10 Guía Práctica Para El Diseño de Perforación Direccional y

8/20/2019 10 Guía Práctica Para El Diseño de Perforación Direccional y

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1. Objetivo

Actualmente, la mayoría de los pozos perforadosson direccionales. Por lo tanto, el objetivo de lapresente guía es proporcionar los criterios básicosde diseño que permitan optimizar la trayectoria delpozo para alcanzar el objetivo del mismo, en untiempo mínimo, conforme a las necesidades delcliente y a un costo mínimo.

2. IntroducciónLa ubicación natural de los yacimientos petroleroses generalmente muy incierta. En la mayoría de loscasos, éstos se encuentran por debajo de áreasinaccesibles verticalmente (zonas urbanas orestringidas ecológicamente, como lagunas, ríos opantanos o montañas. Consecuentemente, laforma más económica para explotar estosyacimientos es a través de pozos direccionales,perforados desde una localización ubicada acientos de metros del yacimiento. Por otro lado, eldesarrollo de yacimientos marinos resultaríaincosteable si no fuese posible perforar variospozos direccionales desde una misma plataforma.Adicionalmente, la solución de problemasmecánicos severos que suelen presentarse alperforar (pescados, colapsos de TRs, etc.) y lareubicación de objetivos son económicamentefactibles con la perforación direccional.

3. Conceptos Generales

Actualmente, la perforación direccional es unapráctica común utilizada para explotar yacimientospetroleros. Sin embargo, el conocimiento de estatécnica de perforación esta concentrado en muypocos ingenieros de nuestras áreas de diseño yoperación. Por lo tanto, es necesario difundirlo paraentender los conceptos básicos que sustentan estapráctica de perforación, los cuales se describen acontinuación y se muestran esquemáticamente enla Figura 1.

Un pozo direccional es aquel que se perfora a lolargo de una trayectoria planeada para atravesar el

yacimiento en una posición predeterminada(objetivo ), localizada a determinada distancialateral de la localización superficial del equipo dperforación. Para alcanzar el objetivo es necesariotener control del ángulo y la dirección del pozo, lacuales son referidas a los planos vertical(inclinación) y horizontal (direcciónrespectivamente.

Figura 1 Pozo direccional.Otros conceptos específicos son: Profundidaddesarrollada (PD) , que es la distancia medida a lolargo de la trayectoria real del pozo, desde el puntode referencia en la superficie, hasta el punto deregistros direccionales. Esta profundidad siemprese conoce, ya sea contando la tubería o por elcontador de profundidad de la línea de acero.La Profundidad vertical verdadera (PVV), es ladistancia vertical desde el nivel de referencia deprofundidad, hasta un punto en la trayectoria delpozo. Este es normalmente un valor calculado.Inclinación, es el ángulo (en grados) entre lavertical local, dada por el vector local de gravedadcomo lo indica una plomada, y la tangente al eje

Guía Práctica para el Diseño de la Perforación Direccional y Control de laDesviación

N

S

EW

ObjetivoP l a n o d i r e c c i o n a l

P l a n o d e i n c l i n a c i ó n

P r o

f u n

d i d a

d V e r t

i c a

l ( P V )

Ángulo deinclinación

Ángulo dedirección

θ

α

T r a y e c t o r i a d e l p o z o o

p r o f u n d i d a d m e d i d a ( P M )

KOP

Yacimiento

N

S

EW

ObjetivoP l a n o d i r e c c i o n a l

P l a n o d e i n c l i n a c i ó n

P r o

f u n

d i d a

d V e r t

i c a

l ( P V )

Ángulo deinclinación

Ángulo dedirección

θ

α

T r a y e c t o r i a d e l p o z o o

p r o f u n d i d a d m e d i d a ( P M )

KOP

Yacimiento


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Guía Práctica para el Diseño de la Perforación Direccional 2

del pozo en un punto determinado. Por convención,0° corresponde a la vertical y 90° a la horizontal.Desplazamiento Horizontal (HD), es la distanciatotal y lineal, en el plano horizontal, del conductordel pozo al objetivo del mismo.

Azimuth (Dirección del pozo) es la dirección del

pozo sobre el plano horizontal, medida como unángulo en sentido de las manecillas del reloj, apartir del Norte de referencia. Esta referenciapuede ser el Norte Verdadero, el Magnético o el deMapa. Pata de perro (Dog leg), es la curvatura total delpozo (la combinación de cambios en inclinación ydirección) entre dos estaciones de registrodireccional. La pata de perro se mide en grados.Severidad de la pata de perro, es la magnitud de lapata de perro, referida a un intervalo estándar (porconvención se ha establecido de 100 piés o 30

metros). La severidad se reporta en grados porcada 100 pies o grados por cada 30 metros. Esconveniente mantener las severidades tan bajascomo sea posible en la perforación convencional(menos de 3 o 4°/100 pies). Las severidades altaspueden provocar problemas en el pozo tales comoojos de llave, atrapamientos de tubería o desgastede la misma o de la tubería de revestimiento.Norte magnético, Es la dirección de la componentehorizontal del campo magnético terrestre en unpunto seleccionado sobre la superficie de la Tierra.Lado alto del pozo, es el lado directamenteopuesto a la fuerza de gravedad. El punto querepresenta el lado alto es importante para orientarla cara de la herramienta. Es importante notar quea una inclinación de 0° no existe lado alto. En estecaso, los lados del pozo o de la herramienta deregistros direccionales son paralelos al vector degravedad, y no existe un punto de interseccióndesde el cual se pueda definir un lado alto. Otroconcepto importante es que sin inclinación (0°), elpozo no tiene dirección horizontal. Es decir, el ejedel pozo se representaría como un punto y nocomo una línea sobre el plano horizontal.

Herramienta (de fondo), cualquier elemento odispositivo que se incluya en el aparejo deperforación y se corra dentro del pozo. Los motoresde fondo, las camisas MWD, las herramientas deregistros direccionales, etc., son ejemplos deherramientas de fondo.

Cara de la herramienta (Toolface), el término seusa en relación a las herramientas desviadoras o alos motores dirigibles y se puede expresar en dosformas:

• Física. El lugar sobre una herramientadesviadora, señalado comúnmente con unalínea de marca, que se posiciona hacia unaorientación determinada mientras se perfora,para determinar el curso futuro del pozo.

• Conceptual. En el pozo, el término “cara de la

herramienta (toolface)” es a menudo utilizadocomo frase corta para referirse a la orientaciónde la misma (orientation toolface). Por ejemplopuede ser la orientación del sustituto denavegación de un motor dirigible, expresadacomo una dirección desde el Norte o desde laboca del pozo.

Orientación de la cara de la herramienta , como yase mencionó, es la medida angular de la cara deuna herramienta flexionada con respecto al ladoalto del pozo o al Norte.

4. Metodología práctica de diseño de laperforación direccional

La metodología propuesta en esta guía estableceque, una vez que se cuenta con la informaciónnecesaria, se debe realizar el diseño, yposteriormente, la evaluación de la trayectoriadireccional del pozo. Esto quiere decir que no sedebe concretar únicamente a diseñar lastrayectorias dentro del proceso de planeación de laperforación de un pozo, sino que además, debe

verificarse durante la perforación del pozo latrayectoria diseñada y, en su caso, si es necesario,corregirla. Además, una vez perforado el pozo, sedebe realizar un análisis para obtener la trayectoriareal perforada, y utilizar esta información comretroalimentación para el desarrollo de futurospozos.Por tanto, la metodología se resume en lossiguientes puntos:

1. Recopil ación de Información2. Determinación de la Trayectoria

3. Evaluación de la Trayectoria 4. Contro l de la Trayectoria

4.1 Recopilación de InformaciónLa información es fundamental para la planeación ydiseño de la perforación de pozos. En este punto,se recurre a diferentes fuentes para conseguir losdatos necesarios para aplicar los procedimientosde diseño. Básicamente, la información se obtienedel programa inicial de perforación, de propuestasde compañías, de programas de ingeniería yexpedientes de pozos. En los siguientes puntos se


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definen los datos necesarios 1 para aplicar elproceso de determinación y evaluación de latrayectoria de un pozo:

♦ Localización del equipo.♦ Coordenadas del objetivo.♦ Columna geológica programada.♦ Características de la formación.♦ Dirección del mínimo esfuerzo en la

formación.♦ Desplazamiento horizontal que existe

desde el equipo hasta el objetivo.♦ Profundidad de inicio de desviación.♦ Profundidad vertical del objetivo.♦ Ritmo de incremento de ángulo

(severidad).♦ Tipo de trayectoria.

♦ Columna geológica a atravesardependiendo del tipo de trayectoria.♦ Programas de cómputo con que se

cuenta para la simulación.

4.2 Determinación de la TrayectoriaEl primer paso en la planeación de cualquier pozodireccional es determinar la trayectoria que permitaintersectar el o los objetivos programados2. Paraeste caso es importante tener en consideración lasrestricciones geológicas y económicas del pozo aser perforado.Por lo tanto, la selección del tipo de trayectoriadependerá principalmente de los siguientesfactores:• Características de la estructura geológica• Espaciamiento entre pozos• Profundidad vertical• Desplazamiento horizontal del objetivo.

A continuación se describen los pasos a seguir enel diseño de la trayectoria de pozos exploratorios yde desarrollo.

a) Determinar la trayectoria del pozo en el planohorizontal.

b) Determinar la trayectoria del pozo en el planovertical.

c) Para pozos ubicados en una plataforma marinaó macropera, realizar un análisis anticolisiónentre el pozo en planeación y los pozoscercanos.

d) Obtener Trayectoria VS. Profundidad

En la siguiente sección se describen los tipos detrayectorias que se pueden seleccionar para eldiseño de un pozo direccional.

4.2.1 Trayectoria Incrementar-Mantener (Slant)

La trayectoria tipo “Slant” consta de una secciónvertical, seguida de una sección curva donde elángulo de inclinación se incrementa hasta alcanzarel valor deseado, el cual es mantenido (seccióntangente o sección de mantener) hasta alcanzar elobjetivo. La trayectoria tipo “Slant” se ilustra en Figura 2.

OBJETIVO

1

D2

D3

x2

x 3

θ

R 1 < x3

Ω

θR 1 R 1

D1D2

D3

OBJETIVO

θ

θΩ

X2

X3

R 1>x3

Figura 2. Trayectoria Incrementar-Mantener (tipo

“Slant”).

En el Apéndice B.1 se muestran los cálculoscorrespondientes para el diseño de la trayectoriatipo “Slant”.

4.2.2 Trayectoria Incrementar-Mantener-Disminui r (Tipo S)La trayectoria tipo “S” esta formada por unsección vertical, seguida por un ángulo deinclinación que se incrementa hasta alcanzar elvalor deseado, luego se tiene una sección recta(sección tangente o sección de mantener) , y poúltimo se tiene una sección en la que se disminuye

el ángulo para entrar verticalmente al objetivo. Estatrayectoria se ilustra en la Figura 3.


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Figura 3 Trayectoria Incrementar-Mantener-Disminuir(tipo “S”).

En el Apéndice B.2 se muestran los cálculoscorrespondientes para el diseño de la trayectoriatipo “S”.

4.2.3 Trayectoria Incrementar-Mantener-Disminuir y/o Mantener (Tipo “ S” modifi cada)La trayectoria tipo “S” modificada esta conformadapor una sección vertical, un ángulo de inclinaciónque se incrementa hasta alcanzar el valor deseado,a continuación se tiene una sección recta (seccióntangente o sección de mantener), seguida de unasección en la que se disminuye el ánguloparcialmente (menor al ángulo de incrementar) ypor último se tiene una sección tangente o secciónde mantener con cual se logra entrar de formainclinada al objetivo. Esta trayectoria se ilustra enla Figura 4.

Figura 4 Trayectoria Incrementar-Mantener-Disminuiry/o Mantener (tipo “S” modificada).

En el Apéndice B.3 se presentan los cálculoscorrespondientes para el diseño de la trayectoriatipo “S” modificada.

4.2.4 Trayectoria de Incremento continuoLa trayectoria de incremento continuo consiste deuna sección vertical, continúa con un ángulo deinclinación el cual se incrementa hasta alcanzar elobjetivo. La trayectoria de incremento continuo seilustra en la Figura 5.

D1

x2

I1

Ι2

θ

R 12D

OBJETIVO

Figura 5 Trayectoria de Incremento continuo.

Finalmente, en el Apéndice B.4 se muestran loscálculos correspondientes para el diseño de latrayectoria de incremento continuo.En la siguiente tabla se resumen las principalescaracterísticas de cada trayectoria descrita.

Tipo deTrayectoria

Característicasprincipales Observaciones

AIncrementary mantener

(Slant)

Atraviesa elobjetivo a un

ángulo igual almáximo

desarrollado

Requiere elmenor ángulode inclinación

para alcanzar elobjetivo

B

Incrementar,mantener ydisminuir(tipoS)

Atraviesa elobjetivo en

forma vertical

Requiere masángulo que A y

C

C

Incrementar-

mantener,disminuir y/omantener(TipoS

modificada)

Atraviesa elobjetivo a unángulo menor al

máximodesarrollado

Requiere masángulo que A

D Incrementocontinuo

El ángulocontinua

incrementandoal atravesar el

objetivo

Requiere másángulo que A ,

B y C paraalcanzar el

objetivoTabla 1. Tipo y características de trayectorias.

D1 D2

D3D4

x2

x3

x4

θ

θ

R 1 + R 2 < x 4

D 1

D 2

D 3

D 4

x2

x 3

x4

R 1

θ

Ωθ

R 1 + R 2 > x 4

Ω

R 1

OBJETIVO

θR 2

OBJETIVO

R 2θ

R 1 + R 2 < x 5

OBJETIVO

D1

D2D

3

D5

D4

D 6

x2

x3

x4

x5

x6

R 2

θ ´θ

Ω ´

θ

θ ´

OBJETIVO

D1

D2

D3D

5

D4D

6

x2

x3

x 4

x5

x6

R 2

θ

Ω

Ω ´

R 1 + R 2 > x 5

θ

θ∋

θ ´

R 1

θΩ

R 1θ


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4.2.5 Selección de la Trayector iaPara la planeación de un pozo direccional serequiere conocer con anticipación: la profundidadvertical total (PVT), las dimensiones del objetivo yel desplazamiento horizontal (d h). Adicionalmente,se debe considerar un ritmo de inclinación (r i) y la

profundidad del inicio de la desviación KOP (kickoffpoint) recomendados. Con base en estainformación y las características geológicas de lasformaciones a perforar, se selecciona la trayectoriaoptima que permita alcanzar el objetivo en elmenor tiempo posible y conforme a lasnecesidades del cliente. Para esto, se propone elsiguiente procedimiento, que ilustra, además, laFigura 6:

1.- Obtener las coordenadas del equipo y delobjetivo, la columna geológica programada y lascaracterísticas de la formación.2.- Si se tiene definido el punto de inicio dedesviación (KOP), continuar en 3, sino:

2.1.- Ubicar el KOP entre 15 y 50 m por debajode la tubería de revestimiento superficial.2.2.- Si la formación donde se ubicó el KOP esde dureza media, continuar en 3, sino:2.2.1.- Profundizar hasta encontrar unaformación de dureza media y ubicar en esazona el KOP.

Figura 6 Procedimiento para Selección de la Trayectoria

INICIO

NO

NONO

SI

SI

NO

SI

SI

NO

FI N

NO

SI

SI SI

NO

OBTENER

COORD. EQUIPOCOOR. OBJETIV OCO. GEOL. PROG.

CARACT. FORMACIÓN

SE TIENEDEFINIDOEL KOP

UBICAR EL KOP,ENTRE 15 Y 50 m

POR DEBAJO DE LAT.R. SUPERFICIAL

FORMACIÓN ESDE DUREZA

MEDIA

CONSIDERAR LA COLUMNAGEOLOGICA E INICIAR LA

DEVIACIÓN HASTA ENCONTRARUNA FORMACIÓN DE DUREZA

MEDIA

EL KOP ESPROFUNDO(>300 m)

DEFINIDOÁNGULO

DE ENTRADAAL OBJETIVO

CONSIDERAR ÁNGULO DE ENTRADA AOBJETIVO EN BAE DE LA

FORMACIÓN,ESPESOR Y CAPACIDAD DEHTTA. DE DESVIACIÓN, OBTENIDAS APARTIR DE DATOS DE POZOS DE

CORRRELACIÓN.

DESPLAZAMIENTOLATERAL ES

CORTO(


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3.- Si el KOP es profundo (mayor de 3000 m),continuar en 4, sino, evaluar:

3.1.- Si se tiene definido el ángulo de entrada alobjetivo, continuar en 3.2, sino:3.1.1.- Considerar el ángulo de entrada alobjetivo de acuerdo con las características y

espesor de la formación, y capacidad deherramientas de desviación, obtenidas a partirde pozos de correlación.3.2.- Si el ángulo de entrada al objetivo esmayor de 15°, continuar en 3.5, sino, evaluar:3.3.- Si el desplazamiento es largo (D3


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3. Método de Radio de Curvatura.- Considerauna línea curva suavizada para unir a lasestaciones.

4. Método de Mínima Curvatura.- Considerauna línea curva suavizada con un factor deseveridad a la desviación, conocido también

como factor a la “pata de perro”.La principal diferencia entre dichos métodos es queun grupo utiliza aproximaciones de línea recta y elotro supone que el pozo es una curva y seaproxima con segmentos de curvas. De estoscuatro métodos, el de Radio de curvatura y el deMínima Curvatura, han mostrado ser los másprecisos, y, por tanto, los que han sido utilizadoscon mayor frecuencia.

4.3.2.1 Método de Radio de Curvatura 3

En este método se utilizan los ángulos medidos enlas dos estaciones de registro consecutivas,generando una curva espacial con la cual serepresenta la trayectoria que describe el pozo. Seasume que el curso del agujero representa latrayectoria de una curva suave que pasa a travésde las estaciones de registro, representada por unaserie de segmentos circulares o esféricos.El procedimiento que se aplica en este caso es:a) Obtener los ángulos medidos en las dos

estaciones de registro.b) Para cada punto de interés (No. de estaciones),

obtener:b.1) El radio de curvatura vertical (RCV ) del

segmento, en (m), con la ecuación 1.) /() D29.57 ( RCV

1ii Mi −−⋅= α α (1)

Donde D Mi es la distancia perforada delsegmento i, en (m); α i es el ángulo de inclinaciónen la estación i, (º),y α i-1 es el ángulo de inclinaciónen la estación i-1, en (º).b.2) El radio de curvatura horizontal (RCH ) del

segmento, en (m), con la ecuación 2.

)/()29.57( 1−−⋅= ii An RCH ε ε (2) ))cos()(cos( 1 ii RCV An α α −⋅= − (2a)

b.3) El desplazamiento coordenado Norte/Sur (Li,en (m)) al final del segmento con las siguientesecuaciones:

))()(( 1−−⋅= i i i sensen RCH L ε εε ε ε εε ε (3)

b.4) El desplazamiento coordenado Este/Oeste ( Mien (m)) al final del segmento con las ecuación4:

))cos()(cos( 1 i i i RCH M ε εε ε ε εε ε −⋅= − (4)b.5) La profundidad vertical del segmento (Di, en

(m)) con: ))sen()(sen( 1−−⋅= iii RCV D α α (5)c) Tomar otra estación y repetir la secuencia de

cálculos.d) Obtener la trayectoria real VS. Profundidad, a

partir de las siguientes expresiones:

∑=

=n

i i n L L

1)( (6)

∑=

=n

i

i n M M

1

)( (7)

∑=

+=n

i i n D D D

11 (8)

4.3.2.2 Método de Curvatura MínimaEste método utiliza los ángulos en A1 y A2, ysupone un pozo curvado sobre el tramo o secciónD2 y no en línea recta, tal como se muestra en laFigura 8. El método de la mínima curvatura utiliza loángulos obtenidos en dos estaciones de registroconsecutivas. El método considera un planooblicuo, con el cual describe una trayectoria dearco circular suave con el cual se representa elcurso del pozo.

Figura 8 Representación del factor de relación demínima curvatura, F .

Q

O

β ββ β / 2

β ββ β / 2

αααα 1

B

A1

A2 β ββ β

Q

O

β ββ β / 2

β ββ β / 2

αααα 1

B

A1

A2 β ββ β

Q

O

β ββ β / 2

β ββ β / 2

αααα 1

B

A1

A2 β ββ β


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De esta manera se asume que la trayectoria delpozo queda conformada por arcos circularessuaves que unen a cada una de las estaciones deregistro. El método considera un plano oblicuo, conel cual describe una trayectoria de arco circularsuave con el cual se representa el curso del pozo.

El procedimiento a seguir se enuncia acontinuación:a) Obtener los ángulos obtenidos en las dos

estaciones de registro consecutivas.b) Para cada punto de interés (No. de estaciones),

obtener:b.1) El ángulo máximo de desviación del segmento

)))cos(1()()(()cos(cos

1

11

−

−−

−−⋅⋅−−=

i i

i i i i i sensen

ε εε ε ε εε ε α αα α α αα α α α α αα α β ββ β

(9)

Donde β i es el ángulo máximo de desviación del

segmento i, (º). b.2) El factor de relación entre la sección recta y lasección curva (F i (adim)).

)2/tan()/2( i i i F β ββ β β ββ β ⋅= (10) b.3) El desplazamiento coordenado Norte/Sur alfinal del segmento.

i i i

i i Mi i

F sensen

sensen D L

*))(*)()(*)((*)2/( 11

ε εε ε α αα α ε εε ε α αα α += −− (11)

b.4) El desplazamiento coordenado Este/Oeste alfinal del segmento con la ecuación 12 :

i i i

i i Mi i

F sen

sen D M

*))cos(*)()cos(*)((*)2/( 11

ε εε ε α αα α ε εε ε α αα α += −− (12)

b.5) La profundidad vertical del segmento, con lasiguiente expresión:

i i i Mi i F D D *))cos()(cos(*)2/( 1 α αα α α αα α += − (13) c) Tomar otra estación y repetir la secuencia de

cálculos.d) Obtener la trayectoria real VS. Profundidad,

con las siguientes expresiones:

∑=

=n

i i n L L

1)( (14)

∑=

=n

i i n M M

1)( (15)

∑=

+=n

i i n D D D

11 (16)

4.4 Control de la Trayectoria 3

En esta sección se describen los dispositivos paramedición de la trayectoria, las herramientas y/oequipo para la desviación, y los aparejos de fondorecomendados para el control de la desviación.

4.4.1 Dispositivos para medición de latrayectoria.La trayectoria real de un pozo se determinamidiendo la inclinación y la dirección a variaprofundidades, y aplicando posteriormente estainformación a uno de los métodos de cálculopresentados en la sección anterior. Esto se realizaprincipalmente para orientar de manera adecuadael equipo desviador, ya sea una cuchara, la toberade una barrena de chorro, un estabilizador conexcentricidad, un codo desviador o un bent

housing.Anteriormente, la inclinación y dirección sdeterminaban con herramientas magnéticas ygiroscópicas (single o multishot).Debido al desarrollo de la tecnología de telemetría,actualmente existen otras maneras de medir ladirección, la inclinación y la cara de la herramientatales como arreglos de magnetómetros yacelerómetros. La energía puede serproporcionada por baterías, cable conductor o porun generador accionado por el fluido deperforación. Si la herramienta de medición escolocada en el aparejo de fondo, cerca de labarrena, y las mediciones son tomadas durante laperforación, a ésta se le llama: herramienta demedición durante la perforación o MWD(Measurement While Drilling).Los instrumentos más utilizados en la actualidadpara obtener la inclinación y el rumbo de un pozoson:• Instrumentos giroscópicos• Herramienta de orientación direccional• Sistemas MWD.

El intervalo de registro se ha estandarizado. Seconsidera que es recomendable registrar cada 30metros de agujero desviado.

4.4.1.1 Instrumentos GiroscópicosEstos instrumentos no requieren de lastrabarrenasantimagnético, ya que toma el lugar de la brújulamagnética.Ya sea desde superficie o mediante un sistema deencendido automático, el giroscopio se pone enfuncionamiento a unas 40,000 o 60,000 rpm. Estaoperación genera un campo magnético que elimina


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el efecto del campo magnético terrestre,permitiendo registrar el norte verdadero.Para la interpretación del registro se utiliza unlector que amplifica la fotografía; la pantalla delvisor puede colocarse de tal manera que la líneanorte-sur pueda ponerse sobre la manecilla

indicadora del norte en la fotografía. De estamanera, es posible leer directamente el rumboverdadero en la circunferencia del lector einspeccionar en forma precisa el grado deinclinación del agujero.

4.4.1.2 Herramientas de orientación direccionalEste tipo de herramientas fueron utilizadasampliamente en Petróleos Mexicanos en añospasados. Constan de una probeta con equipoelectrónico, la cual se adapta a una varilla con“pata de mula”, la cual se asienta en la base

correspondiente del orientador.4.4.1.3 Sistemas MWDDesde hace algunas décadas, las compañíasbuscaron la manera de registrar las formacionesdurante la perforación, aunque tecnológicamenteera muy difícil fabricar herramientas que pudierancontrarrestar las difíciles condiciones de fondo ytransmitir información confiable. Diferentesmétodos de transmisión fueron utilizados:electromagnéticos, acústicos, de pulsos, demodulación de pulsos, o cable y tubería. De todoslos métodos de transmisión, los de pulsos depresión y los de modulación de pulsos hanevolucionado a sistemas comerciales actualmenteutilizados por la comunidad de perforacióndireccional.Los dos sistemas MWD más comunes son elsistema de pulsos de presión y el de transmisiónde pulsos modulados de presión.El sistema MWD utiliza pulsos para transmitir lainformación de la herramienta a la superficie enforma digital (binaria). Estos pulsos son convertidosen energía eléctrica por medio de un transductoren superficie, los cuales son decodificados por unacomputadora.Existen diversas compañías que proporcionan esteservicio a la industria petrolera en todo el mundo,siendo los sistemas más utilizados en la actualidadpara el control direccional de los pozos.

4.4.2 Herramientas y/o equipo de desviaciónPara la perforación direccional es sumamenteimportante contar con las herramientasdesviadoras adecuadas, así como con lasbarrenas, herramientas auxiliares y la

instrumentación apropiadas. Las herramientasdesviadoras son el medio para iniciar o corregir ladeflexión de la trayectoria del pozo.Podemos clasificar las herramientas en tresgrupos:

o Desviadores de paredo

Barrenas de Chorroo Motor de FondoLa apertura de la llamada ventana (KOP), resultauna etapa crítica durante la perforación de un pozodireccional, ya que un inicio correcto de ldesviación dará la pauta para lograr un desarrollosatisfactorio de la trayectoria.La perforación direccional ha ido evolucionando, con ello, las herramientas desviadoras han sufridocambios en su diseño.Actualmente, en la perforación de pozosdireccionales las herramientas más utilizadas son

los motores de fondo dirigibles o geonavegables.A continuación se presentan las principalescaracterísticas de estas herramientas.

4.4.2.1 Desviador de paredActualmente estas herramientas son utilizadascomúnmente en pozos multilaterales y pueden serde tipo recuperable o permanente.Desviador de pared recuperable. Constan de unacuña larga invertida de acero, cóncava, con el ladointerior acanalado para guiar la barrena hacia elrumbo de inicio de desviación. Los ángulos paralos cuales están diseñados estos desviadores,varían entre 1 y 5 grados; en su parte inferiortienen una especie de punta de cincel para evitarque giren cuando la barrena está trabajando. En laparte superior de la barrena, se instala unlastrabarrena o portabarrena, el cual permiterecuperar el desviador (Figura 9).Desviador de pared permanente. Estosdesviadores se colocan en agujeros ademados(donde existan obstrucciones por colapso de laT.R.) o en agujeros descubiertos que contengan unmedio donde asentarlo (un tapón de apoyo o unpescado con media junta de seguridad).Comúnmente, se coloca con un conjuntocompuesto por un molino, un orientador y tuberíaextrapesada. Una vez orientada la herramienta sele aplica peso y se rompe el pasador que une eldesviador con el molino, girando lentamente lasarta de molienda. Este tipo de desviador es muyutilizado sobre todo en pozos con accidentesmecánicos.


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Figura 9 Desviador de pared

4.4.2.2 Barrena de chorroEsta barrena era utilizada para desviar latrayectoria en formaciones suaves, aunque conresultados erráticos y generando patas de perroseveras. Una barrena convencional puede serutilizada para desviar pozos en ese tipo deformaciones. Esto se logra taponando dos de lastoberas y dejando la tercera libre o con una dediámetro muy grande. Esta última se orienta en ladirección a la cual se desea desviar, después seponen en funcionamiento las bombas, moviendohacia arriba y hacia abajo la tubería de perforación.La acción del chorro deslava materialmente laformación. Una vez fijado el curso apropiado, segira la sarta y la barrena tiende a seguir el caminode menor resistencia formado por la seccióndeslavada (Figura 10).

Figura 10 Barrena de chorro

4.4.2.3 Motores de fondoLos motores de fondo constituyen el desarrollo másavanzado en herramientas desviadoras. Sonoperados hidráulicamente por medio del lodo deperforación bombeado desde la superficie a travésde la tubería de perforación.

Entre las principales ventajas de los motores defondo podemos mencionar las siguientes:• Proporcionan un mejor control de la desviación• Posibilidad de desviar en cualquier punto de la

trayectoria de un pozo.• Ayudan a reducir la fatiga de la tubería de

perforación.• Pueden proporcionar mayor velocidad de

rotación en la barrena.• Generan arcos de curvatura suaves durante la

perforación.• Se pueden obtener mejores ritmos de

penetración.Analizando las ventajas anteriores podemosconcluir que el uso de motores de fondo reduce losriesgos de pescados, optimiza la perforación y, enconsecuencia, disminuye los costos totales deperforación.Cabe aclarar que el motor de fondo no realiza ladesviación por si solo, requiere del empleo de uncodo desviador (bent sub). El ángulo del codo es elque determina la severidad en el cambio de ángulo(Figura 11).

Figura 11 Codo desviador – Motor rígido.

Los motores de fondo pueden trabajar (en lamayoría de los casos) con cualquier tipo de fluidode perforación (base agua o aceite), lodos con


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aditivos e incluso con materiales obturantes,aunque los fluidos con alto contenido de sólidosreducen en forma significativa la vida de laherramienta. El contenido de gas o aire en el fluidopuede provocar daños por cavitación en el hule delestator.

El tipo y diámetro del motor a utilizar depende delos siguientes factores:• Diámetro del agujero.• Programa hidráulico.• Ángulo del agujero al comenzar la operación de

desviación.• Accesorios (estabilizadores, lastrabarrenas,

codos, etc.).La vida útil del motor depende en gran medida delas siguientes condiciones:• Tipo de fluido.• Altas temperaturas.• Caídas de presión en el motor.• Peso sobre barrena.• Tipo de formación.Los motores de fondo pueden ser de turbina ohelicoidales. En la Figura 12 se muestra undiagrama de un motor dirigible, el cual es laherramienta más utilizada para perforar pozosdireccionales y se caracteriza por tener laversatilidad de poder perforar tanto en el modorotatorio, como deslizando.

Figura 12 Arreglo de un motor dirigible.

Estos aparejos evitan la necesidad de realizarviajes con la tubería para cambiar los aparejos defondo. En la Figura 13 se muestra una seccióntransversal de un motor de fondo. Ambos motorespueden dividirse en los siguientes componentes:conjunto de válvula de descarga o de paso,

conjunto de etapas (rotor-estator, hélicesparciales), conjunto de conexión, conjunto decojinetes y flecha impulsora, unión sustituta derotación para barrena.

4.4.2.4 Codos desviadores y Juntas articuladasEstos elementos se corren generalmente con unmotor de fondo. Los codos desviadores se colocanen la parte superior de un motor de fondo y sonelementos de tubería de doble piñón, el cual seconecta de manera normal a la sarta a través de suextremo superior y el extremo inferior está

maquinado con un ángulo de desviación fuera deleje del cuerpo. Estos elementos le proporcionan unángulo a la sarta para poder perforar,generalmente a bajos ritmos de incremento. Solopueden ser utilizados en el modo sin rotar(deslizando).

Figura 13 Sección transversal de un motor de fondo

Respecto a la junta articulada, a esta se le conocetambién como unión articulada o rodilla mecánicaEste conjunto se basa en el principio de la unión


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universal y la parte inferior puede girarse a uncierto ángulo de inclinación.

4.4.2.5 Perforación direccional con Motor deFondoPara la perforación direccional con motor de fondo

se pueden utilizar básicamente dos tipos dearreglos:o Sarta orientadao Sarta navegable

4.4.3. Aparejos de FondoLa tendencia de desviación de los pozos es funciónde las características de la formación, de lascondiciones de operación, así como de lascaracterísticas de posición y construcción deestabilizadores y lastrabarrenas. Por esto laselección de los ensambles de fondo es de gran

importancia para el éxito del proyecto direccional.Para comprender las bases del análisis de fuerzasque actúan en la perforación direccional, así comolos arreglos de ensambles de fondo, comúnmenteusados para incrementar, reducir o mantener elángulo de inclinación, se puede consultar la “ GuíaPráctica para el Diseño de Sartas dePerforación” 4.

5. Recomendaciones Prácticas

A continuación se enuncian algunasrecomendaciones prácticas para reducir los riesgosoperativos durante la perforación de un proyectodireccional.

5.1 CostosComo regla de campo, el costo de un pozodireccional es de 1.5 a 1.75 veces el costo de unpozo vertical. Por lo que es recomendable unaapropiada planeación y comunicación para reducirlos costos. También es conveniente considerargrandes o diversos objetivos para reducir el costototal de la perforación de pozos5.

5.2 TorqueEn la perforación direccional el torque impuesto ala sarta de perforación se incrementaráintrínsecamente debido a la severidad de la “patade perro”, la posible formación de ojos de llave y alprobable embolamiento de los estabilizadores.Para esto, se recomienda emplear tubería Extra-Pesada (HWDP), mantener al mínimo la severidadde la “pata de perro”, y mantener las propiedadesdel fluido de perforación (densidad y viscosidad,principalmente) 5.

5.3 ArrastreEl arrastre de la sarta de perforación se puedereducir al mínimo cuando se garantiza una limpiezaapropiada del agujero.Se recomienda además, hacer viajes cortos de lasarta para reducir el arrastre total 5.

5.4 Generación de “ Ojos de Llave”Este problema se presenta principalmente enformaciones suaves, por lo que es convenientemantener al mínimo las “patas de perro”, y emplearescariadores 5.

5.5 Pegadura de paredGeneralmente se presenta cuando la sarta deperforación esta estacionaria durante la desviacióndel pozo y el motor de fondo trabajando. En estecaso es conveniente adicionar un lubricante al

sistema del lodo, así como utilizar HW, para reduciel área de contacto. Por otro lado en el programade asentamientos de tuberías de revestimiento, sedebe considerar reducir en lo posible la longitud dela sección de agujero descubierto, para disminuir elriesgo de pegaduras 5.

5.6 Hidráulica Durante la construcción del ángulo se observacomúnmente, que la eficiencia de la limpieza derecortes se reduce, generando una cama derecortes en la parte inferior del agujero.Se recomienda rotar la sarta durante intervaloscortos de tiempo (si se perfora con motor defondo), efectuar viajes cortos, y utilizar bachespesados de barrido. Para esta últimarecomendación es necesario asegurarse que ladensidad equivalente de circulación (DEC) norebase el gradiente de fractura 6.Para mayor referencia sobre este punto, se sugiereconsultar la “ Guía de Diseño Práctico para laHidráulica en la Perforación de Pozos” .

Nomenclatura

Di = Profundidad vertical de segmento

(m)DMi

= Distancia perforada del segmentoi, (m)

F i = Factor de relación entre secciónrecta y sección curva,

Li = Desplazamiento coordenado

Norte/Sur, (m)Ln

= Coordenada total Norte/Sur, (m)


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Mi = Desplazamiento coordenado

Este/Oeste, (m)Mn

= Coordenada total Este/Oeste, (m)RCV = Radio de curvatura vertical del

segmento, (m)RCH = Radio de curvatura horizontal del

segmento,(m).

Letras Griegas

α i = Águlo de inclinación en laestación i, (°)

εi = Ángulo de dirección en la estacióni, (°)εi –1 = Ángulo de dirección en la estacióni-1, (°)α i-1 = Águlo de inclinación en la

estación i-1, (º). β i = Ángulo máximo de desviación delsegmento i, (°)

Referencias

1. Procedimientos para el Diseño de laPerforación de Pozos, 1a. Fase, ProyectoPEMEX-IMP, Diciembre, 1999.

2. Bourgoyne Jr., A. T., Chenevert, M. E.,Millheim, K. K, y Young Jr., F. S. AppliedDrilling Engineering, SPE Textbook Series.

3. Libro “Cien Años de la Perforación enMéxico”, UPMP-Pemex, Capítulo IX, 2001.4. Guía Práctica para el Diseño de Sartas de

Perforación, UPMP-Pemex, 2003.5. Horizontal and Multialteral Wells, Manual de

Curso, presentado por Danny Williams-NEXT, Octubre 2003.

6. Guía de Diseño Práctico para la Hidráulicaen la Perforación de Pozos, UPMP-Pemex,2003.


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Apéndice A: Geometría Analítica Básica.Este apéndice contiene la geometría analítica básica parael diseño direccional.

Longitud de la circunferenciaC en (m):

( )1 2 −= Ar C π

Longitud del arco de la circunferenciaS en (m):

( )2 180

−= A

r S

θ θθ θ π ππ π

De la ecuación ( A-2 ) se puede despejar el radio decurvaturar en (m):

( )3 donde 1180 ó 180 −=== A S

! R

Rr

S r i

i π ππ π θ θθ θ π ππ π Teorema de PitágorasEl teorema de Pitágoras establece que la suma delcuadrado de los lados opuestos de un triángulorectángulo es igual al cuadrado de la hipotenusa.Además, la suma de los ángulos de un triángulo es iguala 180°.

( )4 222 −=+ Acba

Funciones trigonometriítas

Apéndice B: Cálculos para el Diseño de Trayectoriasde Pozos Direccionales

B.1 Trayectoria Incrementar-Mantener (Slant)

La trayectoria tipo “Slant” consta de una sec

vertical, seguida de una sección curva donde el ánde inclinación se incrementa hasta alcanzar el desel cual es mantenido (sección tangente o secciómantener) hasta alcanzar el objetivo.

Radio de curvatura:

v1 q

1180R ⋅=π

(B.1)

Donde:R 1 = Radio de curvatura dincremento, (m).q v = Ritmo de incremento de ángo severidad, (°/ m).

Ángulo máximo de inclinación:Para R 1 > x3

( ) ( )

−−

−

−+−=

13

31

213

231

1

arctan D D

x R

D D x R

Rarcsenθ θθ θ

(B.2)

Para R 1 < x3

−−

−

−

−−

−°=

13

13

13

1

13

13

arctanarccos

arctan180

R x D D

sen D D

R

R x D D

θ θθ θ

(B.3)

Donde:θ = Ángulo máximo de inclinac(°).

R 1 = Radio de curvatura dincremento, (m).q v = Ritmo de incremento de ángo severidad, (°/ m).D1 = Profundidad de inicio desviación, (m).D2 = Profundidad vertical al finalla curva de incremento, (m).D3 = Profundidad vertical al objet(m).x3 = Desplazamiento horizontal objetivo, (m).

s

r

θ

C (circunferencia)

s

r

θ

C (circunferencia)

a

bc

90°a

bc

90°

r

a

θ

a

b

r

a

r

b

=

=

=

θ

θ

θ

tan

cos

sin

( A-5 )br

a

θ

a

b

r

a

r

b

=

=

=

θ

θ

θ

tan

cos

sin

( A-5 )b


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Longitud de arco:

vARC q

L θ = (B.4)

Donde:LARC = Longitud de arco, (m).q v = Ritmo de incremento de ánguloo severidad, (°/ m).

Longitud del tramo tangente:

Ω=

tanR L 1TAN (B.5)

Para R 1 > x3

( ) ( )

−+−=Ω

213

231

1

DDxR R arcsen (B.6)

Para R 1 < x3

( ) ( )

−+−=Ω

213

213

1

DDR xR arcsen (B.7)

Donde:Ω = Ángulo formado por la rectatangente y la recta que une al objetivo con elvértice del máximo ángulo de inclinación, (°).LTAN = Longitud de la sección tangente,(m).R 1 = Radio de curvatura delincremento, (m).x3 = Desplazamiento horizontal alobjetivo, (m).D1 = Profundidad de inicio dedesviación, (m).D2 = Profundidad vertical al final dela curva de incremento, (m).D3 = Profundidad vertical al objetivo,(m).

Profundidad total desarrollada:

TANARC1M LLDD ++= (B.8)Donde:

DM = Profundidad total desarrollada,(m).D1 = Profundidad de inicio dedesviación, (m).LARC = Longitud de arco, (m).LTAN = Longitud de la sección tangente,(m).

Profundidad vertical al final de la curva:

θ senR DD 112 ⋅+= (B.9)Donde:

D2 = Profundidad vertical al finalla curva de incremento, (m).D1 = Profundidad de inicio desviación, (m).R 1 = Radio de curvatura dincremento, (m).

Desplazamiento horizontal al final de la curva:( )θ cos1R x 12 −= (B.10)

Donde:x2 = Desplazamiento horizontal final de la curva, (m).R 1 = Radio de curvatura dincremento, (m).

B.2 Trayectoria Incrementar-Mantener-Disminuir

La trayectoria tipo “S” esta formada por una secvertical, seguida por un ángulo de inclinación quincrementa hasta alcanzar el valor deseado, luegtiene una sección recta (sección tangente o secciómantener) y por último se tiene una sección en la qdisminuye el ángulo para entrar verticalmentobjetivo.Radios de curvatura:

1v1 q

1180R ⋅=π

(B.11)

2v2 q

1180R ⋅=π

(B.12)

Donde:R 1 = Radio de curvatura dincremento, (m).R 2 = Radio de curvatura ddecremento, (m).q v1 = Ritmo de incremento de áng

o severidad, (°/m).q v2 = Ritmo de decremento de áng(°/m).

Angulo máximo de inclinación-declinación:

+

<421

42131 xR R

xR R xR

Para R 1+R 2>x4


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−+

−

−+

−

−+

−=

421

14

14

21

421

14

arctanarccos

arctan

x R R D D

sen D D R R

x R R D D

θ θθ θ (B.13)

Para R 1+R 2


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LTAN = Longitud de la sección tangente,(m).LARC2 = Longitud del arco dedecremento, (m).

Profundidad vertical al final de la curva de incremento:


D2 = Profundidad vertical al final dela curva de incremento, (m).D1 = Profundidad de inicio dedesviación, (m).R 1 = Radio de curvatura delincremento, (m).

Desplazamiento horizontal al final de la curva deincremento:

( )θ cos1R x 12 −= (B.22)Donde:

x2 = Desplazamiento horizontal alfinal de la curva de incremento, (m).

R 1 = Radio de curvatura del incremento, (m).

B.3 Trayectoria Incrementar-Mantener-Disminuir Parcialmente-Mantener

La trayectoria tipo “S” modificada esta conformada poruna sección vertical, un ángulo de inclinación que seincrementa hasta alcanzar el valor deseado, acontinuación se tiene una sección recta (sección tangenteo sección de mantener), seguida de una sección en la quese disminuye el ángulo parcialmente (menor al ángulo deincrementar) y por último, se tiene una sección tangenteo sección de mantener con cual se logra entrar de formainclinada al objetivo. Esta trayectoria se ilustra en lafigura A.1.4.

Radios de curvatura:

1v1

q

1180R ⋅=π

(B.23)

2v2 q

1180R ⋅=π

(B.24)

Donde:R 1 = Radio de curvatura delincremento, (m).R 2 = Radio de curvatura deldecremento parcial, (m).q v1 = Ritmo de incremento de ánguloo severidad, (°/m).

q v2 = Ritmo de decremento de ángo severidad, (°/m).

Angulo máximo de inclinación-declinación:

+<

521

52131

xR R

xR R xR

Para R 1+R 2>x5

−+

−

−+

−

−+

−=

421

14

14

21

421

14

arctanarccos

arctan

x R R D D

sen D D R R

x R R D Dθ θθ θ

(B.25)

Para R 1+R 2


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Ω=

tanR L 11TAN (B.32)

( ) ( )

−+−=Ω

213

213

1

DDR xR arcsen (B.28)

Donde:D1 = Profundidad de inicio dedesviación, (m).D2 = Profundidad vertical al final dela curva de incremento, (m).LTAN1 = Longitud de la primera seccióntangente, (m).R 1 = Radio de curvatura delincremento, (m).Ω = Ángulo formado por la primerarecta tangente y la recta que une al punto de iniciode la declinación con el vértice del máximoángulo de inclinación, (°).x3 = Desplazamiento horizontal alfinal de la sección tangente, (m).D3 = Profundidad vertical al final dela sección tangente, (m).

Longitud del arco de decremento parcial:

1v1ARC2ARC q

'LL θ −= (B.29)

Donde:LARC2 = Longitud del arco dedecremento, (m).LARC1 = Longitud del arco deincremento, (m).LTAN2 = Longitud de la segunda seccióntangente, (m).q v1 = Ritmo de incremento de ánguloo severidad, (°/m).θ′ = Ángulo de declinación paraalcanzar el objetivo, (°).

Profundidad vertical al final de la curva de incremento:θ senR DD 112 ⋅+= (B.30)Donde:

D2 = Profundidad vertical al final dela curva de incremento, (m).D1 = Profundidad de inicio dedesviación, (m).R 1 = Radio de curvatura delincremento, (m).

Desplazamiento horizontal al final de la curva deincremento:

( )θ cos1R x 12 −= (B.31)Donde:

R 1 = Radio de curvatura d

incremento, (m).x2 = Desplazamiento horizontal final de la curva de incremento, (m).

Profundidad vertical al final de la sección tangente:θ θ cosLsenR DD TAN113 ⋅+⋅+= (B.32)

Donde:D3 = Profundidad vertical a al inide la sección de disminuir, (m).D1 = Profundidad de inicio desviación, (m).

LTAN = Longitud de la sección tange(m).R 1 = Radio de curvatura dincremento, (m).

Desplazamiento horizontal al final de la seccióntangente:

( ) θ θ senLcos1R x TAN13 ⋅+−⋅= (B.33)Donde:

x3 = Desplazamiento horizontal final de la sección tangente, (m).

LTAN = Longitud de la sección tange(m).R 1 = Radio de curvatura dincremento, (m).

Profundidad vertical al final de la curva de decremetotal:


D4 = Profundidad vertical al finalla declinación total, (m).

D3 = Profundidad vertical al finalla sección tangente, (m).R 1 = Radio de curvatura dincremento, (m).

Desplazamiento horizontal al final de la curva dedecremento parcial:

)'cos1(R xx 254 θ −⋅+= (B.35)


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Donde:x4 = Desplazamiento horizontal queexiste desde el equipo hasta el final de ladeclinación parcial, (m).x5 = Desplazamiento horizontal hastael final de la declinación total, (m).

R 2 = Radio de curvatura deldecremento parcial, (m).

Profundidad vertical al final de la curva de decremento parcial:

'senR DD 245 θ ⋅−= (B.36)Donde:

D5 = Profundidad vertical al final de ladeclinación parcial, (m).D4 = Profundidad vertical al final de ladeclinación total, (m).R 2 = Radio de curvatura del decremento parcial, (m).

Desplazamiento horizontal al final de la curva dedecremento total:

)cos1(R xx 235 θ −⋅+= (B.37)Donde:

x5 = Desplazamiento horizontal hasta el finalde la declinación total, (m).x3 = Desplazamiento horizontal al final de la

sección tangente, (m).R 2 = Radio de curvatura del decremento parcial, (m).

B.4 Trayectori a de Incremento continuo

La trayectoria de incremento continuo consiste deuna sección vertical, continúa con un ángulo deinclinación el cual se incrementa hasta alcanzar elobjetivo.El radio de curvatura se calcula de igual forma que

para la trayectoria incrementar-mantener.Angulo máximo de inclinación:

−=

1

3

R x1arccosθ (B.38)

Donde:θ = Máximo ángulo de inclinación, (°).R 1 = Radio de curvatura del incremento, (m)

x3 = Desplazamiento horizontal al objet(m).

La longitud de arco se calcula de igual forma para la trayectoria incrementar-mantener; ecuaA.1.4.

Profundidad total desarrolladaARC1M LDD += (B.39)

Donde:DM = Profundidad total desarrollada, (m).D1 = Profundidad de inicio de desviac(m).LARC= Longitud de arco, (m).

Ángulo al término de la curvatura:

+

−=Ι v

1

122 q senR

DDarcsen (B.40)

Donde:Ι2 = Ángulo con que se termina la curvat(º).D1 = Profundidad de inicio de desviación, D2 = Profundidad vertical al final de la cude incremento, (m).R 1 = Radio de curvatura del incremento, (m


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TP gradoE16.6 lb/pie

9830 si

0 5000 10000 15000

0

1000

2000

3000

4000

5000

Presión de Estallamiento(psi)

MD(m)

P IDP I

10 Guía Práctica Para El Diseño de Perforación Direccional y

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