Unidad V. Sistema de Circulación

MODULO I. EQUIPOS DE PERFORACIÓN DE POZOS PETROLEROS

Docente: MSc. Ing. Miguel Ángel Bandeira SuarezCelular: (+591) 76846272Correo: mbandeira@udabol.edu.bo

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SISTEMAS BÁSICOS DEL EQUIPO DE PERFORACIÓN

En la industria petrolera, los cinco sistemas más importantes en un equipo de perforación

en tierra o costa fuera son:

I. Sistema de Potencia.

II. Sistema de Izaje y Levantamiento de Cargas.

III. Sistema de Rotación.

IV. Sistema de Circulación de Fluidos.

V. Sistema de Prevención y Control de pozos.

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SISTEMA DE CIRCULACIÓN

En este sistema se trabaja con altas presiones, ya queconsiste en la circulación de lodo de perforación a altapresión, cuyo objetivo es Lubricar, Refrigerar y Transportarlos recortes generados por el trepano desde fondo pozo.

Son cuatro componentes principales de un sistemacirculante:

1. Fluido de Perforación.2. Área de preparación y almacenamiento.3. Equipo para bombeo y circulación de fluido.4. Equipo y área de acondicionamiento.

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FLUIDO DE PERFORACIÓN

Mezcla de sólidos dispersos en una fase líquidacontinua con propiedades reológicas especiales(viscosidad, fuerza gel) que le permiten llevar a cabofunciones claves en el proceso de construcción delpozo.

Fluidos de perforación convencionales:

1. Fluidos de Perforación de Base Agua2. Fluidos de Perforación de Base de Aceite3. Fluidos de Perforación Neumáticos (Aire o Gas)

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FLUIDO DE PERFORACIÓN

Transporte de recortes hacia la superficie. Suspensión de recortes cuando se detiene la

circulación. Control de presión anular. Lubricación y enfriamiento de la columna de

perforación. Soporte de las paredes del pozo. Flotación de la columna de perforación y revestidor

(casing). Provisión de energía hidráulica. Un medio adecuado para registros eléctricos

(perfilaje).

Funciones principales:

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EQUIPO DE BOMBEO Y CIRCULACIÓN

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TANQUES DE LODO

En los equipos de perforación terrestres, la mayoría de laspiletas de lodo son una construcción rectangular de acero,con particiones que contienen alrededor de 200 barrilescada una.

Están dispuestas en serie para el sistema de lodo activo. Las piletas circulares se utilizan como plantas de mezclado

y en algunos equipos de perforación se utilizan paramejorar la eficiencia de mezclado y reducir los puntosmuertos que permiten la sedimentación.

Son tanques para contener fluido de perforación que se encuentra en el equipo deperforación o en una planta de mezclado de lodos.

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TANQUES DE LODO

Hoy en día, las piletas de tierra sólo se utilizanpara almacenar lodo usado o de desecho yrecortes de perforación antes de su disposicióny de la remediación del sitio de la pileta.

Las piletas de tierra fueron el tipo más antiguo de pileta de lodo, pero la preocupación porproteger el medio ambiente llevó a que se haga uso menos frecuente de las piletas a cieloabierto en el suelo (Fosa).

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TANQUES DE LODO

Volumen (𝑩𝒃𝒍) = 𝑪𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝑩𝒃𝒍

𝑷𝒊𝒆𝒙 𝑨𝒍𝒕𝒖𝒓𝒂 (𝑷𝒊𝒆)

Tanques Rectangulares:

Capacidad 𝑩𝒃𝒍

𝑷𝒊𝒆= 𝟎. 𝟏𝟕𝟖 𝒙 𝑳𝒐𝒏𝒈𝒊𝒕𝒖𝒅 𝒑𝒊𝒆 𝒙 𝑨𝒏𝒄𝒉𝒐 (𝑷𝒊𝒆)

Capacidad 𝑩𝒃𝒍

𝑷𝒍𝒈= 𝟎. 𝟎𝟏𝟒𝟖 𝒙 𝑳𝒐𝒏𝒈𝒊𝒕𝒖𝒅 𝒑𝒊𝒆 𝒙 𝑨𝒏𝒄𝒉𝒐 (𝑷𝒊𝒆)

Volumen (𝑩𝒃𝒍) = 𝑪𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝑩𝒃𝒍

𝑷𝒍𝒈𝒙 𝑨𝒍𝒕𝒖𝒓𝒂 (𝑷𝒊𝒆)

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BOMBAS DE LODO

Son el corazón del sistema de circulación.

Bombas de pistón reciprocante utilizadas en perforación:

a. “Duplex de doble acción”– De poco uso por su baja eficiencia, gran tamaño y elevadopeso (dos pistones – dos camisas – 4 válvulas de succión y 4 de descarga.

Las bombas dúplex tienen doscilindros y dos pistones, y lasllamadas bombas de doble efectoproducen el efecto de bombeo enambos sentidos de la carrera.

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BOMBA DUPLEXCapacidad ó Desplazamiento

𝑩𝒃𝒍

𝑺𝒕𝒌=

0.000162 x 𝟐 𝒙 𝑰𝑫 𝑪𝒂𝒎𝒊𝒔𝒂 𝑷𝒖𝒍𝒈𝟐− 𝑶𝑫 𝑽𝒂𝒔𝒕𝒂𝒈𝒐 𝑷𝒖𝒍𝒈

𝟐𝒙 𝑪𝒂𝒓𝒓𝒆𝒓𝒂 𝑷𝒖𝒍𝒈 𝒙 %𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂

Velocidad𝑩𝒃𝒍

𝑴𝒊𝒏= 𝑫𝒆𝒔𝒑𝒍𝒂𝒛𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐

𝑩𝒃𝒍

𝑺𝒕𝒌𝒙 𝑺𝑷𝑴

Velocidad𝑮𝒂𝒍

𝑴𝒊𝒏= 𝟒𝟐 𝒙 𝑫𝒆𝒔𝒑𝒍𝒂𝒛𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐

𝑩𝒃𝒍

𝑺𝒕𝒌𝒙 𝑺𝑷𝑴

Tiempo 𝑴𝒊𝒏𝒖𝒕𝒐𝒔 =𝑩𝒃𝒍 𝒂 𝑩𝒐𝒎𝒃𝒂

𝑫𝒆𝒔𝒑𝒍𝒂𝒛𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒃𝒃𝒍/𝒔𝒕𝒌 𝒙 𝑺𝑷𝑴

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BOMBAS DE LODO

b. “Triplex de acción simple”– Las más utilizadas por ser compactas y eficientes –tres pistones– tres camisas – 3 válvulas de succión y 3 de descarga.

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BOMBA TRIPLEX

Desplazamiento 𝑩𝒃𝒍

𝑺𝒕𝒌= 0.000243 x 𝑰𝑫 𝑪𝒂𝒎𝒊𝒔𝒂 𝑷𝒖𝒍𝒈

𝟐𝒙 𝑪𝒂𝒓𝒓𝒆𝒓𝒂 𝑷𝒖𝒍𝒈 𝒙 %𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒊𝒄𝒂

Velocidad𝑩𝒃𝒍

𝑴𝒊𝒏= 𝑫𝒆𝒔𝒑𝒍𝒂𝒛𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐

𝑩𝒃𝒍

𝑺𝒕𝒌𝒙 𝑺𝑷𝑴

Tiempo 𝑴𝒊𝒏𝒖𝒕𝒐𝒔 =𝑩𝒃𝒍 𝒂 𝑩𝒐𝒎𝒃𝒂

𝑫𝒆𝒔𝒑𝒍𝒂𝒛𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒃𝒃𝒍/𝒔𝒕𝒌 𝒙 𝑺𝑷𝑴

Potencia Hidraulica 𝑯𝑯𝑷 =𝑪𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍

𝑩𝒃𝒍

𝑴𝒊𝒏𝒙 𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝒑𝒔𝒊

𝟏𝟕𝟏𝟒

Potencia Bomba 𝑯𝑷 =𝑯𝑯𝑷

%𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒕𝒓𝒊𝒄𝒂

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BOMBAS DE LODO Los pistones succionan fluido hacia las cámaras o camisas cilíndricas al moverse en una

dirección que luego desplazan en su recorrido contrario.

Una bomba es de acción simple si bombea elfluido sólo cuando el pistón se mueve haciaadelante (bomba triplex) y de acción doble sibombea fluido en la carrera del pistón haciadelante y hacia atrás (bomba duplex).

El tamaño de los pistones (y de las camisas)afectan el caudal (tasa de bombeo o gasto) yla presión máxima que pueda alcanzar labomba.

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BOMBAS DE LODO

Las bombas a pistón funcionan ejerciendo directamente la presión sobre el fluido que seestá bombeando, cuya entrada y salida del cuerpo de la bomba está controlada porválvulas que se abren y cierran intermitentemente.

Constan esencialmente de un cuerpo hidráulico y de un cuerpo mecánico.Mecánico Hidráulico

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BOMBAS DE LODO El cuerpo hidráulico consiste en un cilindro con bridas de admisión y descarga del líquido,

provisto de orificios de entrada y salida controlados por válvulas, y de un émbolo o pistónque se mueve alternativamente dentro del cilindro.

El cuerpo mecánico consta del cigüeñal, bielas,crucetas, vástago del émbolo y en algunas bombas deuna caja reductora de velocidad.

Este sistema motriz al mismo tiempo transforma elmovimiento circular recibido en el eje (provenientede un motor), en un movimiento rectilíneoalternativo que es transferido a los pistones.

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BOMBAS DE LODO

Los pistones, dentro de la camisa, se mueven conmovimiento rectilíneo alternativo, entre dosextremos, donde se produce la inmersión delmovimiento constituyendo lo que se denomina“carrera” de la bomba.

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BOMBAS TRIPLEX Para una bomba dada, los diferentes tamaños de camisas tienen el mismo diámetro

externo (DE) pero diferente diámetro interno (DI).

La camisa (liner) más pequeña (menor DI), se utiliza en la parte más profunda del pozodonde se requiere un menor caudal pero mayor presión.

La presión de operación depende del caudal (gasto),tamaño y profundidad del hoyo, tamaño de la tuberíade perforación y portamechas, propiedades del fluidode perforación y el tamaño de las boquillas utilizadas.

Un programa hidráulico completo debe calcularse paradeterminar la presión requerida por la bomba.

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BOMBAS TRIPLEX

El volumen real bombeado por los pistones en cada cámara o camisa es siempre menorque el teórico por diversidad de factores (escurrimiento, aire o gas atrapado en elfluido, etc.)

La eficiencia volumétrica es la relación entre el volumen real y el teórico. Tiene un valorentre el 95% y el 98% para las bombas triplex de acción simple y alrededor de 90% paralas duplex de doble acción.

La eficiencia mecánica de la mayoría de las bombas con transmisión mecánica esaproximadamente del 85%.

El Tamaño de la bomba se determina por la longitud de carrera del pistón (valor fijopara cada bomba) y por el máximo diámetro interno de la camisa que se puede instalaren ella.

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GENERACIÓN DE SÓLIDOS

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CONTROL DE SÓLIDOS

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CONTROL DE SÓLIDOS

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CONTROL DE SÓLIDOS

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Flow Line

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SISTEMA DE CIRCULACIÓN

Mud

Pump

Swivel

Kelly or Topdrive

Annulus

Rotary Hose

Standpipe

Drillpipe

Wellbore

12 ¼” Bit

Drill Collars

Rig Floor

Flow

Line

Formations

Casing

BOP

Drilling Mud

Shakers

Mud Pits

Oil/Gas

Standpipe or

Circulating

Pressure

Sistema de

Circulación

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PRESIÓN DE FRICCIÓN La presión requerida para circular el fluido

de perforación, es una medida de lasperdidas de carga por fricción en el sistemade circulación y es independiente de lapresión hidrostática y las presionesimpuestas; depende del tipo de fluido, lavelocidad del bombeo y el medio detransporte.

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SISTEMA DE CIRCULACIÓN

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PRESIÓN DE BOMBA

La presión en el manómetro de la bomba es la suma delas perdidas de presión por la fricción que ocurren en elsistema de circulación.

Esta presión es la perdida de presión total de sistema.

Factores que afectan la presión de bomba:

Densidad de lodo y propiedades reológicas del lodo. Diámetro hidráulico. Tipo de tubería. Geometría del agujero. Profundidad medida. Velocidad de flujo, entre otros

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EJEMPLO

Determinar la presión de bomba total, si las perdidasde presión por fricción en el sistema de circulación son:- Líneas de superficie: 150 psi- Sarta de perforación: 950 psi- Trepano de perforación: 1000 psi- Espacio Anular: 200 psi

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DENSIDAD EQUIVALENTE CIRCULACIÓN

Si se conoce la presión; esta se puede describir auna profundidad de interés, como una densidadde fluido equivalente, generalmente llamadasdensidad de fluido equivalente o Equivalent MudWeight (EMW).

EMW 𝒑𝒑𝒈 =𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝒑𝒔𝒊

𝑷𝒓𝒐𝒇𝒖𝒏𝒅𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒙 𝟎.𝟎𝟓𝟐

ECD 𝒑𝒑𝒈 = 𝑴𝑾+𝑷𝒆𝒓𝒅𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆 𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝒑𝒐𝒓 𝒇𝒓𝒊𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒆𝒏 𝑬𝑨 𝒑𝒔𝒊

𝑷𝒓𝒐𝒇𝒖𝒏𝒅𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒙 𝟎.𝟎𝟓𝟐

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Hydrostatic

Pressure

Circulating

Friction

Hydrostatic

Pressure

Reduction

in BHP

Circulating

Friction

Hydrostatic

Pressure

Drilling Connection Drilling – Change in required BHP

New

Hydrostatic

Pressure

New

Circulating

Friction

Required BHP (Pore Pressure + Margin)

Time / Depth

Equ

ival

ent C

ircul

atin

g D

ensi

ty (

ppg)

mudstatic PBHP Bombas Apagadas

BHPdynamic = Pmud + PfrictionBombas Encendidas

Perforación Convencional

SISTEMA DE CIRCULACIÓN DE FLUIDOS

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PRESIÓN POR FRICCIÓN vs VELOCIDAD DE CIRCULACIÓN

La presión de circulación aumenta en forma exponencial con la velocidad

de circulación. Esto significa que si el caudal de circulación se aumenta en

el doble, la presión de circulación correspondiente tendrá un aumento

cuádruple.

La presión por fricción varia directamente con los cambios en la densidad

del fluido. Esto significa que si la densidad del fluido que se esta circulando

aumenta en un 20%, así mismo habrá un aumento de 20% en la presión de

circulación correspondiente en la presión de circulación correspondiente.

CASE STUDY

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