares (1)Flujos Laminares (1)

Lectuta

RPMs

= Intercepción

=Grad. of shear stress/shear rate curve

300

600

600

300

del Insrumento

YP

PV

AV @ 600 RPM

Viscosidad Plástica pp = PV= = PV= 600 – 600 – 300300

en centipoise (Slope of shear stress/shear rate curve)

Pto. Cedente: = YP = = YP = 300 – PV300 – PV en

lb/100ft2

Viscositdad Aparente: AV= AV= 600/2 600/2 (Gradiente of the shear stress/shear rate relationship como si el fluido fuese Newtoniano)


Fluido Pseudo-plástico: Modelo POWER LAW: =K* n

Flu

id velocity (ft/m

n)

Comportamiento del Flujo

nn = 3.32 log (600/300)Grado de salida para un fluido Newtoniano (1 a 0)

Indice de Consistencia

KK = 300/511n

Bombeabilidad del lodo # viscosidad


Modelos Hidráulico para Flujo Modelos Hidráulico para Flujo Laminar (2)Laminar (2)

Dial

Log Shear Rate

Reading

Log

10 100 1000

n

K300

(511 sec )600

(1022 sec )-1 -1


Perfiles de Velocidad Anular para diferentes valores de n

HidráulicaHidráulica

Modelos Hidráulico para Flujos Laminares (3)Modelos Hidráulico para Flujos Laminares (3)

Diámetro Anular

Velocidad del Fluido(ft/min)

0

40

80

120

160

200

=1.0=0.5=0.25

nnn

DP 4 1/2“ ‘ Hoyp 12 ¼”Velocidad Promedio Lodo 120 ft/min.


Tixotropía: Espesor del lodo en reposo hace que los ripios permanezcan en suspensión. Gel 0:Gel 0: máx. valor de lectura después de un reposo de 10 sec

Gel 10:Gel 10: máx. valorde lectura después de un reposo de 10min


Parámetros Resultantes de las lecturas del ViscosímetroParámetros Resultantes de las lecturas del Viscosímetro

Control

Tixotrópico del Lodo



La pérdida anular de presión actúa como una pequeña contrapresión en la formación en un hoyo abierto.

La presión ejercida a la formación es mayor durante la circulación que cuando el lodo esta en

Esto se define como Presión de Circulación en el Fondo (Bottom Hole Bottom Hole Circulating Pressure)Circulating Pressure):

annh PPBHCP The Equivalente de Circulación (Equivalent Circulating Density)(Equivalent Circulating Density) es la densidad equivalente de la Presión de Circulación de Fondo.

TVD

BHCPECD

10

052.0

TVD

BHCPECD

Métrico API

Pérdida Anular de PresiónPérdida Anular de Presión


Consideración de los tool joints:

Mientras ellos son solo una pequeña parte de la tubería de perforación, el cambio de diámetro en los tools joints tiene un efecto significativo en la perdida total de presiones. Todos los modelos hidráulicos consideran los diámetros de los tools joints separadamente, en el caso del método Hughes esto esta integrado en los cálculos.

Factor de Fricción de los Fan:

Este ajuste toma en cuenta el efecto relativo de la rugosidad de las paredes (la rugosidad de las paredes tiende a hacer al flujo mas turbulento). El factor de fricción de los Fan solo se usa en Modelo Power Law API.


FlujoTurbulento (1)FlujoTurbulento (1)


No es posible calcular la relación entre shear rate and shear stress:

Numero de ReynoldNumero de Reynold = Grado de turbulencia

Bingham: Re= Diam * Vel * MW * 15.47 / PV

Factor de friccion de los FanFactor de friccion de los Fan: resistencia del flujo a las paredes del hoyo

f = 16/Re (tuberia) f = 24/Re (annulus)


Flujo Turbulento (2)Flujo Turbulento (2)

Laminar Transicion Turbulento

2100 3000

Bingham Plastic -- Re = 2100 (o 3000 para ecuaciones de Moore)

Power Law -- Re = 3470 - 1370c

cn

0

(Newtoniano)

no-Newtoniano)

4000(Newtoniano y


Un Numero generalizado de Reynolds ReMR, fue propuesto por primera vez por Metzner y Reed (1955), se incluía en las secciones anulares de los reportes hidráulicos, como una forma mas precisa de describir un flujo turbulento para flujos no-elásticos, no-newtonianos.

Metzner NumberMetzner Number =


Flujo Turbulento (3)Flujo Turbulento (3)

El numero de Metzner Number puede ser usado como “INDICE de WASHOUT”.

A mayor numero, mayor posibilidad de washout en el hoyo.

Los resultados podían compararse con el Caliper en áreas especificas con el fin de provee r una interpretación mas confiable.

11

1

1152

)(

)(

1209.022.2154.2 12

1222

1)12()413(

n

n

nQ

DD

DD

Kn

nio

nionn

Metzner NumberMetzner Number =Solo para Power Law API

31

3

2310

)(

)(

78.43221.2154.2 32

3222

31)32()433(

n

n

nQ

DD

DD

Kn

nio

nionn



2) 2) Modelo hidráulico anticipado para el final de la corrida

1) 1) Obtener la profundidad máx. y la densidad del lodo esperada para la corrida de la próxima mecha.

3) Si se espera que el hoyo sea inestable ajustar el galonaje justo 3) Si se espera que el hoyo sea inestable ajustar el galonaje justo hasta el punto de mas baja turbulencia en secciones anulares hasta el punto de mas baja turbulencia en secciones anulares pequeñas.pequeñas.

4) 4) Si se espera un hoyo estable, ajustar el galonaje al máximo (-20%)

Optimizar requiere los siguientes aspectos:Optimizar requiere los siguientes aspectos:

5) Para mechas Tricónicas5) Para mechas Tricónicas, determinar el tamaño de los jet que provean el máx.. poder hidráulico en la mecha (hp) superior al 65% del total hhp).

La hidráulica puede optimizarse aun mas después de haber La hidráulica puede optimizarse aun mas después de haber determinado la Hidráulica actual.determinado la Hidráulica actual.

Nota: Las preferencias del clientes pueden diferir y deberían usarse si están disponibles.


Optimizacion de la Hidráulica (2)Optimizacion de la Hidráulica (2) ConsideracionesConsideraciones

FlujoFlujoEl flujo optimo para una velocidad anular optima: (unidades API) sin exceder la máx. presión de las bombas.

donde Vm es la velocidad critica

Rule of pulgar:

Average ROP Flujo Optimo x pulg. de diámetro mecha Ejemplo para mecha 12 ¼”

< 5m/h (15 ft/hr) 130 l/min (35 gpm) 10ft/hr => 35 * 12,25= 438 gpm

>= 5m/h (15 ft/hr) 150-170 l/min (40-45 gpm) 25 ft/hr => (40-45)*12,25= 490-551 gpm

Nunca exceda los 190 l/min (50 gpm) por pulgada de diámetro de la mecha


51.24

22max

mio

VDDQ


Selección de los Jet o ChorrosSelección de los Jet o Chorros

Optimice la Velocidad Anular: tan rápido como se posible, limitada por el rango de las bombas.

Optimice la potencia Hidráulica (hp): 65% de la presión disponible se emplea en la mecha

Optimice La fuerza de Impacto: 48% de la presión disponible se emplea en la mecha.

La selección de los Jet debe ser lo mas similar posible en la mayoría de los casos.

Ej.: 2x12 + 1x13 en lugar de 2 x 10 + 1x15)


Optimizacion de la Hidráulica (2)Optimizacion de la Hidráulica (2) ConsideracionesConsideraciones



Optimización de Hidráulicas (4)Optimización de Hidráulicas (4) Otras variablesOtras variables

Area Total de flujo (TFA)Area Total de flujo (TFA)

Es la combinación entre el tamaño, en pulgadas cuadradas para todas la aberturas por donde fluye el lodo a través de la mecha. El TFA aplica cuando canales de circulación en lugar de chorros: coronas, miladores, mechas de diamante natural y algunas PDC. El TFA también puede ser usado cuando la cantidad de chorros sea mayor a siete ya que este es el numero más. De chorros que admite l programa de hidráulica.

La fórmula para el cálculo del TFA es la siguiente: ((JET / 2) / 32)2 x

Donde = 3.14 = diámetro chorros / jets

[(Sum JET )2 x ]/4096



Pérdida de Presión por Turbina/MWDPérdida de Presión por Turbina/MWD

Ciertamente dentro del hoyo, herramientas como turbinas/motores de fondo y MWD, tienen partes móviles que imponen perdidas adicionales de presión en el sistema. Siempre que alguna de estas herramientas este en uso asegúrese de obtener del operador de la herramienta la perdida de presión estimada. Observe que la estimación de perdida de presión para estas herramientas se asume para la mecha fuera de fondo; la presión mientras hay rotación en el fondo variara según la resistencia de la roca a la acción de la mecha.

Optimización de Hidráulicas (4)Optimización de Hidráulicas (4) Otras variablesOtras variables



Reporte Hidráulico: Reporte Hidráulico: entrada de Datosentrada de Datos


Resumen Datos del Reporte Hidraulico Resumen Datos del Reporte Hidraulico (1) (1) (Quick Look)(Quick Look)




Resumen Datos del Reporte Hidraulico Resumen Datos del Reporte Hidraulico (2) (2) (Quick Look)(Quick Look)


Reporte Hidráulico según Método BReporte Hidráulico según Método Bingham (1)ingham (1)




Reporte Hidráulico según Método Bingham (2)Reporte Hidráulico según Método Bingham (2)



Reporte Reporte Hidráulico Hidráulico según Método según Método BinghamBingham


Reporte Hidráulico: Gráfico de comportamiento Reporte Hidráulico: Gráfico de comportamiento ReológicoReológico




Reporte Hidráulico: Gráfica de Pérdida Total de PresionesReporte Hidráulico: Gráfica de Pérdida Total de Presiones

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