Características del flujo
Al realizar cálculos hidráulicos de perforación con lodo, suponga que el peso del lodo de perforación es 10 libras/galón (75 libras/pie cúbico), la producción de lodo Bingham es 10 libras/100 pies cuadrados y la viscosidad plástica es 30 centímetros. Suponga que la broca tiene tres boquillas de 13/32 de pulgada de diámetro y un caudal de circulación del lodo de perforación de 300 galones por minuto. Figura 14. La Figura 8 muestra un gráfico de presión en lodo de perforación incompresible en función de la profundidad. Este gráfico es un gráfico de presión dentro de la sarta de perforación. La presión en el momento de la inyección es de aproximadamente 1400 psig y la presión en la parte inferior del interior de la sarta de perforación por encima de la boquilla de la broca es de aproximadamente 6000 psig. El gráfico también es un gráfico de la presión en el anillo. La presión en la parte inferior del anillo debajo de la boquilla de la broca es de aproximadamente 5440 psig y la presión en la parte superior del anillo de superficie es de 0 psig.
Figura 14. Ejemplo de comparación entre el pozo 7 y la sarta de perforación
Figura 14. Relación entre la presión de perforación del lodo 8 y la profundidad
Este número refleja el lodo de perforación sarta Peso hidrostático y resistencia al flujo de fluido desde la superficie interna de la sarta de perforación y las superficies del anillo. Esta resistencia al flujo da como resultado una pérdida de presión debido a la fricción. La pérdida total causada por la fricción es la suma de la resistencia al flujo de la pared de la tubería, la pared del orificio abierto y el orificio de la boquilla de perforación. Este ejemplo de perforación con lodo muestra un diseño de sarta de perforación que tiene un orificio o una abertura de boquilla de gran diámetro en la barrena. Esto se refleja en una pérdida de aproximadamente 700 psi en la broca. Una boquilla de menor diámetro producirá mayores pérdidas de presión en la broca y una mayor presión de inyección en la superficie.
Los cálculos de perforación aérea se realizan asumiendo que la operación de perforación se realiza al nivel del mar. Hay dos compresores, cada uno con una capacidad de 1200 pies cúbicos por minuto, por lo que el caudal volumétrico total de la sarta de perforación es de 2400 pies cúbicos por minuto. Supongamos que la broca tiene tres aberturas (aproximadamente 0,5 mm). Diámetro 80). Figura 14. La Figura 9 muestra un gráfico de presión en función de la profundidad en aire compresible. Este gráfico es un gráfico de presión dentro de la sarta de perforación. La presión durante la inyección es de aproximadamente 260 psia, y la presión en la parte inferior del interior de la sarta de perforación sobre el orificio de la broca es de aproximadamente 270 psia. También se traza la presión en el anillo. La presión en la parte inferior del anillo directamente debajo del orificio de la broca es de aproximadamente 260 psia14. La presión al final de la línea Bloy en la superficie (parte superior del anillo) es de 7 psia.
Figura 14. 9 Presión de perforación con aire versus profundidad
Como se muestra en el ejemplo de perforación con lodo, la presión en la Figura 14. 9 refleja el peso muerto del fluido de la columna de aire comprimido y la resistencia al flujo de aire desde la superficie interna de la sarta de perforación y la superficie del espacio anular. Esta resistencia al flujo da como resultado una pérdida de presión debido a la fricción. En este ejemplo, el fluido es compresible. Considerando el flujo dentro de la sarta de perforación, el peso hidrostático de la sarta controla el flujo (frente a las pérdidas por fricción), lo que da como resultado que la presión de inyección en la superficie sea menor que la presión en la parte inferior de la sarta de perforación (dentro de la sarta de perforación arriba). la abertura de la broca).
La Figura 14.10 muestra un gráfico de temperatura en función de la profundidad en lodo de perforación incompresible. El gradiente geotérmico para este ejemplo es 0,01°/pie. La Tierra subterránea es una fuente casi infinita de calor. El lodo de perforación en un sistema de circulación de lodo de perforación es mucho más denso que el aire comprimido u otros gases. Entonces, a medida que el lodo de perforación fluye hacia abajo por la sarta de perforación y sube a través del espacio anular hasta la superficie, el calor se transfiere desde la formación rocosa, a través de la superficie del pozo, a través del lodo de perforación dentro del espacio anular, a través de la sarta de perforación de acero al lodo de perforación. adentro. Suponga que el lodo de perforación circula hasta la parte superior de la sarta de perforación a 60 grados. .
Figura 14. La relación entre la temperatura y la profundidad de perforación del lodo 10
Cuando el lodo de perforación fluye hacia abajo dentro de la sarta de perforación, el lodo de perforación fluye desde las formaciones rocosas de mayor temperatura y sus alrededores con El calor del lodo de perforación en el aire sale y se calienta. En el fondo del pozo, la temperatura del lodo de perforación alcanza la temperatura del fondo del pozo de 160? .
El lodo de perforación que fluye hacia arriba a lo largo del anillo (generalmente en estado laminar) se calienta mediante energía geotérmica en la formación rocosa.
El lodo de perforación calentado que fluye en el espacio anular calienta el exterior de la sarta de perforación, que a su vez calienta el lodo de perforación que fluye hacia abajo por la sarta de perforación. Debido a su buena capacidad de almacenamiento de calor, el lodo de perforación sale del espacio anular a una temperatura superior a la temperatura de inyección pero inferior a la temperatura del fondo del pozo. En este ejemplo, la temperatura del lodo de perforación que sale del espacio anular es de aproximadamente 130ºC. .
La Figura 14.11 muestra un gráfico de la temperatura del fluido de perforación con aire compresible en función de la profundidad. La densidad del fluido de perforación con aire comprimido es significativamente menor que la del lodo de perforación. Por lo tanto, el aire comprimido tiene malas cualidades de almacenamiento de calor en comparación con el lodo de perforación. Además, el aire comprimido que fluye en el sistema de circulación de perforación se mueve muy rápidamente, por lo que el flujo en la sarta de perforación y el espacio anular es turbulento. La turbulencia es muy eficaz para transferir calor desde la superficie del pozo al aire en movimiento dentro del anillo y la sarta de perforación. Supongamos que el aire comprimido que entra por la parte superior de la sarta de perforación es de 60? El calor se transfiere rápidamente para calentar (o enfriar) el flujo de aire en el pozo. Bajo estas condiciones, el aire comprimido que sale del espacio anular tiene aproximadamente la misma temperatura que el aire que ingresa por la parte superior de la sarta de perforación.
Figura 14. Relación entre la temperatura de perforación del aire y la profundidad
La Figura 14. 11 muestra que la temperatura del aire comprimido en cualquier lugar del pozo está cerca de la temperatura geotérmica a esa profundidad. De esta manera, la temperatura del aire que fluye en el fondo del pozo es la temperatura del fondo del pozo de 160°C. . Hay cierto enfriamiento localizado del aire cuando sale por la abertura de la broca en el fondo del pozo. Este efecto de enfriamiento será más pronunciado si se utilizan boquillas en la broca (cuando se utilizan motores de fondo de pozo). Este efecto de enfriamiento se llama efecto Joule-Thomson y puede estimarse. Sin embargo, se supone que este efecto es pequeño y que el flujo de gas regresa rápidamente a la temperatura geotérmica del fondo del pozo.
La Figura 14.12 muestra el gráfico del peso unitario calculado del lodo de perforación para este ejemplo. El lodo de perforación es incompresible y por lo tanto tiene un peso unitario de 75 lbs/pie3 (o 10 lbs/galón) en cualquier punto del sistema de circulación. Cuando el lodo de perforación fluye hacia el fondo del pozo, habrá una ligera expansión del lodo de perforación debido al aumento de temperatura. Este efecto es pequeño y puede ignorarse en estos cálculos de ingeniería.
Figura 14.12 Peso de la unidad de perforación de lodo versus profundidad
La Figura 14.13 muestra la gráfica del peso unitario del aire comprimido en este ejemplo. Se inyecta aire comprimido en la parte superior de la sarta de perforación con un peso unitario de 1. 3 libras por pie cúbico (la presión es de 260 libras por pulgada cuadrada, la temperatura es de 60 °C) A medida que el aire fluye por la sarta de perforación, la presión permanece aproximadamente igual. El peso unitario en el fondo de la sarta de perforación es 1.2 lbf/ft3 (la presión es 270 psia, la temperatura es 160? El aire comprimido sale del orificio de la boquilla de la broca y entra al fondo del anillo (fondo del pozo) con una gravedad específica de 1. 1 lbf/ft3 (la presión es de 260 psia, la temperatura es de 160?).
Figura 14. 13 Peso de la unidad de perforación neumática versus profundidad
A medida que el aire comprimido fluye a través del espacio anular hacia el superficie. A medida que fluye hacia la baja presión en la superficie, se descomprime. A nivel del suelo, el aire sale del espacio anular (a través de las líneas de Broy) con 0 unidades de peso. 0763 libras/pie cúbico. Se supone que la atmósfera de la superficie para este ejemplo es condiciones atmosféricas estándar API para equipos mecánicos (aire seco: presiones de 14,696 psia y 60 °C). La figura muestra un flujo típico de la columna de perforación dominado por el arrastre por fricción (frente a la columna hidrostática dominada por el peso). lo contrario). La presión de inyección de la sarta de perforación superior para este flujo es mayor que la presión por encima de la broca de perforación inferior. Cuando la broca se opera sin boquilla, se produce un flujo dominado por la fricción.
El lodo de perforación fluye en el espacio anular alrededor del collar de perforación con una velocidad promedio de aproximadamente 7. El lodo de perforación se desacelera a una velocidad promedio de aproximadamente 3,6 pies/segundo. El anillo alrededor de la tubería de perforación es de 0 pies/s.
Para la perforación con aire, el aire comprimido fluye en un anillo alrededor del collar de perforación a una velocidad promedio de aproximadamente 30 pies por segundo. A la salida del anillo, la velocidad aumenta hasta aproximadamente 125 pies/segundo.
Es instructivo comparar la potencia (por unidad de volumen) de un flujo de ejemplo en la ubicación del anillo donde la potencia es la más baja posible. Para ambos ejemplos, la potencia más baja está justo encima del collar de perforación en el espacio anular alrededor de la parte inferior de la tubería de perforación. La energía cinética KE por unidad de volumen es
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donde KE es la energía cinética por unidad de volumen (ft-lbf/ft3) es la densidad del fluido (); lbf sec 2 /ft4); v es la velocidad promedio del fluido (pies/segundo).
La densidad ρ del fluido es
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donde γ es la gravedad específica del fluido (lbf/FT3); debido a la gravedad (32,2 pies/seg2).
Tomando como ejemplo la perforación con lodo, la proporción de lodo de perforación en el espacio anular directamente encima del collar de perforación es de 75 lbf/ft3. Estos valores se utilizan en la ecuación (14). 1) — (14.2) La densidad del lodo de perforación es
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(2) Perforación direccional.
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(3) Cementación y Terminación
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(4) Presión de pozos de petróleo y gas control.
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(5) Registro de Pozos
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(6) Lodo de Perforación
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