Calculos Basicos Control Pozos

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PARTE # 1

CAPITULO 3

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CÁLCULOS BASICOS LOS VOLÚMENES DEL LODO _____________________________________________________________________________ _ LA CAPACIDAD INTERIOR DE LA TUBERÍA DE PERFORACIÓN Y DEL POZO La capacidad de un tubo o de una sección abierta del pozo es la cantidad del lodo que pueda ser almacenado o contenido dentro del volumen de dicho tubo. Para calcular la capacidad del tubo de perforación por cada pie, la fórmula es la siguiente: Capacidad = ID² ÷ 1029 donde

Capacidad = El volumen dentro del tubo por longitud unitaria (bl/pie) ID = El diámetro interno del tubo (pg) ID² = El diámetro interno x el diámetro interno

Para calcular el volumen total (el total de barriles) en una sección del juego del tubo de perforación, se multiplica la capacidad, expresada en barriles por pie, por la longitud del tubo o de la sección: Volumen Total (bl) = Capacidad x la Longitud del Tubo _____________________________________________________________________________ _

LA CAPACIDAD DEL ESPACIO ANULAR La capacidad del espacio anular es el volumen del fluido de perforación contenido entre dos secciones del tubo. En otras palabras, es el volumen contenido entre el diámetro exterior del tubo interior, y el diámetro interno del tubo exterior. La capacidad anular también podrá ser aquél volumen contenido entre el diámetro exterior de un tubo (introducido al pozo) y el costado del pozo abierto.

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CAPITULO 3

CAPea = (ID² - OD²) ÷ 1029 donde e

CAPea = Capacidad Espacio Anular (en bl/pie) ID = Diámetro Interno del pozo (o del tubo exterior) ID² = Diámetro Interior x Diámetro Interior OD = Diámetro exterior de un tubo (introducido al pozo) OD² = Diámetro exterior x diámetro exterior

Para calcular el volumen total (el total de barriles) de la capacidad del espacio anular de una sección: Volumen Total (bl.) = CAPea x Longitud (de la sección anular) Si hay varias secciones del tubo, será necesario calcular el volumen de cada sección. Si se dispone de un libro de tablas, por lo general indica el volumen en barriles por pie. En este caso, basta consultar los volúmenes por sección, en barriles por pie, y multiplicar el volumen por la longitud de la sección en pies. --------------------------NOTA: La constante “1029” de la fórmula anterior convierte las unidades para que la capacidad sean barriles por pie lineal. Expresado en términos más específicos: La capacidad iguala el área del círculo formado por el diámetro interno del tubo (en pulgadas cuadradas), multiplicado por las 12 pulgadas en un pie, y luego dividido entre los 42 galones en barril y entre los 231 pulgadas cúbicas en un galón. Capacidad (bl/pie) = [(πD²/4) (pg.²) x (12 pg./1 pie) ÷ (42 galones/1bl) ÷ 231 pg.³/1 galón) -------------------------------------------_____________________________________________________________________________ _ EL DESPLAZAMIENTO DEL TUBO DE PERFORACIÓN Los reglamentos del MMS [Minerals Management Service (Servicio de Manejo de Minerales)] relacionados con los procedimientos de perforación costafuera, requieren que cuando se saque un tubo del pozo, “El espacio anular deberá ser llenado de lodo antes de que la presión del lodo disminuya 75 lb/pg2, o por cada cinco tramos de tubería de perforación, el que arroje un menor decremento en la presión hidrostática.” Además, deben calcularse y registrarse el número de secciones de tubería de perforación y de botellas (DC) que podrán ser extraídos antes de llenar el pozo, y el volumen equivalente del lodo. Lo anterior también se aplica a la extracción de tubería o del juego de la tubería de perforación durante las operaciones de reparación o terminación (mantenimiento de pozos).¹ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Instituto de Capacitación Petrolera 24 Universidad de Houston en Victoria --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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CAPITULO 3

El desplazamiento del volumen del acero se refiere a la cantidad de fluidos de perforación que se 'desplaza' cuando se mete o saca tubería sin llenar el pozo. La capacidad del tubo (el volumen que contiene en su interior) no contribuye a ningún cálculo del desplazamiento, ya que el interior del tubo no “desplaza” el fluido del líquido, sino lo contiene. Aquí también, un desplazamiento se refiere al volumen del metal de un tubo, más no lo que efectivamente contenga el tubo. (Dicho valor sería la capacidad del tubo.) En el caso de las botellas (DC), el desplazamiento se puede calcular en forma “volumétrica,” como sigue: Despl. = (OD² - ID²) ÷ 1029 donde y e

Despl = OD = OD² = ID = ID² =

El desplazamiento del DC (bl./pie) El diámetro exterior del DC (pg.) El diámetro exterior x el diámetro exterior El diámetro interior del DC (pg.) El diámetro interior x el diámetro interior

Esta ecuación es conveniente cuando el tubo se haya desgastado. Por ejemplo, las botellas (DC) podrán desgastarse con el uso, y las mediciones con calibradores podrán ofrecer valores de desplazamiento más precisos. Se utiliza el calibrador para calcular el OD e ID. Los valores correspondientes luego se sustituyen en la ecuación anterior. La ecuación anterior, calculada en forma “volumétrica” no ofrece precisión para la tubería de perforación, porque no contempla el volumen adicional del metal que comprende el piñón y la caja de sus conexiones. Para la tubería de perforación, se puede calcular el desplazamiento dividiendo el peso del tubo entre ciertos valores constantes, los cuales se refieren a la resistencia y el grado del tubo. TUBERÍA DE PERFORACIÓN, RESISTENCIA NORMAL, GRADOS E y G Desplazamiento de TP = Peso de TP lb/pie ÷ 2600 TUBERÍA DE PERFORACIÓN, ALTA RESISTENCIA, GRADOS X, S etc. Desplazamiento de TP = Peso de TP lb/pie ÷ 2500 donde

Desplazamiento de TP = El desplazamiento del tubo (bl./pie) Peso de DP/pie = El peso del tubo (lb./pie)

Un barril de acero pesa aproximadamente 2,750 lb. Los pesos de la tubería de perforación no incluyen las conexiones/ caja/ piñón. Por lo que, el tubo de perforación pesa, en efecto, más de la designación de lb/pie de un tamaño dado. Por ejemplo, un tubo de perforación, de 4.1/2” de diámetro, de 16.6 lb/pie.,, pesará desde 16.6 lb/pie. hasta 18.5 lb/pie., según el tipo y el tamaño de la conexión caja/piñón que se tenga.

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Figura 11.

Figura 12.

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La Representación de la Capacidad

La Representación de la Capacidad Anular

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Para la tubería de perforación, la tubería de revestimiento, las botellas y demás partes de tubería con valores precisos de peso por pie, se puede calcular el desplazamiento como sigue: Desplazamiento = Peso TP lb/pie ÷ 2750 donde

Desplazamiento = El desplazamiento del tubo (bl./pie) Peso de TP = Peso de tubería (lb./pie)

El desplazamiento, la capacidad del tubo y la capacidad del espacio anular podrán ser calculados mediante varios métodos. El primero es consultar una tabla para determinar los valores. Si no tiene las tablas apropiadas, el desplazamiento y las capacidades en barriles por bl/pie podrán ser determinados aproximadamente con las ecuaciones anteriores. LA DISMINUCIÓN EN EL NIVEL DEL FLUIDO La longitud que disminuye el nivel del fluido por la extracción de la tubería se puede calcular con cualquiera de las siguientes fórmulas: Disminución del Fluido = Bl. Despl. ÷ (Cap de TR - Despl. de TP) o Disminución del Fluido = Bl. Despl. ÷ (CAPea + Cap. de TP) donde

Disminución del Fluido = La caída del nivel del fluido (pies) Bl. Despl. = El volumen del fluido de perforación que se desplaza por la extracción del tubo. (Este volumen es, por defecto, el equivalente del volumen del tubo extraído.) Cap de TR = La capacidad de la tubería de revestimiento (bl./pie) Despl de TP = El desplazamiento del tubo de perforación (bl/pie) CAPea = La capacidad anular (bl/pie) Cap de TP = La capacidad del tubo de perforación (bl./pie)

Debe mencionarse que (Cap de TR - Despl de TP) = (CAPea + Cap de TP), motivo por el cual se puede utilizar cualquiera de las fórmulas anteriores para calcular la Disminución del Nivel del Fluido. Se puede calcular la presión hidrostática que se pierde en libras por pulgada cuadrada (lb/pg 2) de la siguiente manera: Ph Perdida = .052 x MW x Disminución del Fluido donde: MW =

Peso del lodo (lb/gal) Disminución del Fluido = Disminución del Nivel del Fluido (pies)

Si se conoce el gasto de la bomba, se puede utilizar la siguiente fórmula para calcular el número de emboladas necesarias para llenar el pozo: -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Instituto de Capacitación Petrolera 27 Universidad de Houston en Victoria --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Emboladas para Llenar el Pozo = Despl. ÷ TPO donde

Despl = El desplazamiento del tubo extraído (bl.) TPO = El gasto real de la bomba (bl./embolada)

El pozo siempre debe requerir una cantidad de emboladas para llenarlo en relación, del número de emboladas calculadas. De lo contrario, podrá ser que se esté perdiendo la circulación o que esté en marcha un influjo. EL GASTO REAL DE LA BOMBA Para determinar el tiempo de circulación y el volumen necesario para llenar un pozo, es preciso calcular el gasto de una bomba. El valor del gasto de la bomba, en barriles por embolada (bl/emb), o emboladas por barril (emb/bl), se puede calcular o bien con las tablas disponibles o las ecuaciones. Luego es necesario ajustar el valor por la capacidad de la bomba. Hay dos tipos básicos de bombas que comúnmente se utilizan en los campos petroleros. Estos son las bombas tríplex de acción simple, y las bombas dúplex de acción doble. Una bomba tríplex de acción simple es una unidad en la que el fluido es bombeado sobre un extremo del pistón de la bomba, en cada uno de los tres cilindros. Una bomba dúplex, de acción doble, es una unidad en la que el bombeo tiene lugar en ambos lados del pistón de la bomba, en cada uno de dos cilindros. Una bomba de acción simple bombea el fluido sólo cuando el pistón se desplace hacia la derecha, y el forro se llena de fluido, para ser bombeado cuando el pistón se desplace hacia la izquierda. Una bomba de acción doble puede bombear fluido sobre ambos lados del pistón. Conforme el pistón se desplace hacia la derecha, el fluido en la cámara al lado derecho del pistón está siendo expulsado mientras que se llena de fluido la cámara izquierda. Al calcular el gasto total de una bomba dúplex de acción doble, es necesario tomar en consideración el diseño, restando el volumen de dos bielas de los cuatro volúmenes del cilindro. Esto no se aplica con las bombas tríplex de acción sencilla, donde el gasto está relacionado simplemente al volumen total de sus tres cilindros. EL GASTO DE LAS BOMBAS DUPLEX Gasto Nominal de la Bomba = .000162 x Longitud de la Embolada x [(2 x LD²) -RodDia²] donde

El gasto nominal de la bomba es la operación de la bomba al 100% de su capacidad La longitud de la embolada se expresa en pulgadas (pg) D = El diámetro de la camisa, en pulgadas (pg) d = El diámetro de los vástagos del pistón, en pulgadas (pg)

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EL GASTO DE LAS BOMBAS TRIPLEX donde

El gasto nominal de la bomba es la operación de la bomba al 100% de su capacidad La longitud de la embolada se expresa en pulgadas

NOTA: La constante de .000243 es un factor de conversión para que el gasto de la bomba sea expresada en barriles por embolada (bl/emb). El gasto de una bomba tríplex, en barriles por embolada, iguala a: [(3) (π x D²/4) (pg²)] x [longitud embolada (pg.)] x (1 gal/231 pg.³) x (1 bl/42 gal)] Gasto Nominal de la Bomba = .000243 x D² (pg.²) x longitud de la embolada (pg.) ---------------------------------Las fórmulas anteriores presuponen una capacidad del 100% de la bomba. Para calcular el gasto real de la bomba, el gasto nominal de la bomba debe ser multiplicado por un factor que ajuste la capacidad de la bomba. Dicho gasto luego será denominado el “Gasto Real de la Bomba”, o GRB, o TPO. Los factores de capacidad son porcentajes. Para fines de los cálculos son expresados como equivalentes decimales. Por ejemplo, si una bomba opera a una capacidad del 90%, se calcula el Gasto Real de la Bomba multiplicando el gasto nominal por el factor de capacidad de 0.90%. Se determina el propio factor de capacidad calculando el número de emboladas necesarias para llenar un volumen conocido, dividido entre las emboladas medidas que efectivamente hayan llenado dicho volumen. Por ejemplo, si una bomba tríplex de 6” x 12” operara a 100% de su capacidad (0.105 bl/emb), se puede calcular que se requerirán 381 emboladas para llenar un tanque con capacidad de 40 barriles. Si en efecto las emboladas medidas, necesarias para hacer esto, fueran 401, entonces la capacidad sería como sigue: Emboladas calculadas para llenar ÷ Emboladas medidas para llenar = 381 emboladas/401 emboladas = 0.95 En efecto, la bomba está operando con una capacidad del 95%. Así mismo, el gasto nominal de la bomba, multiplicado por el equivalente decimal de la capacidad, es el equivalente del gasto real o verdadero de la bomba: Gasto Real de la Bomba = Gasto Nominal de la Bomba x El Factor de Capacidad

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Cuando se haya determinado el gasto de la bomba en barriles por embolada (bl/emb), dicho valor puede ser multiplicado por el número de emboladas por minuto para determinar el gasto en barriles por minuto (bl/min).

Bl./Min. = Gasto Real de la Bomba x Número de Emboladas Un barril contiene 42 galones. Por lo que, el gasto de la bomba, en galones por minuto (GPM), es el equivalente de su gasto en barriles por minuto multiplicado por 42.

GPM = Bl./Min. x 42 Para calcular el número de emboladas que se necesitan para desplazar el lodo dentro del tubo de perforación, o para bombear “arriba y hasta el fondo,” es necesario conocer el volumen por desplazarse, en barriles (la capacidad del juego del tubo de perforación o del anular), y el gasto real de la bomba, en barriles por embolada:

Emboladas hasta la Broca = Capacidad Interior de la Sarta de Perforación ÷ Gasto Real de la Bomba

Emboladas para Bombear del Fondo hasta la Superficie = Capacidad del Espacio Anular ÷ Gasto Real de la Bomba

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Figura 13. Las bombas dúplex de doble acción mueven el lodo sobre ambos lodos del pistón.

LODO

Figura 14.

Las bombas triplex de acción simple mueven el lodo sobre un lado del pistón.

LODO

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FLUIDO CON DENSIDAD DE CONTROL (“KWM”) -PLM El fluido con densidad de control es el peso del lodo que se necesita para compensar, o justamente sobrepasar, las presiones de los fluidos en la formación. Por lo general, se acepta que pueden ocasionarse problemas si se añade un “factor de seguridad,” o densidad adicional, en fluido con densidad de control que compense exactamente la presión en las formaciones. Dicho factor adicional de seguridad podrá imponer una presión excesiva sobre las formaciones menos profundas que el fondo del pozo, ocasionando problemas de pérdida de circulación. La mejor manera de controlar un pozo es circular el fluido, hasta que esté controlado, con “un lodo cuya densidad de control, esté exactamente equilibrada.” Se necesita conocer precisamente el peso del lodo en el tubo de perforación, y el PCTP, para calcular un fluido con buena densidad de control. La fórmula es ésta: KWM = (PCTP ÷ .052 ÷ PVV) + OWM donde

KWM = Fluido con Densidad de Control (en lb/gal) PCTP = La Presión de Cierre Instantáneo en TP (lb/pg2) PVV = La Profundidad Vertical Verdadera (pies) OWM = La Densidad Original del Fluido (lb/gal) PLM= Peso de lodo para matar _____________________________________________________________________________ _

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CANTIDAD DE BARITA NECESARIA PARA AUMENTAR EL PESO DEL LODO Para controlar un pozo, la densidad del lodo generalmente se debe aumentar, añadiéndole barita al sistema de lodos. Se utiliza la siguiente fórmula para calcular el número de sacos de barita por cada barril del lodo a su densidad original para elevarlo al peso necesario para controlar el pozo. Dicho aumento contempla una tolerancia de un aumento del volumen del fluido en los pozos, causado por la barita agregada. SCS//Bl. = 14.9 x (KWM - OWM) ÷ (35.4 - KWM) donde

Sacos/Barril. = KWM = OWM =

Número de sacos de barita, de 100 lb. cada uno, que se añaden a cada barril de lodo El Fluido con Densidad de Control (en lb/gal) Densidad Original del Fluido (en lb/gal)

El valor constante de 14.9 en esta ecuación se deriva del hecho de que 14.9 sacos de barita = 1 barril de volumen. La constante de 35.4 se debe a que la barita tiene una densidad de 35.4 lb/gal. _____________________________________________________________________________ _ EL AUMENTO DEL VOLUMEN EN EL POZO Al añadir barita al lodo, se elevará el nivel de fluido en el sistema por la siguiente cantidad: Bl. de Ganancia del Pozo = Sacos Agregados de Barita ÷ 14.9 donde: Sacos agregados de barita = Sacos de 100 lb. cada uno Barriles de Ganancia del Pozo = Al aumento del nivel de fluido en el sistema (en bl.)

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Figura 15.

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Diagrama del pozo que debe de usarse para las preguntas de 1 a 10 y para A, B, y C del “Reto para los expertos”.

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ALGUNOS EJERCICIOS - CÁLCULOS BÁSICOS Para contestar las preguntas de la 1 a la 10, consulte el diagrama del pozo en la página 34. 1. Calcule la capacidad del tubo de perforación en barriles por pie _____________________ bl./pie 2.

¿Cuál es la capacidad total del tubo de perforación, en barriles? ___________________ barriles

3.

Calcule la capacidad de las botellas (DC), en bl/pie. __________________ bl/pie

4 ¿Cuál es la capacidad total de las botellas (DC), en barriles? ___________________ barriles 5. ¿Cuál es la capacidad total en el tubo y de las botellas (DC), en barriles? ___________________ barriles 6. ¿Cuál es la capacidad anular en bl./pie entre el tubo de perforación y el pozo abierto? _____________________ bl./pie 7. ¿Cuál es la capacidad anular en bl./pie entre las botellas (DC) y el pozo abierto? ______________________ bl./pie 8.

Calcule el desplazamiento del tubo de perforación, en bl./pie. ____________________________ bl./pie

9.

Calcule el desplazamiento de las botellas (DC), en bl./pie. __________________________ bl./pie

10. ¿Cuál es el desplazamiento total, en barriles, del juego entero del tubo de perforación (el tubo y las botellas (DC))? -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Instituto de Capacitación Petrolera 35 Universidad de Houston en Victoria --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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_______________________ barriles

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11. Calcule el gasto real de una bomba tríplex con forro de 5” y embolada de 11” de longitud. ____________________ barriles/embolada 12. Si la bomba tríplex en # 11 anterior opera al 100% de su capacidad, y la bomba está operando a 110 emboladas por minuto (“SPM”), ¿cuál es el rendimiento de la bomba en barriles por minuto? ___________________ barriles/minuto 13. Se utiliza en una plataforma, una bomba dúplex con camisa de 4”, embolada de 16” y bielas de 1.1/2”. ¿Cuál es el gasto nominal de la bomba? (Su capacidad es del 100%). __________________ barriles/embolada 14. Se cierra una pozo con profundidad vertical verdadera de 7,500 pies, utilizando lodo de 10.5 lb/gal en el pozo. El PCTP = 200 lb/pg2; PCTR = 450 lb/pg2. ¿Cuál es el peso de la densidad de control (“KWM”)? ________________________ lb/gal 15. Si las fosas en la superficie contienen 500 barriles de lodo ¿cuántos sacos de barita se necesitan para aumentar el lodo de 10.5 en # 14 anterior, para alcanzar el peso de remate? ______________________ sacos de barita 16. Si empezamos con 500 barriles de lodo en los pozos, ¿en cuánto se aumentarán por la barita necesaria para aumentar el peso del lodo? _______________________ bl. 17. Calcule la capacidad de los siguientes juegos de tubería de perforación. A. Tubería de perforación de 7500’, Ø 4.1/2, 16.6 lbs, y collares de 600’, 6” x 2”. ____________ bl. B. Tubería de perforación de 6000’, Ø 5”, 19.5 lbs, y collares de 750’, 7” x 2.1/2” ____________ bl. C. Tubería de perforación de 4000’, Ø 4.1/2”, 16.6 lbs; 2500’ de tubería de Ø 3.1/2”, 15.5 lbs. y collares de 300’, 4.3/4” x 1.3/4”. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Instituto de Capacitación Petrolera 37 Universidad de Houston en Victoria --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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__________ bl.

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D. Tubería de perforación, 7537’, Ø 5.1/2”, 21.9 lbs., y collares de 632’, 7” x 2.1/2” __________ bl. 18. Calcule el desplazamiento de los siguientes: A. 5 secciones (93’ en cada sección) de tubería de perforación de Ø 4.1/2” y 16.6 lbs. B. 5 secciones de tubería de perforación de Ø 5”, 19.5 lbs C. 5 secciones de tubería de perforación Ø 5.1/2”, 21.9 lbs D. 5 secciones de tubería de perforación, Ø 5.1/2”, 24.7 lbs. E. 1 sección de botellas (DC), de 6” x 2” F. 1 sección de botellas (DC), de 7” x 2” G. 1 sección de botellas (DC) de 7” x 2.13/16” H. 1 sección de botellas (DC) de 8” x 2.13/16”

____ bl. ____ bl ____ bl ____ bl ____ bl ____ bl ____ bl ____ bl

19. Calcule el Gasto Real de las siguientes bombas: [No se olvide - para calcular el gasto real o verdadero de la bomba, multiplique el gasto nominal de la bomba por el equivalente decimal de la capacidad de la bomba. Por ejemplo, el 90% es el equivalente de 0.90.] A. Bomba tríplex de 5” x 10”, al 95% de su capacidad

______ bl./embolada

B. Bomba tríplex, 6” x 10”, al 93% de su capacidad

______ bl./embolada

C. Bomba tríplex, 6” x 12”, al 94% de su capacidad

______ bl./embolada

D. Bomba tríplex, 4.3/4” x 11”, al 92% de su capacidad

______ bl./embolada

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20. Calcule la Presión en el Fondo del Pozo (“BHP”) de las siguientes situaciones: PCTP (lb/pg2)

MW (lb/gal)

PVV (pies)

BHP (lb/pg2)

A.

400

11

8,900

_________

B. C. D.

350 600 537

10 13 15.2

9,000 12,356 16,298

_________ _________ _________

21. Calcule el Peso del Lodo de Remate en las siguientes situaciones: PCTP (lb/pg2)

PCTR (lb/pg2)

MD (pies)

PVV (pies)

MW (lb/gal)

KWM (lb/gal)

A.

200

500

5,700

5,700

9.0

________

B.

360

700

9,850

9,300

10.8

________

C. D. E. F.

375 280 500 0

520 375 875 300

10,000 8,700 14,650 9,490

9,250 8,700 14,000 9,490

10.5 9.3 13.2 10.6

________ ________ ________ ________

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CAPITULO 3

Reto para los Expertos A. Utilice el mismo diagrama del pozo que se utilizó para las preguntas de 1 a 10 anteriores para calcular cuántos pies descenderá el nivel del lodo si sacamos diez secciones de tubería de perforación, de 93’ cada una, sin rellenar el pozo. ___________________ de caída en el nivel del fluido. B. ¿En cuánto se reducirá la presión hidrostática (“HSP”) por la caída del nivel del lodo, si el lodo pesa 10.5 lb/gal? __________________ lb/pg2 de reducción de la HSP C. ¿Cuál será la reducción en la presión hidrostática si se sacan cinco secciones de botellas (DC), cada una de 93’, sin rellenar el pozo? __________________ lb/pg2 de reducción en la HSP

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REFERENCIAS BILIOGRÁFICAS ¹ Los Reglamentos del Servicio del Manejo de los Minerales,” (MMS), 30 CFR, Capítulo II (Edición de 1 julio 1993), 250.60, “El Programa para los Lodos,” Sección (b) (3).

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