Gua de Diseo para el Lavado de Pozos CONTENIDO 1.Objetivo 2.Introduccin 3.Metodologa de diseo a.Sarta de lavado. b.Tipo, posicin y cantidad de baches. c.Volumen o longitud lineal de baches. d.Presin diferencial mxima durante el desplazamiento. e.Ingeniera de fluidos. e.1.Velocidades anulares. e.2.Rgimen de flujo. e.3.Eficiencia de transporte. e.4.Gasto ptimo de desplazamiento. f.Nivel de turbidez (NTU). Apndice 1. Nomenclatura. Apndice 2. Presin diferencial dinmica. Apndice 3. Caracterizacin de los baches viscosos. Apndice 4. Gua rpida de clculo. Unadelasoperacionesimportantesdurantelaetapadeterminacinesellavadodepozo, mediante la cual se evita la depositacin de slidos en el intervalo productor y, por consiguiente, ladisminucindelapermeabilidaddelamisma.Estaguapresentaunametodologaprctica para disear apropiadamente el lavado de pozos. Guas de Diseo 2Gerencia de Ingeniera 1. OBJETIVO Desarrollar una gua prctica para disear y estandarizarellavadodepozosdurantela terminacin, considerando los conceptos de ingeniera,ascomoelprincipiodedaoa la formacin, con la finalidad de realizar una operacinefectiva,rpidayalmenorcosto posible. 2. INTRODUCCIN Elprocesodelavadodepozotienela finalidad de desplazar el lodo y remover los slidosadheridosalasparedesdela tubera para eliminar partculas como barita, recortes, cemento y sedimento; esto, con el objetodetenerunfluidolibrede contaminantes,yasevitardaoala formacindurantelasoperacionesde disparos, estimulacin, y/o fracturamiento. La operacin de lavado de pozo consiste en desplazarellododeperforacinempleado enlaltimaetapaconunfluidode terminacin libre de slidos. Esto se realiza empleandobachesdeseparadores, lavadoresyviscosos,comoseilustraenla Figura1.Enlamayoradeloscasos,el fluidodeterminacinesfiltradopara eliminar partculas contaminantes. Si la operacin de lavado es ineficiente, los slidosnoremovidospuedentaponarlos poros y canalesde la formacin productora durante los disparos, causando una drstica reduccindelapermeabilidadyconesto una disminucin de la produccin. El alcance de esta gua es el diseo de una operacindelavadorpida,efectivayal menorcostoposible;porloquelas recomendaciones del tipo y las propiedades delfluidodeterminacinquedanfueradel alcancedeestagua.Loanterior,debidoa lagranvariedadentiposycomposicin qumicadelosfluidosdeterminacin,as comolascaractersticasmineralgicasy propiedades de los yacimientos productores enMxico.Porloque,paraunaseleccin apropiadadefluidodeterminacinse recomiendarealizarpruebasdelaboratorio para verificar la interaccin y compatibilidad entre rocafluido y fluidofluido. Fluido deTerminacinLodoPozo lleno con lodoEspaciadorLavadorViscosoDesplazamiento de lodopor fluido de terminacinPozo lleno con fluidode terminacinFigura 1. Ilustracin de lavado de pozo.Lavado de Pozos Gerencia de Ingeniera3 Las operaciones de lavado de pozos que se realizanactualmenteenUPMPsonmuy variadasenformaymetodologasusadas, desdeunamaneramuysimplehastaotras muy complejas y costosas. Se utilizan diferentes accesorios en la sarta delavado(cepillos,escareadores,tubera franca,tuboagujaoniple,etc.),ademsla cantidad,posicin,tipoyvolumendelos bachessonmuydiversos.Tambinseha observadoquelaspropiedadesdelos fluidoslavadoresyviscosossonvariadas, as como el criterio para el nivel de turbidez. 3. METODOLOGA DE DISEO Enestaguaseconsideranlossiguientes parmetrosparaefectuareldiseode lavado de pozo: a.Sarta de lavado. b.Tipo, posicin y cantidad de baches. c.Volumen o longitud lineal de los baches. d.Presindiferencialmximaduranteel desplazamiento. e.Ingeniera de fluidos. Propiedades de los baches. Velocidades anulares. Rgimen de flujo.Eficiencia de transporte. Gasto ptimo de desplazamiento. f.Nivel de turbidez (NTU) a. Sarta de lavado Respectoalasartadelavadose recomiendautilizarlatuberade perforacin,tuboonipleagujaenlaparte inferioryescareadoresenseriecuando existandosdimetrosdetuberade revestimiento, como se muestra en la Figura 2.Lautilizacindeherramientas,como cepillos,difusores,escareadoresrotatorios oalgnotroelementomecnicoque pretendemejorarlaeficienciadela limpieza,deberseranalizadaantesdesu introduccinalpozo,conlafinalidadde evaluar el riesgo y el beneficio esperado por elincrementoderecursosaemplear.En algunasocasionesellavadoserealizacon molino,barrenaoalgunaherramienta soltadora.Estoescorrectosiemprey cuandoseatcnicamentefactibleyel objetivo del viaje no sea nicamente lavar el pozo,puesseevitaraunviajeadicional paraeldesplazamientodelodo.Asimismo, enalgunasreasestaoperacinseha hecho con el aparejo de produccin, lo cual esconvenientesiempreycuandose considere lo anterior. b. Tipo, posicin y cantidad de baches Analizandooperacionespreviasdelavado, sehaobservadoquenoserequiereuna granvariedadycantidaddebachespara ejecutarunaoperacinrpidayexitosade lavado,porloquesesugiereemplear nicamente los siguientes tipos de fluidos: Fluido espaciador (agua o diesel) Fluido lavador. Fluido viscoso. Fluido de terminacin. El orden adecuado con que deben introducirse lo muestra la Figura 3. Tubo o niple agujaTuberia de perforacinTuberia de perforacinEscareadorEscareadorCombinacin Figura 2. Sarta de lavado recomendada. Guas de Diseo 4Gerencia de Ingeniera c. Volumen o longitud lineal de baches La funcin del bache espaciador es separar dosfluidosparaevitarsucontaminacin; porlotanto,stedebeproveeruna distanciasuficienteparamantenerlos fluidosalejadosunodelotro.Debidoalo anterior,serecomiendanunvolumende bacheespaciadorequivalentea500m linealesenelespacioanularmsamplio. Esto,siempreycuandonoaltereel programadelquidosenelequipo.Para casosespecficos,sedebeconsiderarla logstica y el costo del diesel.

Respectoalclculodelvolumendelos bacheslavadoresyviscososparala operacindelavado,serecomiendanlos siguientes criterios: 1.150mlinealesenelespacioanular ms amplio. 2.10 minutos de tiempo de contacto en el espacio anular. Eltiempodecontactoserefierealtiempo queestarnlosbaches encontactoconun puntoespecficoenelespacioanular.Se recomiendacalcularelvolumendelos bachesempleandolosdoscriterios,los cuales son matemticamente representados porlasecuaciones1.1y1.2,yseleccionar el correspondiente al de menor volumen. d. Presin diferencial mxima durante el desplazamiento Serequiereobtenerlapresindiferencial mximaconelobjetodedeterminarel equipodebombeoautilizar.Silapresin diferenciales mayoralapresindetrabajo delasbombasdelodo,sedeberemplear la unidad de alta presin, de lo contrario se debenemplearlasbombasdelodoconel mayordimetrodecamisaposible.Esto, conlafinalidaddealcanzarelmayorgasto de bombeo. Laecuacin1.3consideracondiciones estticas,locualesunabuena aproximacinparadefinirelequipopor emplear.Sisedeseacalcularladiferencial mximadepresinencondiciones dinmicas,considerandolasprdidasde presinenelsistema,puedereferirseal Apndice 2. e. Ingeniera de fluidos Como se coment anteriormente, los fluidos que realizanellavadodeunpozo,esdecir el desprendimiento y acarreo de los slidos, sonlosbacheslavadoresyviscosos.Por tanto,seanalizaronlosmodelosreolgicos quecaracterizanelcomportamientode stos y se encontr lo siguiente: los baches lavadoressecomportancomofluidos Fluido lavadorFluido espaciador (agua o diesel)Fluido de terminacinFluido viscosoFluido de perforacin( ) 150 5067 . 02122 = d d Vol (1.1)85 . 37 = q Vol (1.2)(1.3)( )10fs fp vertprofp = tblp p Si UAPtblp p Si BLFigura 3.Tipo y posicin recomendada de baches.Lavado de Pozos Gerencia de Ingeniera5 newtonianos;porotra,partelosbaches viscosossecomportancomofluidosno-newtonianos, siguiendo el modelo de ley de potencias. Baches lavadores Considerandoloanterior,elesfuerzode corteenlosbacheslavadoreses directamente proporcional a la velocidad de corte; por tanto, la viscosidad es constante. Esconocidoqueeldesplazamientoms eficienteescuandoelflujoalcanzael rgimen turbulento; esto es debido a que la energadelfluidoremuevemsfcilmente losslidosadheridosenlasparedesdel revestimiento.Porlotanto,unbuencriterio espredecirlascondicionesenlascuales inicia el fenmeno de turbulencia. Para obtener el tipo de flujo que se presenta enlasdiferentesseccionesdelsistema,es necesarioconocerelnmerodeReynolds. Essabidoqueparaalcanzarunrgimen turbulentoenestetipodefluidos,se requierealcanzarelnmerodeReynolds mayor a 2100; en otras palabras, ste sera el nmero de Reynolds crtico. UnavezconocidoelnmerodeReynolds queserequiereobtener(2100),la geometradeflujoylaspropiedadesdel fluidolavador,secalculalavelocidad mnimaparaalcanzarlascondicionesde turbulencia.Posteriormentesepuede determinarelgastomnimorequerido durante la operacin de desplazamiento del fluido lavador. Parasabersiseestllevandoacabouna operacinadecuadadedesplazamiento,se calculalaeficienciadetransportedelos slidosenelsistema,lacualesfuncinde la velocidad de deslizamiento de la partcula y de la velocidad del fluido. Ver Figura 4. La velocidad de deslizamiento es funcin de lascaractersticasdelosslidosa transportarydelfluidolavador.Eneste procesosepresentandiferentespartculas, ElfluidolavadorrepresentadoporelmodeloNewtonianoesdefinidomatemticamentecomosigue:

=corte de Esfuerzo = corte de Velocidad =

Viscosidad = Determinacin del gasto adecuado de lavado. 2100Re NFlujo Turbulento2100Re N Flujo Laminar

( )1 2Re7 . 318 , 6 d dNv=( )2122 min448 . 2 d d v q =(1.4)(1.5)( ) 21152p ssldv= flslTvvF =1(1.6)(1.7)Figura 4. Comportamiento de lneas de flujo sobre la partcula. Guas de Diseo 6Gerencia de Ingeniera comobarita,sedimentos,contaminantes, etc.Labaritaesunadelaspartculasms pesadasenelproceso,porlocualeste anlisisdarunbuenresultadosise considera la barita como el slido a evaluar. ElrangoAPIdelabaritavarade25a75 micrones,porloqueseconsiderarel mximotamaoparaesteclculo(75 micrones = 0.003 pulgadas). Baches viscosos Adiferenciadelosfluidoslavadores,los baches viscosos se comportan como fluidos no-newtonianos,loscualesseajustanal modelo de la Ley de potencias. El Apndice 3presentalacaracterizacindeestos fluidos. ElmodelodelaLeydepotenciasrequiere dosparmetrosparasucaracterizacin:el ndicedecomportamientoyelndicede consistencia.Elprimeroesconsiderado comounamedidadelgradodedesviacin deunfluidoconcomportamiento newtoniano;conunvalordeuno,elfluido secomportarcomounfluidoNewtoniano. Porotraparte,elsegundoparmetroes indicativodelgradodebombealidado espesamientodelfluido.Estosndicesse obtienenempleandolaslecturasdel viscosmetro rotacional Fann-35 EnelmodelodelaLeydepotenciasse requierecalcularlaviscosidadaparente paraobtenerelnmerodeReynolds.sta es funcin de los ndices que caracterizan el fluido,ascomodelageometrayla velocidad de flujo. Para alcanzar condiciones de turbulencia, el nmerodeReynoldstienequesermayor queelnmerodeReynoldscrtico,este ltimoesfuncindelndicede comportamiento de flujo. Elflujomsapropiadodelosbaches viscososeselturbulento.Estosepuede visualizaranalizandolaecuacinde eficienciadetransporte.Lacondicinpara alcanzaresteescenarioesteniendoun nmerodeReynoldsmayoralcrtico;por tanto,despusdeobtenerelndicede Determinacin del gasto adecuado de lavado Determinar el ndice de comportamiento de flujo: =300600log 322 . 3n Obtener el ndice de consistencia: nK511510300= Calcular el nmero de Reynolds crtico: ( )n Nc1370 3470Re = cN NRe Re cN NRe Re Flujo LaminarFlujo Turbulento Obtener la velocidad crtica: ( )acd d vN1 2Re7 . 318 , 6 = ( )( )( )nnnanvd d K+=0208 . 012144111 2 ( )nnccd dnK Nv)`||||.|

'

+=211 2Re0208 . 012893 , 909 Determinar el gasto mnimo de bombeo: ( )2122 min448 . 2 d d v qc =(1.8)(1.9) (1.10)(1.11)(1.12)(1.13)(1.14)Lavado de Pozos Gerencia de Ingeniera7 comportamientoesposibleconocerel nmero de Reynolds crtico. Unavezqueseconoceelnmerode Reynoldscrtico,tenemosdosecuaciones condosincgnitas,resolviendoestas simultneamentesepuedecalcularla velocidadcrtica,lacualseralamnima requeridaparaalcanzarelrgimen turbulento. Elprocedimientoparadeterminarelgasto adecuado de lavado es el siguiente: 1.Determinarelndicedecomportamiento de flujo. ( n ) 2.Calcular el ndice de consistencia. ( K ) 3.Obtener el nmero de Reynolds. (cNRe) 4.Determinar la velocidad crtica. (cv ) 5.Estimarelgastomnimoadecuadode bombeo. (minq ) Debidoalaaltaviscosidaddelosbaches, esdifcilalcanzarcondicionesde turbulencia,porloquesetienenque modificarlasviscosidadesanivelesdonde sepresentelamejoreficienciade transporte. Comosecomentanteriormente,la eficienciadetransportedependedela velocidaddedeslizamientodelapartcula. Enestecasoseaplicarnlasecuaciones parafluidosdelaLeydepotencias, representadasporlasecuaciones1.15y 1.16. Como se ilustra en el anlisis de la Figura 5, que muestra el gasto mnimo para alcanzar lascondicionesdeturbulencia,losfluidos Figura 5. Gasto mnimo para alcanzar condiciones de turbulencia. Determinacin de laeficiencia de transporte ( ) =sapsldv2692 ( )( )( )nnnanvd d K+=0208 . 012144111 2 flslTvvF =1(1.15)(1.16)(1.17)Guas de Diseo 8Gerencia de Ingeniera conviscosidadesde50segundosMarsh, fluyendoencondicionesdeturbulencia, alcanzanunacapacidaddetransporte similaraunfluidodeviscosidadde250 segundos en rgimen laminar. Por tanto, en la mayora de los casos es ms conveniente emplearunbacheaguapolmero (econmico) de baja viscosidad en lugar de unbachedecomposicincompleja (costoso) muy viscoso. f. Nivel de turbidez La turbidez de un fluido es una medida de la luzdispersadaporlaspartculas suspendidasenelfluido,yesmedidacon un nefelmetro. Unfluidolimpiohasidodefinidocomoel quenocontienepartculasdedimetro mayoradosmicrasydaunvalorde turbideznomayora30NTU.Porlotanto, sedeberfiltrarnicamentehastaquese alcance un valor de 30 NTU. Serecomiendarealizarunagrficade valores de filtrado con respecto al tiempo. Siguiendoestasimplegua,sepodr obteneruneficientelavadodepozoaun bajo costo. ElApndice4muestraunaguarpidade clculo para el lavado de pozo. Este formato indicademanerasencillaelprocedimiento paraobtenerlosparmetrosnecesarios para una operacin adecuada de lavado. Tiempo (min) Tiempo (min) Tiempo (min) Tiempo (min)NTU NTU NTU NTUFigura 6. Tiempo vs NTU. Apndice 1 Gerencia de Ingeniera9 Apndice 1. Nomenclatura =Pd Dimetro de la partcula (pg) =1d Dimetro externo de la T.P. (pg) =2d Dimetro interno de la T.R. (pg) =TF Factor de transporte (%) = K ndice de consistencia (eq cp) = n ndice de comportamiento de flujo = N Velocidad del rotor Fann =ReN Nmero de Reynolds =cNReNmero de Reynolds crtico =tblp Presin de trabajo de la bomba (kg/cm2) =vertprof Profundidad vertical de la sarta (m) = q Gasto de bombeo (gal/min) = v Velocidad media de flujo (pies/seg) =cv Velocidad crtica de flujo (pies/seg) =flv Velocidad de los baches (pies/seg) = Vol Volumen de los baches (lt) =slv Velocidad de deslizamiento(pies/seg) = Densidad de los baches (gr/cc) =fl Densidad del fluido lavador (gr/cc) =fs Densidad del fluido separador (gr/cc) =fp Densidad del fluido de perforacin (gr/cc) =s Densidad de la partcula (gr/cc) = p Diferencial de presin (kg/cm2) =N Lectura del viscosmetro Fann a velocidad N =300 Lectura del viscosmetro Fann a 300 =600 Lectura del viscosmetro Fann a 600 =a Viscosidad aparente (cp) = Viscosidad (cp)Apndice 2 10Gerencia de Ingeniera Apndice 2.Presin diferencial dinmica Cuando la densidad del lodo es mayor que la del fluido de terminacin, la presin diferencial mxima se presenta cuando la interfase se encuentra en el fondo del pozo. La presin en 1Pes igual a: lodo fric lodo hyP P P + =1 La presin en 2Pes igual a: bba fluido fric fluido hyP P P P + = 2 Sabemos que: 2 1P P = Igualandoyresolviendolasecuacionespreviasparalapresinde bombeo tenemos:

fluido fric fluidoo hy lodo fric lodo hy bbaP P P P P + + =fluido fric lodo fric bbaP P p P + + =2P1 P 2P1 P 2P2P1 P 1 P Apndice 3 Gerencia de Ingeniera11 Apndice 3. Caracterizacin de los baches viscosos Se tomaron las lecturas en el viscosmetro Fann de tres baches con tres diferentes viscosidades y los datos se graficaron en coordenadas rectangulares y logartmicas. El comportamiento que exhibieron fue claramente el de un modelo de la Ley de potencias Apndice 4 12Gerencia de Ingeniera Apndice 4. Gua rpida de clculo 1.Datos del pozo. Profundidad interior vertical Profundidad interior desarrollada Dimetro externo de las tuberas de la sarta de lavado d1.1.=Profundidad vertical de la sarta de lavado = d1.2.= d1.3.= Dimetro interno de las TRs expuestas al fluido de terminacin. d1.1.= d1.2.= d1.3.= Datos del fluido de perforacin. Tipo= fp = 2.Datos del bache separador. Tipo= fs = = 3.Datos del bache lavador. Tipo= = = 4.Datos del bache viscoso. L600= L300= Velocidad Marsh = 5.Datos de las bombas de lodo. Mxima presin de trabajo = Mximo gasto = 6.Clculo de volmenes de los baches. Estos se calculan en el espacio anular ms amplio. Bache separador. Bache lavador. Bache viscoso. 7.Clculo de la presin diferencial esttica. ( ) 500 5067 . 02122 = d d Vol( ) 150 5067 . 02122 = d d Vol85 . 37 = q Vol( )10fs fp vertprofp = Apndice 4 Gerencia de Ingeniera13 8.Gasto mnimo de bombeo considerando turbulencia del bache lavador y eficiencia de transporte. 9.Gasto mnimo de bombeo considerando turbulencia del bache lavador y eficiencia de transporte. Nota:Encasoderequerirungastodebombeosumamenteelevado,disminuirlaviscosidaddel bache hasta alcanzar un gasto razonable. Si esto es an elevado, realizar el desplazamiento con el mayor gasto posible. ( )1 27 . 318 , 62100d dv=( )2122 min448 . 2 d d v q =( ) 21152p ssldv=flslTvvF =1=300600log 322 . 3nnK511510300=( )n Nc1370 3470Re =( )nnccd dnK Nv)`|||||

\|+=211 2Re0208 . 012893 , 909 ( )2122 min448 . 2 d d v qc =( )( )( )nnnanvd d K+=0208 . 012144111 2( ) =sapsldv2692flslTvvF =1