Fundación para la Promoción y Desarrollo Académico

de la Universidad de Oriente. FUNDAUDO

Diplomado de Fluidos de Perforación

Maturín - Monagas

VOLUMETRÍA E HIDRÁULICA DE

PERFORACIÓN

MATURÍN, FEBRERO DE 2014

INTRODUCCIÓN

En las operaciones de construcción de pozos petroleros, los ingenieros de fluidos de perforación deben estar capacitados para desarrollar cálculos relacionados con la estimación del volumen de fluido contenido tanto en instalaciones de superficie (tanques activos, tanques de reserva, líneas de flujo), así como en el interior del pozo, en cada componente que integra la sarta de perforación (tuberías de perforación, porta mechas, motores de fondo, entre otros) y en los espacios anulares definidos entre la sarta y el esquema mecánico del pozo (revestidores y hoyo abierto).

A partir del cálculo de las capacidades volumétricas de cada sección, se podrán estimar los tiempos de circulación y las velocidades que alcance el fluido de perforación en su recorrido por el interior de la sarta desde superficie hasta la mecha y desde la mecha hasta superficie, pasando por el espacio anular a fin de relacionarlos con las propiedades reológicas del fluido monitoreadas constantemente durante el proceso de perforación a fin de que pueda ser optimizado a través de la aplicación de los diseños hidráulicos encargados de analizar la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, estudiando el impacto que éstos tienen sobre las características de flujo dentro de las secciones de tubería y las secciones o espacios anulares.

El objetivo fundamental de este modulo es poder brindarle a los participantes, las herramientas que le permitan comprender los principios básicos relacionados con los estudios reológicos y la hidráulica de los fluidos de perforación conjuntamente con su aplicación en las operaciones de perforación de pozos petroleros.

CÁLCULOS VOLUMÉTRICOS

1-. CAPACIDAD, VOLUMEN Y DESPLAZAMIENTO

Para el desarrollo de cálculos relacionados con la determinación de la capacidad, volumen y desplazamiento es necesario definir criterios básicos en cuanto a la terminología aplicada a nivel de campo.

La capacidad de un tanque de fluido, del pozo, espacio anular o del interior de cualquier componente de la sarta de perforación, representa el volumen que dicho recipiente puede contener si estuviese completamente lleno al máximo volumen posible y es determinado generalmente en bbl, gal o m3. Para efectos prácticos de control del volumen de fluido de perforación en tanques y en secciones de tubería y pozo, por tener un área de la sección transversal que permanece constante con la altura, sus capacidades pueden ser expresadas en relación con incrementos de altura, tales como bbl/ft, bbl/in gal/ft.

Por ejemplo, un pozo de 8,5 pulgadas de diámetro que tiene una profundidad de 4.500 pies contiene 316 bbl de fluido de perforación cuando está completamente lleno. Por lo tanto, su capacidad es de 316 bbl, este lleno o vacío. Esto también puede ser expresado como una capacidad de 0,0702 bbl/pies (316 bbl / 4.500 pies).

El volumen representa la cantidad de fluido de perforación contenido realmente en el interior de un tanque, pozo, espacio anular, o dentro de una tubería o cualquier otro componente de la sarta, por esta razón, si se conoce su capacidad vertical (bbl/pies o m 3/m) y la altura del nivel de fluido (en pies o m), entonces al multiplicar la profundidad del fluido por la capacidad vertical se puede determinar el volumen real (bbl o m3) de fluido dentro del recipiente. Por ejemplo, si se tiene un tanque de fluido tiene una capacidad de 3,05 bbl/pulgadas, y una altura de fluido de perforación de 56 pulgadas, su volumen de fluido será de 171 bbl. (3,05 bbl/pulg x 56 pulg).

El desplazamiento representa el volumen de fluido de perforación expulsado desde el pozo hacia la superficie una vez que es introducida la sarta de perforación o la tubería de revestimiento dentro del pozo, o el volumen de fluido requerido para llenar el pozo cuando la sarta de perforación sea retirada del pozo. En términos generales, el volumen desplazado es equivalente al volumen metálico que representa la sarta de perforación.

Por ejemplo, una tubería de perforación de 14,0 lbs/pies con un OD (diámetro externo) de 4,0 pulgadas, desplaza 0,005 bbl/pies de fluido al ser introducida en el pozo. Si se introducen 1.000 pies de tubería de perforación dentro del pozo, serán desplazados 5 bbl de fluido. En cambio, cuando se saca del pozo una tubería de perforación del mismo tamaño, el pozo debería tomar 5 bbl de fluido de perforación por cada 1.000 pies de tubería sacada, para mantener el pozo lleno.

2-. CÁLCULO DE LA CAPACIDAD Y VOLUMEN DE TANQUES

2.1-. TANQUES RECTANGULARES

Para los tanques rectangulares como los que se muestran en la Fig. Nº1, la capacidad puede ser calculada a partir de la altura, el ancho y longitud de dicha estructura.

Donde:Vol. Tanque: capacidad del tanque (bbl)L: longitud del tanque (pies)W: ancho del tanque (pies)H: altura del tanque (pies)M: altura del nivel de fluido (pies)

La capacidad de un tanque rectangular, se calcula de la siguiente manera:

Vol. Tanque (bbl) = [ L (pies) x W (pies) x H (pies) ] / 5,615 (Ec-1)

Donde el volumen real de fluido de perforación contenido en el tanque, puede ser calculado considerando la altura del fluido de perforación (M) y viene expresado de la siguiente manera:

Vol. Tanque (bbl) = [ L (pies) x W (pies) x M (pies) ] / 5,615 (Ec-2)

2.2-. TANQUES CILÍNDRICOS VERTICALES

Los tanques cilíndricos en posición vertical ilustrados en Fig. Nº.2, se usan generalmente para el almacenamiento de fluidos de perforación en los patios de tanques de las plantas de mezclado de las empresas de servicio encargadas de su formulación y

Figura. Nº1. Tanque RectangularFuente: MI-DRILLING.(2001)

manejo, así como también son utilizados para almacenar material en polvo como es el caso de los agentes densificantes como la barita o sulfato de bario.

Donde:VCil: capacidad del tanque cilíndrico (bbl)D: diámetro del cilindro (pies)H: altura del cilindro (pies)M: altura del nivel de material (pies)

La fórmula general para calcular la capacidad de un tanque cilíndrico vertical es la siguiente:

VTanque .Cil (bbl) = [ D2 (pies) x H (pies) ] / 7,143 (EC-3)

El volumen de fluido real (VFluido) de un tanque cilíndrico vertical se calcula usando la altura de nivel (M) del fluido de perforación.

VFluido .Cil (bbl) = [ D2 (pies) x M (pies) ] / 7,143 (EC-4)

3-. VOLUMEN DEL POZO

El volumen del pozo es generalmente calculado con la sarta de perforación introducida dentro del pozo (volumen con tubería), sin embargo, en los casos que se requiera determinar el volumen del pozo sin tubería, es necesario utilizar la ecuación para un recipiente cilíndrico vertical.

Un pozo se compone generalmente de varios intervalos o secciones, definidas por variación de diámetros más grandes cerca de la superficie, pasando progresivamente a secciones más pequeñas a medida que la profundidad aumenta, lo que significa que para obtener el volumen de fluido presente en el pozo, debe ser calculado individualmente el volumen de cada intervalo y posteriormente estos deben ser sumados. El volumen de cada sección sin tubería dentro del pozo, puede ser calculado a partir de la ecuación usada para un cilindro:

VSección: [ D2Pozo x L] / 1029,4 (EC-5)

Donde:

Figura. Nº2. Tanque CilíndricoFuente: MI-DRILLING. (2001)

DPozo: diámetro Interior (ID) de la tubería de revestimiento, hoyo abierto. (pulgadas)L: longitud del intervalo (pies)

3.2-. CAPACIDAD DE LA TUBERÍA DE PERFORACIÓN O PORTAMECHAS

El volumen del pozo con la sarta de perforación dentro del pozo, resulta de sumar el volumen dentro de la sarta de perforación (capacidad) más el volumen anular entre la columna de perforación y la tubería de revestimiento o el hoyo abierto.

La capacidad o el volumen dentro de la sarta de perforación, expresado en bbl, puede ser determinado a partir del diámetro interior de la tubería en pulgadas.

VTubería (bbl): [ ID2Tubería (pulgadas) x L ] / 1029,4 (EC-6)

3.3-. VOLUMEN ANULAR

El volumen o la capacidad anular se calculan restando las áreas de los dos círculos que define el espacio anular tal como los muestra la Fig. Nº3. El volumen anular en bbl puede ser determinado a partir del diámetro externo de la tubería (OD) y del diámetro interno de la tubería de revestimiento (ID) o del hoyo abierto en pulgadas (DH).

VEspacio Anular (bbl/ft) = [ ID2Pozo (pulg) – OD2

Tubería (pulg) ] x L / 1029,4 (EC-7)

Donde:IDPozo: diámetro interior del hoyo abierto o la tubería de revestimientoODTubería: diámetro exterior de la tubería de perforación o de los portamechas3.4-. DESPLAZAMIENTO

Figura. Nº3. Volumen AnularFuente: MI-DRILLING.(2001)

Se puede estimar el desplazamiento de la sarta de perforación (VDespl. Tubería) usando el OD y el ID de la tubería de perforación y los portamechas.

V Despl. Tubería (bbl) = [ OD2Tubería (pulgadas) – ID2

Tubería (pulgadas) ] x L / 1029,4 (EC-8)

Donde:ODTubería: diámetro exterior de la tubería de perforación o los portamechasIDTubería: diámetro interior de la tubería de perforación o los portamechas

4-. CÁLCULO DEL CAUDAL DE LA BOMBA

Las bombas de taladro como son comúnmente denominadas en campo, están constituidas por émbolos o pistones de “desplazamiento positivo” que se encargan de hacer circular a presión el fluido de perforación durante las operaciones de construcción de pozos. Algunas poseen dos o tres pistones que realizan un movimiento de vaivén o emboladas dentro de las camisas o cilindros, donde un ciclo de emboladas o vaivén completo constituye una carrera (stk - según el inglés “stroke”).

A nivel de campo es común la aplicación de bombas de tres pistones denominadas bombas triplex, sin embargo, en algunos sistemas de circulación de equipos de perforación aún se pueden conseguir instaladas bombas de dos pistones llamadas bombas dúplex. Para efectos de cálculos del caudal de bomba, el cual se requiere para determinar tiempos de circulación del fluido dentro del pozo, este puede ser fácilmente determinado en unidades bbl/stk o gal/stk.

4.1-. BOMBAS TRIPLEX DE FLUIDOS

En una bomba triplex, sus pistones sólo funcionan durante la carrera de ida y tienen generalmente pequeñas longitud de carreras (de 6 a 12 pulgadas), operando a velocidades de circulación que varían de 60 a 120 stk/min y su caudal puede ser determinado a través de la siguiente ecuación:

VCaudal de la Bomba (bbl/stk) = [ ID2 Liner (pulg.) x L (pulg.) x Rend (decimal) ] / 4116 (EC-9)

Donde:V Caudal de la Bomba : caudal de la bomba/carreraID Liner: ID del liner o camisa L: longitud de la carrera de la bombaRend: Rendimiento o eficiencia de la bomba (decimal)4.2-. BOMBAS DÚPLEX DE FLUIDO

Los émbolos de una bomba dúplex de lodo funcionan en ambas direcciones, de manera que el cilindro trasero hace que el vástago de la bomba se mueva a través de su volumen desplazado y ocupe parte del mismo. La ecuación general para calcular el caudal de una bomba dúplex es la siguiente:

VCaudal de la Bomba (bbl/stk) = [2 x ID2 Liner – OD2

Vástago][ L x Rend] / 6174 (EC-10)

Donde:VCaudal de la Bomba: caudal de la bomba/carreraID Liner: ID del liner o camisa (pulgadas)ODVástago: OD del vástago (pulgadas)L: longitud de la carrera de la bomba (pulgadas)Rend: rendimiento o eficiencia de la bomba (decimal)

5-. VELOCIDAD ANULAR

La velocidad anular (VA), es la velocidad media a la cual un fluido fluye dentro de un espacio anular. Se requiere una velocidad anular mínima del fluido de perforación para lograr la limpieza efectiva del pozo y depende principalmente de la velocidad o tasa de penetración ROP, el tamaño de los recortes o ripios, y de las propiedades reológicas del fluido. Puede ser estimada mediante la siguiente ecuación, basándose en el caudal de la bomba y el volumen anular del pozo:

VA (ft/min) = VCaudal de la Bomba (bbl/min) / VAn (bbl/ft) (EC-11)

VA (ft/min) = [ VCaudal de la Bomba (bbl/min) x 1029,4 ] / ID2Pozo (pulg.) – OD2

Tubería (pulg.) (EC-12)

Donde:IDPozo : diámetro interno del hoyo abierto o la tubería de revestimiento (pulgadas)ODTubería : diámetro externo de la tubería de perforación o los portamechas (pulgadas)

6-. TIEMPOS DE CIRCULACIÓN

El tiempo de circulación total es el tiempo (o número de carreras) requerido para que el fluido circule a partir de la succión de la bomba, bajando por la columna de perforación, saliendo por la mecha, subiendo de nuevo por el espacio anular hasta la superficie, pasando a través de los tanques, y finalmente, regresando de nuevo a la succión de la bomba. Este tiempo también se llama “tiempo de ciclo del lodo” y se calcula de la siguiente manera:

Tiempo circulación total (min) = VSistema circulante (bbl) / VCaudal de la Bomba (bbl/min) (EC-13)

Donde:VSistema circulante: volumen total del sistema (activo) (bbl)VCaudal de la Bomba: caudal de la bomba (bbl/min)

Stk Circulación total = Tiempo circulación total (min) x velocidad de bomba (stk/min) (EC-14)

6.1-. TIEMPO DEL FONDO A SUPERFICIE

El tiempo del fondo a superficie (fondo-arriba), es el tiempo (o STK) requeridos para que el fluido de perforación circule desde la mecha ubicada al fondo del pozo hasta la superficie, subiendo por el espacio anular, y puede ser calculado de la siguiente manera:

Tiempo Fondo-superficie (min) = VEspacio Anular (bbl) / VCaudal de la Bomba (bbl/min) (EC-15)

Stk Fondo-superficie = Tiempo Fondo-superficie (min) x velocidad de bomba (stk/min) (EC-16)

A través de estas ecuaciones utilizadas para la determinación del tiempo de circulación del fluido de perforación, puede ser estimado el tiempo que tarda el fluido de perforación en recorrer cualquier longitud en el interior de la sarta de perforación o sección de espacio anular con tan solo conocer el volumen o capacidad del espacio por donde se desplaza dicho fluido.

EJERCICIO 1: CÁLCULOS VOLUMÉTRICOS

Datos:Revestimiento de superficie: 1.850 ft de 13 3/8 in. 48 lb/ftTubería de revestimiento intermedia:8.643 ft de 9 5/8 in. 32,30 lb/ftTubería de revestimiento corta: de 8.300 ft a14.500 ft de 7 in. 20 lb/ftDiámetro de la mecha: 6 1/8 in.Profundidad Total (TD): 17.800 ft

Sarta de perforación:Tubería de perforación: 5 in. 19,50 lb/ft hasta 8.000 ft3 1/2 in., 13,3 lb/ft hasta 16.800 ft1000 ft de portamechas (4 ¾ in. OD x 2 1/4 in. ID)

Sistema de superficie:Tres tanques: 7 ft de alto, 6 ft de ancho,31 ft de largo. En dos tanques hay 64 pulg de fluido, y en el otro tanque hay 46 pulg. de fluido con la columna de perforación dentro del pozo.

Densidad del fluido: 16,3 lb/galBombas de fluido: Triplex: 6 1/2 in. x 12 in.,50 stk/min, con un rendimiento de 95%

Determinar

1. La capacidad total del sistema de superficie en bbl, bbl/ft 2. El volumen total de lodo en el sistema de superficie en bbl 3. El volumen total del pozo sin la columna de perforación (CP) en el pozo.4. El volumen total del pozo con la tubería de perforación (TP) dentro del pozo.5. El volumen total del sistema de circulación.6. El caudal de la bomba (CB) en bbl/min; el tiempo de circulación total; el tiempo de

ciclo en el pozo; y el tiempo del fondo a superficie; en minutos y en stk.7. La velocidad anular para cada intervalo anular.8. La presión hidrostática al fondo del pozo causada por la densidad del fluido.

7-. HIDRÁULICA DE PERFORACIÓN

7.1-. Reología e hidráulica de los fluidos de perforación

La reología es el estudio de la manera en que la materia se deforma y fluye. Se trata de una disciplina que analiza principalmente la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, y el impacto que estos tienen sobre las características de flujo dentro de materiales tubulares y espacios anulares. La hidráulica describe la manera en que el flujo de fluido crea y utiliza las presiones, en los fluidos de perforación, el comportamiento del flujo de fluidos debe ser descrito usando modelos reológicos y ecuaciones, antes de poder aplicar las ecuaciones de hidráulica. (Instituto Americano del Petróleo. 2001)

La reología y la hidráulica facilitan la optimización del proceso de perforación. Estas propiedades físicas contribuyen a varios aspectos importantes para la perforación exitosa de un pozo, incluyendo:

Control de las presiones para impedir el influjo de los fluidos de las formaciones.

Transmitir energía a la mecha para maximizar la velocidad de penetración (ROP).

Suspender los recortes durante los períodos estáticos.

Permitir la separación de los sólidos perforados y el gas en la superficie.

Extraer recortes del pozo.

7.2-. Reología

Según el Instituto Americano del Petróleo. (2001), la reología es la ciencia que estudia la deformación y flujo de la materia. Al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que dicho fluido fluirá bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte. El término reológico más conocido es la viscosidad, en su más amplio sentido, se puede describir como la resistencia al flujo de una sustancia. En el campo petrolífero, los términos a continuación se usan para la viscosidad y las propiedades reológicas del fluido de perforación:

Viscosidad de embudo (seg/cuarto de galón o seg/l), Viscosidad aparente (cP o mPa∙seg), Viscosidad efectiva (cP o mPa∙seg), Viscosidad plástica (cP o mPa∙seg)

7.3-. Términos relacionados con la reología de los fluidos de perforación.

Según Baroid (1997), los términos relacionados con la reología y los diseños hidráulica son:

Tabla N°.1 Términos relacionados con reología e hidráulica de perforación

Término reológico

SímboloUnidad

(es)Definición

Velocidad de corte

γ Seg-1Cambio de velocidad del fluido dividido por el ancho del canal a través del cual el flujo se desplaza en flujo laminar.

Esfuerzo de corte

τLb/100pie2

Pa

La fuerza por unidad de superficie requerida para mover un fluido a una velocidad de corte dada. El esfuerzo de corte se mide en viscosímetros de campos petroleros por la deflexión del dial del medidor a una velocidad de corte.

Viscosidad µCentipoise

(cP) ó Pa∙seg

Esfuerzo cortante divido por el correspondiente índice de corte, o µ= τ/γ. La viscosidad del fluido se puede medir en un punto determinado o sobre una amplia escala de mediciones esfuerzo cortante/índice de corte.

Viscosidad efectiva

µe

cP

Pa∙seg

La viscosidad usada para describir el flujo que fluye a través de una geometría particular; al cambiar las geometrías del pozo también cambia la µe. Esta está definida por la relación del esfuerzo de corte entre la

velocidad de corte µe=

Punto cedente

PC

τy

Lb/100pie2

Pa

La fuerza requerida para iniciar el flujo; el valor calculado del esfuerzo cortante del fluido cuando el reograma es extrapolado al eje de las Y en γ= 0seg-1.

Resistencias del gel

Lb/100pie2

Pa

Mediciones del esfuerzo cortante de un fluido dependiente del tiempo bajo condiciones estáticas. Las resistencias de gel son medidas comúnmente después de intervalos de 10 segundos, 10 minutos, y 30 minutos.

Continuación Tabla N°1. Términos relacionados con reología e hidráulica de

perforación

Término reológico

Símbolo Unidad (es) Definición

Viscosidad plástica

VPcP

Pa∙seg

Es la viscosidad que resulta de la fricción mecánica entre sólidos, sólidos y líquidos; y líquidos y líquidos. La viscosidad plástica está generalmente relacionada con el tamaño, forma y número de las partículas de un fluido en movimiento. La VP se calcula usando esfuerzos cortantes medidos a ϴ600 y ϴ300 en el viscosímetro FANN 35.

Índice de flujo

n Adimensional

La relación numérica entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte de un fluido en un gráfico “log-log”. Este valor describe el grado de comportamiento adelgazante por corte de un fluido.

Índice de consistencia

K

(eq) cP

Pa∙segn

Lb/100pie2∙segn

La viscosidad de un fluido que fluye, de idéntico concepto que VP.

Nota: los efectos viscosos atribuidos a los efectos cortantes de un fluido

7.4-. Tipos de fluidos

Un fluido es cualquier sustancia que se deforma cuando se le somete a un esfuerzo de corte o de cizallamiento, por muy pequeño que éste sea. Según PDVSA-CIED (2002), los fluidos se clasifican en:

7.4.1-. Fluido Newtoniano

La clase más simple de fluidos es la clase de fluidos newtonianos. Los fluidos de base (agua salada, agua dulce, aceite diesel, aceites minerales y aceites sintéticos) de los fluidos de perforación son newtonianos. En estos fluidos, el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte.

7.4.2-. Fluido No Newtoniano

Cuando un fluido contiene arcillas o partículas coloidales, estas partículas tienden a chocar entre sí, aumentando el esfuerzo de corte o la fuerza requerida para mantener una velocidad de corte determinada.

Bajo estas circunstancias, el esfuerzo de corte no aumenta en proporción directa a la velocidad de corte. Los fluidos que se comportan de esta manera son llamados no newtonianos.

7.5-. Modelos reológicos

Según Baroid, (1997); al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que fluirá bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte.

Un modelo reológico es una descripción de la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte. La Ley de viscosidad de Newton es el modelo reológico que describe el comportamiento de flujo de los fluidos newtonianos. También se llama modelo newtoniano, sin embargo, como la mayoría de los fluidos de perforación son no newtonianos, este modelo no describe su comportamiento de flujo y como no existe ningún modelo reológico específico que pueda describir con precisión las características de flujo de todos los fluidos de perforación, se han desarrollado diversos modelos para describir el comportamiento de flujo de los fluidos no newtonianos y entre los más aplicados en la industria se pueden citar:

7.5.1-. Modelo de la ley exponencial

Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según la velocidad de corte elevada matemáticamente a una potencia determinada. Matemáticamente, el modelo de ley exponencial se expresa como:

τ = Kγn (Ec-17)

Donde:τ : esfuerzo de corte en lb/100pie2

K: índice de consistencia del fluido en cP o lb/100pie2seg-1

γ : velocidad de corte en seg-1 n : índice de comportamiento de flujo del fluido

7.5.2-. Modelo de Herschel – Bulkley (punto cedente – ley de potencia modificada)

Debido a que la mayoría de los fluidos de perforación presentan esfuerzo cortante, el modelo de Herschel – Bulkley (punto cedente – ley de potencia modificada (MHB) describe el comportamiento reológico de los fluidos de perforación con mayor exactitud que ningún otro modelo.

El modelo MHB usa la siguiente ecuación para describir el comportamiento de un fluido:

(Ec-18)

Donde:

: esfuerzo de corte medio en Lb/100pie2

τ0 : esfuerzo del punto cedente del fluido (esfuerzo de velocidad de corte cero) en Lb/100pie2

K : índice de consistencia del fluido en cP o Lb/100pie2 segn

n : índice de flujo del fluidoγ : velocidad de corte en seg-1

7.6-. Regímenes de flujo

Según Baroid. (1997); estos son conocidos como Flujo Laminar, que tiene lugar entre bajas y moderadas velocidades de corte en que las capas de fluido pasan unas junto a otras en forma ordenada. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es menor en este tipo de flujo. Los parámetros reológicos del fluido de perforación son importantes para el cálculo de las pérdidas de presión por fricción en fluidos de perforación de flujo laminar.

Flujo Turbulento, producido por altas velocidades de flujo con altos índices de cizallamiento, cuando un fluido se mueve en forma caótica. En flujo turbulento las partículas son arrastradas al azar y remolinos de corriente. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es mayor en este tipo de flujo y los parámetros reológicos no tienen gran influencia en los cálculos de las pérdidas de presión friccional.

Tiene lugar Flujo Transicional cuando el flujo cambia de laminar a turbulento o viceversa, donde la velocidad particular a la cual el flujo cambia de un régimen a otro se denomina velocidad crítica.

7.7-. Parámetros considerados para los cálculos de hidráulica de perforación

Las velocidades y caídas de presión encontradas durante la circulación del fluido de perforación por el interior de la sarta y el espacio anular son de gran importancia en las operaciones de perforación, por lo cual es necesario tomar en consideración algunos parámetros para los cálculos en la hidráulica de los fluidos tales como el número de Reynolds, factor de fricción y viscosidad efectiva del fluido.

Las ecuaciones hidráulicas han sido desarrolladas usando básicamente el modelo de Herschel-Bulckley y sus soluciones se pueden obtener usando programas computarizados, debido a que este modelo predice mejor el comportamiento reológico de fluidos de perforación a bajas velocidades de corte, resultan valores más exactos de caídas de presión en flujo laminar, densidades equivalentes de circulación, entre otros; con la finalidad de obtener información sobre bombas y circulación, hidráulica de barrenas, limpieza del pozo, regímenes de flujo, etc. (Baroid. 1997).

7.8-. Términos usados en los cálculos de hidráulica de fluidos

Según Baroid (1997), para predecir el comportamiento de los fluidos de perforación que circulan a través de las tuberías y espacios anulares se usan ecuaciones matemáticas. Las velocidades y caídas de presiones encontradas durante la circulación son de particular importancia para las operaciones de perforación.

Existen varios términos importantes usados en cálculos de hidráulica los cuales se definen a continuación:

Número de Reynolds (NRe): un término numérico adimensional decide si un fluido circulante estará en flujo laminar o turbulento. A menudo un número de Reynolds mayor de 2100 marcará el comienzo de flujo turbulento, pero no siempre es así.

Número crítico de Reynolds (NRec): este valor corresponde al número de Reynolds al cual el flujo laminar se convierte en flujo turbulento.

Factor de fricción (f): este término adimensional es definido para fluidos de la ley de la potencia en flujo turbulento y relaciona el número de fluido de Reynolds con un factor de “aspereza” de la tubería. En la siguiente figura se muestra la relación entre el número de Reynolds y el factor de fricción para flujo laminar (Nre ˂ 2100), y de diversos valores de n para fluidos en flujo turbulento (NRe ˃ 2100).

Caídas de presión (∆p/∆L): cuando los fluidos circulan a través de un tubo o espacio anular se desarrollan fuerzas de fricción. Como resultado, se disipa energía del fluido. Estas fuerzas friccionales se conocen como caídas de presión, y comúnmente se designan en forma de presión por longitud unitaria. Cuanto más largo sea un tubo o espacio anular, tanto mayor será la caída presión. Los factores que pueden afectar la magnitud de la caída de presión incluyen: longitud, índice de flujo (régimen de flujo de tipo laminar o turbulento), propiedades reológicas del fluido, excentricidad del tubo, geometría del tubo/espacio anular, aspereza del tubo, etc.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ANDÉRICO, J.; GUTIERREZ,Y ; OTAHOLA, J. (2012). Determinación de la eficiencia de limpieza de fluidos formulados con humectante a base de glicerina de aceite residual de maíz (zea maiz). Trabajo de grado para la Universidad de Oriente. Monagas Venezuela.

BAKER HUGUES INTEQ. (1998). Manual de Ingeniería de Fluidos de Perforación. Houston, Texas, USA.

BAROID. (2001). Manual de Fluidos de Perforación, Houston-Estados Unidos.

CIED. (2002). "Fluidos de perforación y control de sólidos", primera edición.

ESVENCA. (2010). Manual Básico de Fluidos de Perforación. Monagas-Venezuela.

INTITUTO AMERICANO DEL PETRÓLEO. (1995). Práctica Recomendada sobre Reología e Hidráulica de los Fluidos de Perforación para Pozos de Petróleo, Washington, DC 20005.

MI DRILLING FLUIDS. (2001). Manual de Fluidos, Houston-Estados Unidos.

RODRIGUEZ, F; RÍOS, E. Y OTAHOLA, J (2013). Evaluación del comportamiento hidráulico de los fluidos de perforación formulados con humectantes a base de lecitina de soya (Glycine max) y palma aceitera (Elaeis guineenss). Trabajo de grado para la Universidad de Oriente. Monagas Venezuela.