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1 PERFORACIÓN ROTATORIA: FUNDAMENTOS Y DISEÑOS CARLOS MARIO SIERRA RESTREPO UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS UNIDAD DE PETRÓLEOS Y GAS NATURAL MEDELLÍN 1999

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PERFORACIÓN ROTATORIA: FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

CARLOS MARIO SIERRA RESTREPO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS

UNIDAD DE PETRÓLEOS Y GAS NATURAL

MEDELLÍN

1999

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PERFORACIÓN ROTATORIA: FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

CARLOS MARIO SIERRA RESTREPO

Trabajo presentado para promoción a Profesor Asociado

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS

UNIDAD DE PETRÓLEOS Y GAS NATURAL

MEDELLÍN

1999

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CONTENIDO

Pág. LISTA DE TABLAS 9 LISTA DE FIGURAS 10 INTRODUCCIÓN 13 1. GENERALIDADES 14 1.1 ¿DONDE PODEMOS ENCONTRAR PETRÓLEO? 14 1.2 LOCALIZACIÓN DEL PETRÓLEO. 17 1.3 PERFORACIÓN DE UN POZO. 17 1.4 PERFORACIÓN CON EL MÉTODO DE PERCUSIÓN O CABLE. 20 2. PERFORACIÓN ROTATORIA 21 2.1 INTRODUCCIÓN. 21 2.2 EQUIPOS DE PERFORACIÓN ROTATORIA. 22 2.2.1 Equipos de perforación en tierra ("land rigs"). 22 2.2.1.1 Equipos convencionales. 22 2.2.1.2 Equipos móviles. 24 2.2.2 Equipos de perforación en agua. 24 2.2.2.1 Equipos soportados en el fondo. 25 2.2.2.2 Equipos flotantes. 27 2.3 PARTES BÁSICAS DE UN EQUIPO DE PERFORACIÓN 28 2.3.1 Generadores de potencia. 29 2.3.2 Sistema de levantamiento. 32

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2.3.2.1 La torre ("Derrick"). 32 2.3.2.2 La subestructura. 35 2.3.2.3 El malacate ("Draw-works"). 36 2.3.2.4 Juego de poleas. 37 2.3.2.5 Elevador. 42 2.3.2.6 Cálculos necesarios sobre el sistema de levantamiento. 42 2.3.3 Sistema circulatorio de lodo. 46 2.3.3.1 Bombas de lodo ("Mud Pumps"). 48 2.3.3.2 Conductos en superficie. 52 2.3.3.3 Tanques de Lodo ("Mud tanks"). 53 2.3.4 Sistema rotatorio 56 2.3.4.1 La “Swivel”. 56 2.3.4.2 La “kelly”. 57 2.3.4.3 Mesa rotaria (“Rotary table”). 57 2.3.4.4 La sarta de perforación (”Drill String”)”. 58 2.3.4.5 Manejo de tubería. 67 2.3.4.6 Cálculos y Diseños. 68 2.3.4.6.1 Capacidad de un tubo 68 2.3.4.6.2 Capacidad anular 68 2.3.4.6.3 Desplazamiento 69 2.3.4.6.4 Diseño de la sarta de perforación 71 2.3.5 Sistema de Control de Pozos. 76 2.3.5.1 Prevención de un flujo imprevisto. 78

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2.3.5.2 Detección de un “Kick”. 78 2.3.5.3 Control de un “Kick”. 78 2.3.6 Sistema de monitoria del pozo. 83 2.4. OTROS SISTEMAS DE ROTACIÓN. 84 2.4.1. Sistema “Top Drive”. 84 2.4.2. Motores de fondo. 86 3. BROCAS PARA PERFORACIÓN ROTATORIA. 87 3.1 TIPOS DE BROCAS. 87 3.1.1 Brocas de conos. 87 3.1.2 Brocas de arrastre ó de fricción. 88 3.1.2.1 Brocas de paletas. 89 3.1.2.2 Brocas de diamante natural. 89 3.1.2.3 Brocas de diamante policristalino (PDC). 90 3.1.2.4 Brocas de Diamante Policristalino Termoestable (TSP). 91 3.2 CLASIFICACIÓN IADC DE LAS BROCAS. 91 3.2.1 Clasificación IADC de brocas de conos. 91 3.2.2 Clasificación IADC de brocas de arrastre. 92 3.3 SELECCIÓN Y EVALUACIÓN DE LA BROCA. 93 3.4 FACTORES QUE AFECTAN LA TASA DE PENETRACIÓN. 95 3.4.1 Tipo de broca. 96 3.4.2 Tipo de formación. 96 3.4.3 Fluido de perforación. 96 3.4.4 Condiciones de operación. 96 3.4.5 Hidráulica de la broca. 97

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3.5 GENERALIDADES PARA LA SELECCIÓN DE BROCAS. 97 4. REVESTIMIENTO DE POZOS. 98 4.1 ESPECIFICACIÓN DEL REVESTIMIENTO. 99 4.2 TIPOS DE REVESTIMIENTO. 104 4.2.1 Revestimiento de Superficie. 104 4.2.2 Revestimiento Intermedio. 105 4.2.3 Revestimiento de Producción. 106 4.2.4 Revestimientos Auxiliares (“Liners”). 106 4.2.5 Tubo Conductor. 107 4.3 PARÁMETROS IMPORTANTES. 108 4.3.1 Resistencia a la Tensión. 108 4.3.2 Resistencia a las Presiones Externas. 113 4.3.3 Resistencia a las Presiones Internas. 121 4.4 DISEÑO DE SARTAS DE REVESTIMIENTO. 124 4.4.1 Programa de Revestimientos y Brocas 124 4.4.2 Factores de seguridad. 127 4.4.3 Diseño de sartas sencillas. 129 4.4.4 Diseño de las sartas combinadas. 132 5. CEMENTACIÓN DE POZOS. 137 5.1 MATERIALES USADOS EN LA CEMENTACIÓN DE POZOS. 138 5.1.1 Requisitos de los Cementos. 139 5.1.2 Cemento Básico. 141 5.1.3 Aditivos para el Cemento. 143

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5.1.4 Cementos Especiales. 145 5.1.5 Fluidos Espaciadores. 146 5.2 EQUIPO BÁSICO DE CEMENTACIÓN. 147 5.2.1 Equipo de Superficie. 147 5.2.2 Zapato Guía. 148 5.2.3 Collar Flotador. 148 5.2.4 Cabeza de Cementación. 149 5.2.5 Tapones de cementación. 149 5.2.6 Centralizadores. 150 5.2.7 Raspadores. 150 5.3 TIPOS DE CEMENTACIÓN. 151 5.3.1 Cementación Primaria. 151 5.3.2 Cementación Secundaria. 153 5.4 PRUEBAS DEL CEMENTO. 153 5.5 CÁLCULOS BÁSICOS EN UNA CEMENTACIÓN. 155 5.5.1 Volumen de Lechada. 155 5.5.2 Rendimiento del Cemento. 157 5.5.3 Número de Sacos de Cemento Requeridos. 158 5.5.4 Cálculo del Desplazamiento. 158 5. 5.5 Requerimiento total de Agua. 159 5.5.6 Cálculo de la Cantidad de Aditivos Requeridos. 159 5.5.7 Tiempo de Operación. 159 5.6 PROGRAMA PARA BAJAR REVESTIMIENTO Y CEMENTAR. 160 5.7 CEMENTACIONES CON PROCEDIMIENTOS ESPECIALES. 162

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5.7.1 Cementación con tubería de perforación. 162 5.7.2 Cementación por etapas. 163 5.7.3 Cementación de revestimientos auxiliares 164 5.7.4 Cementaciones remédiales. 166 5.8 TAPONES BALANCEADOS DE CEMENTO. 166 5.8.1 Uso de los Tapones de Cemento. 166 5.8.2 Métodos de Colocación. 167 5.8.3. Cálculos Tapón Balanceado. 168 5.8.4. Programa de Trabajo. 171 BIBLIOGRAFÍA 173 ANEXO: Problemas 175

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LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Propiedades de algunos combustibles. 30 Tabla 2. Propiedades de los cables de perforación más usados (6 x 19). 40 Tabla 3. Eficiencia promedio del juego de poleas. 44 Tabla 4. Distribución de cargas en las patas de la torre. 46 Tabla 5. Resistencia a los esfuerzos de tubos de perforación API. 61 Tabla 6. Dimensiones de los principales tubos de perforación API. 62 Tabla 7. Peso en lbf/Pie de diversos tipos de collares de perforación. 63 Tabla 8. Desplazamiento promedio de tubería de perforación. Rango 2. 70 Tabla 9. Graduación del desgaste de las brocas. 93 Tabla 10. Grados de acero reconocidos por el API 101 Tabla 11. Dimensiones de los tubos de revestimiento más usados. 102 Tabla 12. Propiedades de “Liners” API. 107 Tabla 13. Constantes utilizadas en las ecuaciones 25 y 26. 110 Tabla 14. Resistencia a la tensión en las uniones, de revestimientos API. 111 Tabla 15. Resistencia a cargas axiales de revestimientos API. 114 Tabla 16. Datos necesarios para el cálculo de PC 117 Tabla 17. Resistencia al colapso de revestimientos API. 119 Tabla 18. Resistencia a la presión interna de revestimientos API. 122 Tabla 19. Tamaños de brocas recomendadas para correr revestimientos

API. 126 Tabla 20. Clasificación API de los cementos. 142

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LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Trampa estructural tipo falla y trampa estructural combinada 14 Figura 2. Ejemplos de trampas estratigráficas 15 Figura 3. Locación del pozo 17 Figura 4. Pozo en perforación 18 Figura 5. Contrapozo 18 Figura 6. Perforación por percusión o cable 19 Figura 7. Equipo de perforación rotatoria 22 Figura 8. Proceso de instalación de torre levadiza 23 Figura 9. Plataforma Jack-up y plataforma enteriza 25 Figura 10. Plataforma semisumergible 27 Figura 11. Buque perforador 27 Figura 12. Partes básicas de un equipo de perforación 27 Figura 13. Componentes del sistema de levantamiento 31 Figura 14. Algunos ejemplos de torres 32 Figura 15. Subestructura 34 Figura 16. Malacate y sus partes 36 Figura 17. Componentes del juego de poleas 36 Figura 18. Partes del cable de perforación 37 Figura 19. Diagramas de cargas del bloque viajero y el bloque corona 42 Figura 20. Distribución de las cargas en la subestructura 45 Figura 21. Sistema circulatorio del fluido de perforación 46

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Figura 22. Bomba de lodo “triplex” 49 Figura 23. Shale shaker 53 Figura 24. Desilter & Mud Cleaner 53 Figura 25. Piscinas de desecho 54 Figura 26. Sistema rotatorio 55 Figura 27. Mesa rotaria 57 Figura 28. Sarta de perforación 59 Figura 29. Tubería de perforación pesada 63 Figura 30. Estabilizadores 64 Figura 31. Llaves manuales y de potencia para tubería de perforación 65 Figura 32. Cuñas para tubería de perforación 65 Figura 33. Esquema del sistema de control de pozo 76 Figura 34. Válvula tipo ariete 79 Figura 35. Válvula tipo anular 80 Figura 36. Ejemplo de sistema “Top Drive” 84 Figura 37. Partes del motor de fondo 85 Figura 38. Brocas tricónicas. (a) de dientes. (b) de insertos 87 Figura 39. Brocas PDC 90 Figura 40. Esquemas de sartas de revestimiento 97 Figura 41. Ensamblaje de Cabeza de Pozo 104 Figura 42. Ejemplo de programa de revestimiento y brocas 124 Figura 43. Equipo de cementación 137 Figura 44. Equipo de superficie 147

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Figura 45. Cabeza de cementación 148 Figura 46. Centralizadores 149 Figura 47. Raspadores 150 Figura 48. Balance de presiones en el pozo durante cementación primaria 151 Figura 49. Esquema para el cálculo del volumen de lechada 155 Figura 50. Estado de las columnas de fluidos, mientras se coloca el tapón 168 y después de retirar la tubería de trabajo.

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INTRODUCCIÓN

Este trabajo tiene por objeto proponer un texto guía que sirva de base para la

asignatura Perforación I, perteneciente al núcleo básico profesional del programa

curricular de Ingeniería de Petróleos. Las operaciones y variables que se

involucran en la perforación de un pozo son muchas; acá se desarrollan

únicamente los conceptos básicos que debe manejar un estudiante de pregrado

tomando como referencia el programa de Perforación I, aprobado por la Facultad

de Minas de la Universidad Nacional de Colombia. Temas tan importantes como

los fluidos de perforación y la perforación dirigida, entre otros, se dejan para ser

trabajados en los cursos Fluidos de Perforación y Perforación II, pertenecientes al

mencionado plan de estudios.

Los temas cubiertos en este texto son: Equipos para perforación rotatoria,

revestimiento de pozos, cementación de pozos y brocas usadas en la perforación

rotatoria. En el último capítulo aparecen una serie de ejercicios para ser

planteados y resueltos durante el desarrollo del curso. Este texto se debe

complementar con el trabajo (7) “Hidráulica de la Perforación Rotatoria”, para un

mejor cubrimiento del curso.

El texto trata de recoger todas las experiencias académicas ganadas por parte del

autor durante diez años de trabajo como profesor del área de Perforación, tiempo

durante el cual se ha tenido además la oportunidad de asistir a diferentes cursos

y realizar varias pasantías en compañías petroleras.

Cabe aclarar que a través de los diferentes capítulos se maneja tanto el sistema

práctico de unidades como el Sistema Internacional. Las unidades y constantes

que aparecen entre paréntesis, en cada una de las ecuaciones, son las que se

deben usar cuando se trabaje con el Sistema Internacional.

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1. GENERALIDADES

Los hidrocarburos (líquidos, sólidos o gaseosos) son compuestos orgánicos y

naturales constituidos por átomos de carbono e hidrógeno. El petróleo en su

estado natural es una mezcla compleja de hidrocarburos de diferentes tipos,

acompañados de algunos contaminantes que le inducen malas propiedades

(azufre, vanadio, etc.). Después de ser extraídos, esos diferentes hidrocarburos,

son sometidos a procesos de separación de los que se obtienen diversos

productos cada uno con propiedades y usos especiales.

El petróleo se formó hace millones de años como resultado de la transformación

de materia orgánica (restos de organismos terrestres y acuáticos) que se acumuló

en el fondo de océanos y lagos, y que al mismo tiempo fue recubierta por

partículas de lodo, arcilla y arena traídos por los ríos desde los continentes. Al

mismo tiempo que la materia orgánica se transformó en petróleo, los sedimentos

sueltos se transformaron en roca dura.

La transformación de la materia orgánica en petróleo se dio a través del tiempo

debido a factores físico - químico y bacteriológico, acompañados de efectos de

presión y temperatura. La presión se debió al peso creciente de los sedimentos

que poco a poco se acumulaban sobre la materia orgánica.

1.1 ¿DONDE PODEMOS ENCONTRAR PETRÓLEO?

La acumulación y el peso de los sedimentos que se depositaron en los océanos y

los lagos, hicieron que los más profundos se compactaran y se convirtieran en las

rocas que hoy existen en forma de capas o estratos; las rocas así formadas se

llaman "sedimentarias". En casi todas las rocas sedimentarias (areniscas, calizas,

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etc.) Hay espacios vacíos llamados poros, en los que puede existir petróleo, pero

si además esos poros son numerosos (la roca es porosa) e interconectados entre

sí (la roca es permeable) la estructura será propicia para la acumulación de

hidrocarburos. La roca en la cual se formó originalmente el petróleo, bajo las

condiciones ya descritas, se denomina "roca madre".

Una vez se formó el petróleo, y asistido de su estado natural fluido, la presión

ejercida por los estratos o rocas superiores lo expulsó a través de los poros de las

rocas y lo desplazó hacia sedimentos de más baja presión que se encontraban

más cerca de la superficie terrestre. Este fenómeno es conocido como

"migración" del petróleo. La migración del petróleo se llevó a cabo a través de las

rocas porosas y permeables que se encontraban cerca al sitio de origen, o a lo

largo de grietas y fracturas en las rocas no permeables. Dicha migración pudo

alcanzar distancias más o menos grandes, según los espesores de las rocas y el

medio a través del cual fluyó. En ocasiones llegó hasta la superficie, donde

paulatinamente se transformó en asfalto a medida que se evaporaron sus

componentes más volátiles.

Figura 1. Trampa estructural tipo falla y trampa estructural combinada

Cuando el petróleo que fluye queda impedido de seguir adelante en su migración,

empieza a acumularse en una roca especial, tipo sedimentaria, denominada "roca

acumuladora". Para ello debe existir una trampa subterránea, lo cual se produce si

el reservorio encuentra una barrera impermeable. Hay muchas clases de trampas

de petróleo, pero se les clasifica en general en trampas estructurales y trampas

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estratigráficas. Las estructurales son el producto de alguna deformación local

(como plegamientos, fallas o combinación de las dos) del reservorio y de la

cubierta. Las trampas estratigráficas se forman por procesos distintos de la

deformación estructural: Los restos de un arrecife coralino sepultados por

sedimentos permeables pueden formar una trampa; las capas sedimentarias

pueden cambiar lateralmente en composición litológica, o pueden desaparecer

para aparecer en otra parte como un diferente tipo de roca, tales cambios causan

a menudo una disminución en la porosidad creando posiblemente una trampa.

Otra roca impermeable denominada "roca cubierta" termina de cerrar el reservorio.

La combinación de la roca acumuladora, la trampa y la roca cubierta forma el

"yacimiento". Para que el yacimiento sea valioso, no basta con que el petróleo se

acumule, es preciso que éste se encuentre en cantidades comercialmente

explotables.

Figura 2. Ejemplos de trampas estratigráficas

Page 17: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

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El petróleo se encuentra generalmente acompañado por gas (mezcla de

hidrocarburos livianos) y agua. Debido a la diferencia de densidades, en un

yacimiento el gas se concentra en la parte superior, el petróleo en la parte

intermedia y el agua en el fondo.

1.2 LOCALIZACIÓN DEL PETRÓLEO.

Saber que existen trampas de petróleo es una cosa, localizarlas es otra. Los más

importantes métodos para localizar petróleo son: el levantamiento aéreo, la

exploración geológica y la exploración geofísica. Los levantamientos aéreos se

usan para obtener un cuadro general del área a explorar. Estructuras importantes

de superficie como anticlinales y fallas se pueden ver fácilmente. La exploración

geológica toma como base observaciones hechas sobre el afloramiento de capas

de roca en el área potencialmente productiva de hidrocarburos. Partiendo de esas

observaciones se hacen mapas geológicos detallados, en los cuales se muestra la

posición y forma de los afloramientos, así como descripciones de las

características físicas y contenido de fluidos en los lechos expuestos. El tercer

método de exploración es el más efectivo. La exploración geofísica implica el uso

de equipo de superficie para buscar estructuras subterráneas que puedan

contener petróleo. La principal de estas técnicas es la sísmica, la cual usa ondas

de impacto dirigidas desde superficie para localizar y describir formaciones

subterráneas. Otros métodos que existen, dependen de las propiedades

gravimétricas o magnéticas de la tierra.

1.3 PERFORACIÓN DE UN POZO.

Una vez que existe la posibilidad de que haya petróleo en cierto lugar, la única

forma de verificar su existencia y extraerlo es perforando. La mayoría de las

inversiones requeridas para perforar son hechas por grandes compañías

Page 18: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

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petroleras, siendo la inversión tal, que en muchas ocasiones se requiere la

asociación de varias empresas especializadas en diferentes aspectos de la

perforación. Los pasos a seguir son:

Localizar donde se va a perforar el pozo (sitio exacto). Un pozo se clasifica

como exploratorio (“wild CAT”) si se perfora con el propósito de descubrir un

nuevo yacimiento, o de desarrollo si se perfora con el fin de explotar un

yacimiento conocido. Usualmente son los geólogos quienes recomiendan la

localización de los pozos exploratorios, mientras que el departamento de

ingeniería de yacimientos recomienda la localización de los pozos de

desarrollo.

Figura 3. Locación del pozo

El grupo de ingeniería de perforación se encarga de hacer los diseños

preliminares y la estimación de costos.

Usualmente para la perforación se contrata una compañía de servicios

especializada en perforar. El departamento de ingeniería de perforación

entrega a la compañía contratada todas las especificaciones del trabajo. En

áreas donde los costos no pueden ser estimados con razonable exactitud, el

contrato se hace pagando por día ($/día). Si las experiencias previas han

mostrado lo rutinario de la perforación el contrato se hace pagando por pie

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19

perforado. En algunos casos, el contrato se basa en costo/pie hasta cierto

punto o formación, y en costo/día en adelante.

El siguiente paso es la preparación de la locación, la construcción de vías de

acceso y el traslado e instalación del equipo.

Figura 4. Pozo en perforación

Se construye el contrapozo.

Figura 5. Contrapozo

Se procede a perforar el pozo.

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20

1.4 PERFORACIÓN CON EL MÉTODO DE PERCUSIÓN O CABLE.

Este fue el primer método importante utilizado para perforar pozos de petróleo. Se

usó durante el siglo XIX y en las dos primeras décadas del siglo XX. Todavía se

usa hoy para perforar pozos de agua poco profundos en formaciones duras.

El método consiste esencialmente en perforar un pozo mediante golpes repetidos

con una broca fija a una sarta de perforación (un trozo largo de acero suspendido

de un cable de perforación). La sarta provee el peso necesario para forzar la

broca en el interior del suelo. El agujero se mantiene vacío, excepto por un poco

de agua en el fondo. Después de perforar unos pocos pies, se retira la broca y se

remueven los cortes con una "cuchara de achique" (un tubo abierto con una

válvula en el fondo). El método por cable es sencillo y barato pero solamente es

eficaz para pozos superficiales por lo lento del proceso.

Figura 6. Perforación por percusión o cable

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2. PERFORACIÓN ROTATORIA

2.1 INTRODUCCIÓN.

Con pocas excepciones, todos los pozos petrolíferos y/o gasíferos perforados hoy

en día utilizan el método rotatorio, el cual fue introducido alrededor de 1.900. En

el se usa una broca cuya función es crear un agujero mediante la rotura de la roca

subterránea. La broca va fracturando la roca al tiempo que gira en la formación.

Cualquiera que sea el tipo de broca debe hacérsele rotar para que perfore. La

energía de rotación se transmite por medio de "la sarta de perforación", la cual

consta de porciones de tubería de acero de alta resistencia (tubería de

perforación) y de aproximadamente 30 pies de largo y de 3½ a 5 pulgadas de

diámetro. Cada tubo tiene una conexión especial de acero que puede transmitir el

torque y sin embargo ser conectada y desconectada rápida y repetidamente con

seguridad. A medida que se va perforando se va agregando nueva tubería de

perforación. Tubería de pared gruesa (lastra barrenas o collares) en el extremo

inferior de la sarta, inmediatamente por encima de la broca, provee el peso

necesario para perforar. La “kelly”, también forma parte de la sarta. Otras partes

del equipo son: la “swivel” que va unida al gancho, y éste a su vez a las poleas

viajeras y fijas.

Los cortes se llevan a superficie por medio del fluido de perforación, el cual se

hace circular por medio de una bomba. De un tanque en superficie se hace pasar

al interior de la kelly, la tubería de perforación, los collares y la broca, regresando

por la parte anular entre el hueco y la tubería, hasta llegar a superficie. Los cortes

que son arrastrados se depositan, y el fluido libre de éstos, recibe un tratamiento y

vuelve nuevamente a la circulación. El fluido de perforación debe tener ciertas

características para cumplir sus funciones.

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La sarta de perforación debe ser sacada cada vez que sea necesario cambiar la

broca, la cual se gasta con el uso. Para esta operación la tubería se saca de a 1,

2, ó 3 tubos dependiendo de la capacidad de la torre. Después del cambio de la

broca se baja nuevamente la tubería, y se pone en marcha la circulación del fluido.

Luego se pone en funcionamiento la broca.

La Figura 2 muestra las partes que componen un equipo de perforación rotatoria.

2.2 EQUIPOS DE PERFORACIÓN ROTATORIA.

Dependiendo de sí la perforación se desea hacer en tierra firme o en zonas

acuosas (mares, lagos, ríos) los equipos de perforación adquieren diferentes

configuraciones, aunque sus componentes y principios de operación son los

mismos.

2.2.1 Equipos de perforación en tierra ("land rigs"). Los principales factores de

diseño de estos equipos son su portabilidad, en particular de la torre, y la máxima

profundidad de operación.

2.2.1.1 Equipos convencionales. La torre es armada y desarmada, parte por

parte, en el sitio exacto donde se va a perforar. En algunos casos se deja en este

sitio después de terminado el pozo. En la actualidad, debido a los altos costos, se

están construyendo de modo que puedan ser rehusadas. Los diferentes

componentes del equipo son montados sobre patines ("skid") para poder moverlos

fácilmente.

Page 23: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

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Figura 7. Equipo de perforación rotaria

Page 24: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

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2.2.1.2 Equipos móviles. Se pueden dividir como se muestra a continuación.

Torre levadiza ("jacknife" o "cantiléver"): La torre se arma por paquetes

utilizando pines, después de lo cual queda tendida sobre el suelo. Para

ponerla en pie se utiliza el sistema de levantamiento propio del equipo.

Mástiles portátiles ("portable mast"): La torre va montada sobre un

camión, en el que van también los motores y el malacate como una sola

unidad. En este caso la torre puede ser entera o telescópica. Estas últimas

son llevadas a la posición vertical y extendida por pistones hidráulicos. Los

mástiles portátiles se usan para profundidades moderadas.

Figura 8. Proceso de instalación de torre levadiza

2.2.2 Equipos de perforación en agua. En este caso los principales factores de

diseño son la portabilidad y la máxima profundidad del agua donde se puede

perforar.

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2.2.2.1 Equipos soportados en el fondo (1,8).

Plataformas: Son usadas tanto para perforación como para producción.

Normalmente la perforación de pozos de desarrollo costa afuera es hecha

desde plataformas fijas. Después de que los programas de exploración

indican que hay suficiente petróleo, de modo que se justifique la inversión,

una o más plataformas se construyen y desde ahí se perforan varios pozos

dirigidos. Esto último hace necesario que la plataforma se ubique en un sitio

tal que el campo se desarrolle lo mejor posible.

Las plataformas enterizas ("self-contained") se usan en aguas profundas.

Son plataformas montadas sobre pilotes de concreto, construidas en tamaños

grandes para dar espacio suficiente a todo el equipo y personal. Los costos

de instalación son altos y en caso de un reventón se pierde todo el equipo. El

uso de una combinación plataforma-barcaza ("tendered") es más económico

y de más fácil aplicación en áreas exploratorias. Una plataforma pequeña

contiene la subestructura, el malacate, la mesa rotaria y los motores. Una

barcaza adicional lleva el resto del equipo, la tubería, el agua dulce y los

alojamientos. Su ventaja es la movilidad y el bajo costo de instalación. Como

desventaja está la pérdida de tiempo por vientos y corrientes marinas, caso

en el cual la barcaza se debe alejar para evitar que choque con la plataforma.

En general, donde se va a instalar cualquier equipo soportado en el fondo se

debe hacer un estudio de suelos del área donde se va a localizar el equipo,

para poder establecer las condiciones de diseño de la estructura.

Normalmente, en estas mismas plataformas se instala el equipo de cabeza

de pozo o equipo de producción. Cuando la profundidad del agua es tal que

no se justifica económicamente la construcción de una plataforma, se utiliza

un equipo flotante para perforar el pozo y el equipo de producción se instala

en el fondo.

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26

Barcaza ("bargue"): También conocidos como equipos sumergibles.

Generalmente son usados para perforar en aguas tierra adentro (lagos,

pantanos, etc.) donde no existe la acción de las olas y la profundidad del

agua es máxima de 20 pies. La barcaza contiene el equipo completo y se

desplaza hasta hacer coincidir la abertura de la mesa con la proyección del

punto exacto donde se va a perforar. Luego la barcaza es inundada.

Completada la perforación, se bombea el agua y el equipo se puede trasladar

a otra locación. También se pueden usar en profundidades entre 20 y 40

pies, rellenando el sitio de la locación con grava para que la barcaza repose.

Plataforma auto elevadiza ("jack-up"): Son los equipos móviles más

usados, de los soportados en el fondo. Consta de una plataforma que posee

en sus extremos unos tubos o patas corredizas que se pueden deslizar

libremente hacia arriba o hacia abajo, siendo accionado este movimiento por

medio de un "gato hidráulico". La plataforma se remolca a la locación con las

"patas" elevadas. Allí, "las patas" se bajan hasta el fondo fijando la

plataforma. El equipo puede ser levantado con el gato para evitar la acción

de las olas. Están limitados a profundidades de hasta 350 pies. El hecho de

estar soportados en el fondo los hace menos vulnerables a condiciones

climáticas adversas.

Figura 9. Plataforma Jack-up y plataforma enteriza

Page 27: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

27

2.2.2.2 Equipos flotantes.

Equipos semisumergibles: Se conocen también como unidades de columna

estabilizada. Estos equipos pueden ser inundados como las barcazas, por lo

que pueden perforar flotando o soportados en el fondo. Sin embargo, los

modernos equipos semisumergibles son más caros que las plataformas auto

elevadizas, por lo que se usan en aguas de tal profundidad que es imposible

descansar el equipo en el fondo. Se usan en profundidades de hasta 6.000

pies. Algunos de estos equipos utilizan grandes motores para ser

posicionados dinámicamente sobre el hueco. Son muy usados en el mar del

Norte donde la acción de las olas es muy severa. Presentan una desventaja,

aunque son conocidos como los más estables de los equipos flotantes:

cuando el equipo es cargado con la tubería y el material necesario para

perforar, el piso del equipo que está de 40 a 70 pies por encima del nivel del

agua pierde estabilidad y aumenta el peligro de zozobra.

Buques de perforación ("Drill Ship"): Son unidades completamente

móviles operadas en aguas profundas. La cuadrilla del buque debe

acompañar la cuadrilla de perforación lo que aumenta los costos, aunque son

más baratos que los equipos semisumergibles. Su gran ventaja es la

facilidad para transportar el equipo de un pozo a otro, pero su uso se limita a

zonas donde la acción del mar no es muy severa. Con algunos buques se

logra perforar en profundidades de hasta 13.000 pies. Algunos de estos

equipos tienen forma de barcaza y deben ser remolcados. Para mejorar su

estabilidad poseen un sistema de lastre o anclaje, sin embargo su capacidad

para operar con vientos y olas fuertes es limitada.

Page 28: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

28

Figura 10. Thunder Horse, New Orleans es la mayor plataforma semisumergible jamás construida.

Figura 11. Buque perforador Neptune Discoverer

2.3 PARTES BÁSICAS DE UN EQUIPO DE PERFORACIÓN

Figura 12. Partes básicas de un equipo de perforación

Page 29: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

29

Aunque los equipos de perforación difieren en su apariencia y método de

despliegue, todos los equipos rotatorios tienen básicamente la misma

configuración. Los principales componentes de un equipo rotatorio son:

Generadores de potencia.

Sistema de levantamiento.

Sistema circulatorio del fluido de perforación.

Sistema rotatorio.

Sistema de control de pozo.

Sistema de monitoreo del pozo.

2.3.1 Generadores de potencia (1). La mayor parte de la potencia generada es

consumida cuando se baja o se levanta la tubería de perforación o de

revestimiento al pozo, y por el sistema circulatorio del fluido de perforación. Las

otras partes del equipo consumen muy poca potencia. Los motores son los centros

de generación de esta potencia para ser transmitida al malacate y a las bombas

del fluido de perforación. Estos gastos de potencia no ocurren al mismo tiempo y

los mismos motores pueden ser usados para las dos operaciones. Cada motor

puede generar entre 250 y 2.000 hp. La potencia total requerida por la mayoría de

estos equipos varía entre 1.000 y 3.000 hp. Los motores se instalan sencillos,

dobles o triples acoplados en serie. Los primeros motores usados fueron motores

a vapor, pero se desecharon por ser muy costosos. En los equipos modernos se

usan motores de combustión interna o motores eléctricos. Los eléctricos son más

costosos pues requieren suministro de potencia adicional, pero transmiten

fácilmente la potencia a las varias partes del equipo. Los motores de combustión

interna son los más usados en la industria del petróleo por su comodidad.

Un factor muy importante que se debe tener en cuenta es el consumo de

combustible, pues de esto depende la eficiencia del motor.

Page 30: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

30

HWCP fT (1)

Donde:

PT: potencia teórica desarrollada por el motor, hp (watt).

Wf: rata de consumo de combustible, lbm/hr (kgm/s).

H: calor de combustión, BTU/lbm (J/kgm).

C: constante que depende de las unidades usadas = 3,934*10-4 (1.0).

Tabla 1. Propiedades de algunos combustibles (1).

Combustible Densidad

(lb/gal)

Calor de Combustión

(BTU/lbm)

Diesel 7,2 19.000

Gasolina 6,6 20.000

Butano 4,7 21.000

Metano Gas 24000

Para calcular la eficiencia del motor se debe hacer el planteamiento que se

muestra a continuación. Cuando, por ejemplo, el motor transmite su potencia al

malacate se tiene que:

r**Fv*Ft

d*F=t

W=Pr

r*F*N*C*T*C=P 21r (2)

Donde:

Pr : Potencia usada por el malacate, hp (watt).

N: frecuencia de rotación del malacate, rev/min (rev/s).

: Velocidad angular, rad/min (rad/s).

V: velocidad de la línea, pie/min (m/s).

Page 31: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

31

T: torque, lbf-pie (J).

W: trabajo, lbf-pie (J).

r: radio del malacate, pie (m).

d: distancia, pie (m).

t: tiempo, min (s).

F: fuerza, lbf (N).

C1:

constante que depende de las unidades usadas = 3,03*10-5 (1,0)

C2= constante que depende de las unidades usadas = 1,9*10-4 (1,0)

Finalmente, la eficiencia se calcula como:

T

r

PP

E (3)

Los motores se especifican por: Tipo, modelo, marca, serie, potencia según rpm,

sistema de acople, tipo de transmisión ("Compound", compuesta por clotches,

uniones, ejes, cadenas, y ruedas dentadas). Ejemplo (14):

Marca: Caterpillar Tipo: combustión interna.

Modelo: DC-1650 Serie: 452

POTENCIA RPM

400 1200

350 1000

300 800

200 600

Page 32: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

32

2.3.2 Sistema de levantamiento. Dos de las operaciones más comunes en

perforación son: conectar o adicionar nueva tubería a la sarta de perforación para

profundizar y hacer viajes de tubería. Esto último se refiere al proceso de remover

la sarta de perforación del hueco para cambiar una porción ensamblada dentro del

mismo (por ejemplo, cambio de la broca). Este sistema provee el medio para

realizar estas operaciones. Los principales componentes son: la torre, la

subestructura, el malacate, el juego de poleas y los elevadores.

Figura 13. Componentes del sistema de levantamiento

2.3.2.1 La torre ("Derrick"). Elemento que soporta las cargas en la operación y

da el espacio vertical necesario para bajar y sacar sartas de tubería al pozo.

Permite almacenar dichas sartas paradas y recostadas en tramos de 1, 2 ó 3

tubos (paradas sencillas, dobles o triples). Las torres pueden ser portátiles

(llamadas más comúnmente mástiles) o convencionales. Las convencionales se

Page 33: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

33

arman por lo general remachando unos a otros los miembros de la estructura y se

usan principalmente en áreas de formaciones duras o profundas. Las portátiles se

usan en pozos poco profundos por su comodidad en armar y desarmar, y por su

fácil transporte.

Figura 14. Algunos ejemplos de torres

Los principales factores que se tienen en cuenta en el diseño de una torre son:

Las cargas compresivas: la torre debe soportar con seguridad todas las cargas

que se vayan a usar en el pozo sobre el cual se coloca; es decir, debe resistir

el colapso causado por las cargas verticales. Probablemente la carga máxima

vertical que se le impone se da al halar la sarta de perforación cuando ésta se

ha pegado en el pozo. El total de esta carga, excluyendo el peso de la torre,

Page 34: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

34

con un factor de seguridad de cuatro, es el llamado "capacidad de carga segura

API":

gt Wn

4nW (4)

Donde:

Wt: capacidad de carga segura API, lbf (N).

Wg: peso que cuelga del gancho más el peso del juego de poleas, lbf (N).

n: número de líneas enhebradas entre las poleas que van ancladas al

tope de la torre y el bloque viajero.

Las cargas al viento: la torre debe también diseñarse para soportar el empuje

máximo del viento al cual estará expuesta. El momento más crítico se presenta

cuando la velocidad del viento se ejerce perpendicularmente a la torre. Para

este caso se propone la siguiente ecuación empírica(1):

W Cvv

2 (5)

Donde:

Wv: cargas al viento, lbf/pie2 (N/m2).

v : velocidad del viento, millas/hr (m/s).

C = constante que depende de las unidades usadas = 0,004 (0,4288).

También se debe considerar si la tubería está recostada sobre la torre.

Las torres se especifican por: altura máxima de la estructura desde el piso (100 -

160 pies), capacidad de carga estática (500.000 - 2'000.000 lbf) y tipo). Ejemplo

(14):

Page 35: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

35

Marca: Dreco Tipo: Mástil levadizo

Modelo Altura (pies) Base(pies) Capacidad (Lbf)

M09712-420 97 12x12 420000

M12713-420 127 13.6x13.6 420000

M13321-700 133 15x15 550000

2.3.2.2 La subestructura. Andamiaje sobre el cual se colocan la torre, los

motores, la consola de mando, y sobre el cual se para la tubería que se recuesta a

la torre. En ella va siempre instalada la mesa rotaria que se ubica encima del

centro del pozo. En su interior se instalan las válvulas preventoras de reventones.

La subestructura debe ser lo suficientemente fuerte para soportar con seguridad

las cargas a las que está sometida y tener altura suficiente para dar cabida a las

preventoras y al personal.

Figura 15. Subestructura

Page 36: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

36

Se especifican por: dimensiones (ancho, largo, altura), capacidad de carga

estática, y por su tipo (Fija: hecha en una sola estructura, Telescópica: de altura

variable, y "Box on box": armables en secciones o paquetes). Ejemplo: Fija, 8 pies

de altura, 36 pies de longitud, 7 pies de ancho y 430.000 lbf de capacidad de

carga estática.

2.3.2.3 El malacate ("Draw-works"). Pieza clave del equipo que recibe la

potencia de los motores. Sus partes principales son:

El tambor: transmite el torque requerido para subir o bajar las sartas, y

almacena el cable de perforación.

La transmisión: provee el medio necesario para cambiar fácilmente la dirección

y la velocidad del bloque viajero.

Los cabezas de gato: son dos cilindros ubicados en los extremos del malacate,

con los cuales se realizan operaciones de apretar o soltar conexiones de la

sarta.

El freno hidrométrico: freno hidráulico que se usa cuando se baja tubería para

disminuir su velocidad

Consola de mando: en ella, el perforador maneja el malacate.

Page 37: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

37

Figura 16. Malacate y sus partes

El malacate se especifica por: potencia de entrada y potencia de entrega, tamaño

del tambor, tipo de transmisión y dimensiones.

2.3.2.4 Juego de poleas. Está compuesto por el bloque o corona, el bloque

viajero, el gancho y el cable de perforación.

Figura 17. Componentes del juego de poleas

Page 38: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

38

Bloque o corona ("Crown Block"): Conjunto de poleas fijas ancladas en el

tope de la torre, a través de las cuales pasa el cable que hace subir o bajar las

poleas viajeras. A mayor número de poleas menor es la eficiencia del malacate

Se especifican por: marca, tamaño de las poleas (diámetro), tamaño de las

ranuras y capacidad de carga dinámica.

Bloque viajero ("Traveling block"): Conjunto de poleas adyacentes montadas

en una cubierta de lámina. Va acoplado, en su parte inferior, al gancho

formando un solo conjunto. Se especifica por: tamaño de las poleas, número

de poleas que contiene, tamaño de ranura y capacidad de carga.

Gancho ("Hook"): va unido al bloque viajero y de él se cuelga la sarta

mediante los brazos y el elevador, o mediante la "swivel". Se especifican por la

marca, el tipo (ganchos para trabajos livianos y ganchos para trabajos pesados)

y la capacidad de carga.

Cable de perforación ("Drilling line" o "Wire rope"): elemento de alambres

de acero trenzados con núcleo de fibra o de acero. Está formado por hilos que

forman torones y por un núcleo. Se fabrican armando alambres de menor

diámetro en torones, los que a su vez se retuercen alrededor de un alma de

acero para formar el cable.

Figura 18. Partes del cable de perforación

Page 39: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

39

El trenzado de un cable describe la dirección en la que los alambres y los

torones están envueltos. Existen arreglos típicos:

Tendido regular-derecho: los torones se enrollan a la derecha (torcidos en

dirección de la mano derecha cuando se ven desde una punta), y los alambres

que forman cada torón se dirigen en sentido contrario a la dirección en que se

enrollan los torones.

Tendido regular-izquierdo: los torones se enrollan a la izquierda, y los alambres

en cada torón se dirigen en sentido contrario.

Tendido derecho-derecho: tanto los torones como los alambres que conforman

éstos, van enrollados hacia la derecha.

El cable se enhebra a través de las poleas viajeras y la corona, con una punta

amarrada al malacate y otra pasando por el anclaje al tambor de reserva. La

porción de cable que se mueve entre el malacate y la corona se denomina

“línea viva” y la que llega al anclaje se denomina “línea muerta”. Para cumplir

sus funciones, el cable debe tener las siguientes propiedades:

Resistencia: depende del acero y del diámetro o calibre.

Flexibilidad: depende del mayor o menor número de alambres por torón.

Elasticidad: factor de seguridad adicional para cuando es sometido a cargas

imprevistas. Se obtiene con longitud y clase de trenzado.

Resistencia a la abrasión: aumenta con el área expuesta a las poleas.

Resistencia a la deformación: se debe al exceso de carga. Los más resistentes

son los de alma de acero.

Page 40: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

40

El cable se especifica por (1): Tipo de trenzado, número de torones, número de

hilos por torón, tipo de núcleo y tamaño (diámetro) medido entre torones

opuestos. En perforación se usan cables de 1 1/8 pulgada, 1 1/4 pulgada, 1 1/2

pulgada, 1-3/4 pulgada, 2 pulgadas, 6x19 alma de acero. La tabla 2 muestra

las propiedades de los cables de perforación más usados (6x19).

Tabla 2. Propiedades de los cables de perforación (6x19) más usados (1).

Diámetro nominal

(pulg)

Masa

(lbm/pie)

Resistencia nominal

(lbf)

1-1/8 2,34 113.000

1-1/4 2,89 138.800

1-1/2 4,16 197.800

1-3/4 5,67 266.000

2 7,39 344.000

Con el movimiento arriba y abajo de las poleas, el cable efectúa trabajo. Este

trabajo se calcula y se acumula en Toneladas-milla con el fin de correr el cable y

cambiar los puntos de contacto con las poleas o de fricción con el tambor del

malacate. Por esta razón se elabora un programa de corrida y corte de cable para

aprovechar al máximo su trabajo. Las Toneladas-milla se calculan cada que se

hace un viaje o se corre revestimiento, incluyendo el trabajo realizado mientras se

perfora. Estas Toneladas-milla calculadas se van acumulando y cada

determinada cantidad de trabajo se corre el cable una determinada cantidad de

pies. Periódicamente se corta lo que se ha corrido. Generalmente se efectúan 3 ó

4 corridas de longitudes entre 20 y 40 pies y se corta el exceso de cable en la

última. Es práctica común en equipos grandes, correr 21 pies de cable cada 500

Toneladas-milla y cortar 84 pies al final de la cuarta corrida. Para “correr” el cable,

se descarga el bloque viajero sobre la subestructura, se le quita el seguro al

Page 41: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

41

anclaje y se enrolla en el malacate la longitud de cable que se desea correr; por

último se asegura nuevamente el anclaje. De esta forma se cambian los puntos

de contacto del cable con las poleas.

El API recomienda las siguientes fórmulas para calcular el trabajo realizado por el

cable de perforación (2), mientras se perfora y durante un viaje de tubería:

Tm H E H K H Kv 1 2 (6)

BWCLX

XCMCCK

BWCK

aa

5432

a11

B C m1 2 (7)

Donde:

Tmv : trabajo hecho por el cable en un viaje completo de tubería a la

profundidad H, Toneladas-milla (J).

B : factor de boyanza para el acero (asume acero = 65,6 lbm/gal).

m : Densidad del fluido de perforación, lbm/gal (Kgm/m3 ).

Ca : peso de los collares en el aire, lbf/pie (N/m).

Wa : peso de la tubería de perforación en el aire, lbf/pie (N/m).

H : profundidad del hueco, pies (m).

E : longitud de una parada de tubería, pies (m).

L : longitud total de los collares, pies (m).

M : peso total de las poleas, el gancho y el elevador, lbf (N).

Las ecuaciones 6 y 7 utilizan loas siguientes constantes de conversión de

unidades:

Page 42: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

42

C1 = 0,0000000946 (0,042).

C2 = 0,015 (8,346x10-6).

C3 = 0,000000379(8,9).

C4 = 1(0,2246).

C5 = 0,5(1,1023).

Tm Tm TmP V V3 2 1 (8)

Donde:

Tmp : trabajo realizado al perforar entre una profundidad H1 y otra H2,

Toneladas-milla (J).

2.3.2.5 Elevador ("Elevator"). Accesorios colocados al gancho por medio de

unos brazos y formados por dos secciones para abrir y cerrar de forma que

puedan abrazar el cuello de los tubos. Pueden ser de hueco recto o de hueco

cónico (18 ), o de cuñas para cuellos lisos. Se especifican por su marca, tipo y

capacidad de carga. Los brazos del elevador (“links”) son una pareja de

elementos cilíndricos con ojos en sus extremos para conectar al gancho arriba y al

elevador abajo; se especifican por: distancia entre ojos, diámetro del cuerpo y

capacidad de carga.

2.3.2.6 Cálculos necesarios sobre el sistema de levantamiento. La principal

función del juego de poleas es proporcionar una ventaja mecánica que permita

manejar fácilmente grandes cargas.

Sea:

VMT = W/Fv (9)

Donde:

VMT : ventaja mecánica teórica = W/Fv.

W : peso que cuelga del gancho, lbf (N).

Fv : tensión en la línea viva, lbf (N).

Page 43: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

43

Si no hay fricción, W = nFv, donde n es el número de líneas que pasan por el

bloque viajero (el uso de 6, 8, 10 ó 12 líneas es común dependiendo de la carga):

VMT = n (10)

Por otro lado se tiene:

P F V

P WV

E P P

i v v

h h

h i/

Donde:

Pi : potencia de entrada al juego de poleas, hp (watt).

Ph : potencia de salida o potencia del gancho, hp (watt).

E : eficiencia del juego de poleas.

Vv, Vh : Velocidad de la línea viva y del gancho respectivamente, pie/min (m/s).

Figura 19. Diagramas de cargas del bloque viajero y el bloque corona

Page 44: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

44

Teniendo en cuenta que Vv= nV

h y despreciando la fricción, se puede mostrar que

E=100%. Sin embargo, la fricción entre el cable y las poleas existe y debe tenerse

en cuenta. Valores aproximados de la eficiencia del juego de poleas se muestran

en la tabla 3. En general, se puede usar una disminución en la eficiencia del 2%

por cada línea.

Tabla 3. Eficiencia promedio del juego de poleas (1).

n E

6 0,874

8 0,841

10 0,810

12 0,770

14 0,740

Considerando la fricción, tenemos que W es diferente de nFv y por tanto:

EP

P

W V n

F V

W

F n

h

i

v

v v v

FW

Env

(11)

Ahora si Pi es la potencia de entrega del malacate:

E

WVCVFP h

vvi (12)

C: constante de conversión de unidades = 3,03*10-5 (1,0)

Con la ecuación 12 se puede calcular la tensión de la línea viva, lo que me sirve

para seleccionar el cable de perforación.

Page 45: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

45

Otro factor que se debe tener en cuenta es la distribución de cargas sobre la torre.

Debido al arreglo del juego de poleas, las cargas impuestas a la torre son

diferentes a las cargas que soporta el gancho.

La carga impuesta a la torre (Fd) es:

Fm: tensión de la línea muerta, lbf (N).

La fricción con las poleas restringe el movimiento de la línea viva,

incrementándose la carga sobre la torre desde W/n en la primera polea (línea

muerta) hasta W/En en la última (línea viva). Esto es, Fv = W/En y F

m = W/n, de

donde:

WEn

EnE1

n

W

En

WWFd (13)

La carga impuesta a la torre no se distribuye por igual en todas las patas de ésta.

Generalmente el malacate se localiza en un lado del piso de la torre y la tensión

de la línea viva se distribuye solamente en dos de sus patas mientras que el efecto

de la tensión de la línea muerta solo se siente en la pata a la cual está amarrada.

Para este arreglo las cargas se distribuyen como se muestra en la tabla 4 y en la

figura 14, donde el malacate se ubica entre las patas 1 y 2, y la línea muerta se

amarra a la pata 4.

Page 46: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

46

Tabla 4. Distribución de cargas en las patas de la torre.

Carga total Carga A Carga B Carga C Carga D

Gancho W W/4 W/4 W/4 W/4

Línea viva W/En -- -- W/2En W/2En

Línea muerta W/n W/n -- -- --

Total Fd W(n+4)/4n W/4 W(En+2)/4En W(En+2)/4En

Figura 20. Distribución de las cargas en la subestructura

Otro cálculo importante es el de la eficiencia de la torre (Ed) a partir de la

capacidad de carga segura API (Ecuación 4):

4nE

11nE

W

FE

t

dd (14)

2.3.3 Sistema circulatorio de lodo. La principal función del sistema circulatorio

del fluido de perforación es la remoción de los cortes de roca del hueco a medida

que la perforación progresa. El fluido de perforación más común es una

Page 47: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

47

suspensión de arcilla y otros materiales en agua, y se denomina lodo de

perforación.

Figura 21. Sistema circulatorio del fluido de perforación

Page 48: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

48

El fluido de perforación sigue el siguiente recorrido (Figura 20):

De los tanques de succión a las bombas de lodo.

De las bombas sale a alta presión, y pasa por las conexiones en superficie hasta la sarta de perforación.

Por el interior de la sarta hasta la broca.

A través de las boquillas de la broca, y de éstas por el espacio anular entre el hueco y la sarta de perforación, saliendo a superficie.

A través del equipo para remover contaminantes, hasta el tanque de succión.

2.3.3.1 Bombas de lodo ("Mud Pumps"). Son accesorios que impulsan el fluido

de perforación a presión y volúmenes deseados. Con excepción de algunos tipos

experimentales, se usan las bombas reciprocantes tipo pistón de desplazamiento

positivo. Las ventajas de estas bombas son:

Habilidad para manejar fluidos con alto contenido de sólidos, muchos de los cuales son abrasivos.

Facilidad de operación y mantenimiento.

Amplio rango de volúmenes y presiones, usando diferentes camisas y pistones.

Habilidad para bombear partículas sólidas.

Son muy seguras.

En general, son de dos cilindros y dos pistones ("duplex") o de tres cilindros y tres

pistones (triplex). En las bombas "dúplex", mientras los pistones se mueven hacia

adelante descargan fluido y lo succionan por detrás, al regresar sucede lo

contrario; por esta razón se dice que son de "doble acción". En las bombas triplex,

los tres pistones únicamente descargan fluido en el camino de ida, y lo succionan

al regresar, por ello se denominan de "acción sencilla". Las bombas triplex son

más livianas y compactas, por lo que son relativamente más usadas.

Page 49: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

49

Para los dos tipos de bomba, la velocidad a la que se mueven los pistones

determina la cantidad de fluido que puede manejar. Esta velocidad se mide en

emboladas o "strokes" por minuto, donde una embolada corresponde a una ida y

vuelta del pistón. Los "SPM" ("strokes" por minuto) que pueda desarrollar la

bomba dependen de la potencia de los motores y del sistema de transmisión.

Generalmente se instalan dos bombas son instaladas en el equipo. Para la

mayoría de los huecos de superficie ambas bombas son usadas en paralelo para

poder alcanzar los grandes volúmenes de bombeo requeridos. En la parte más

profundas del pozo solamente se necesita una bomba y la primera se mantiene en

“stand-bye”, para ser usada cuando la otra requiere de mantenimiento. Las

bombas reciben la potencia de los motores del malacate por transmisión con

cadenas o correas (bandas), o tienen acoplado su propio motor. Se especifican

por: marca, modelo, tipo, máxima presión y máximo caudal entregado con cada

tamaño de camisa (diámetro interno del cilindro), máximo tamaño de camisa y

recorrido (longitud) del pistón. Ejemplo (14):

Marca: Continental Emsco Tipo: Dúplex 7-1/2"x18"x3 1/2".

Modelo: DC-1650 SPM)Máx: 70

Pot. Entrada: 1925 hp. Pot. Salida: 1636 hp.

Diámetro camisa (Pulg.) Caudal máx.(gal/min) Presión máx. (lpc)

7 ½ 859 3.262

7 ¼ 798 3.520

7 734 3.817

6 ¾ 676 4.146

6 ½ 619 4.530

6 ¼ 565 4.960

6 512 5.469

Page 50: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

50

La eficiencia de una bomba será el producto de la eficiencia mecánica y la

volumétrica. La eficiencia mecánica puede ser del 90%, mientras la volumétrica

puede acercarse mucho a 100%. Generalmente son más eficientes las bombas

"triplex".

Figura 22. Bomba de lodo “triplex”

Para determinar el caudal o volumen de fluido por unidad de tiempo que puede

manejar una bomba, es necesario conocer: la longitud del pistón (S), el diámetro

de la camisa (D), el diámetro de la varilla del pistón (d), el número de emboladas

por minuto (N) y la eficiencia volumétrica (Ev). Si la bomba es de doble acción,

cuando el pistón viaja de un extremo a otro y regresa, desplaza un volumen

equivalente a:

4

2D S +

4

2 2D d S

Así, el volumen total desplazado en un ciclo ("stroke") de la bomba, será:

42 2 2

D d S

Page 51: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

51

Si además, la bomba es dúplex (dos pistones), el volumen que desplaza en N

emboladas, para una eficiencia volumétrica EV es:

V

22 NEd2DS4

2πQ

NFNEd2DCSQ bV

22 (15)

Donde:

Q: caudal o galonaje de la bomba, gal/min (m3/s).

S: recorrido del pistón, pulg (m).

D: diámetro de la camisa, pulg (m).

d: diámetro de la varilla del pistón, pulg (m).

N: número de strokes, st/min (st/s).

Ev: eficiencia volumétrica, fracción.

Fb: factor de la bomba, gal/st (m3/st).

C: constante de conversión de unidades = 0,0068 (1,5708).

Si la bomba es triplex de acción sencilla, se puede mostrar que:

Q SD NEV

3

4

2

Q CSD NE F NV b

2 (16)

Donde:

C: constante de conversión de unidades = 0,0102 (2,3562).

También se puede conocer la potencia hidráulica desarrollada por la bomba:

(17)

Donde:

Page 52: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

52

HP: potencia de la bomba, hp (watts)

P=Ps-Pd: presión ganada en la bomba, lpc (Pa)

Pd: presión de descarga, lpc (Pa)

Ps: presión de succión, lpc (Pa)

C: constante de conversión de unidades = 1.714 (1,0)

Si la presión de succión de la bomba es esencialmente la presión atmosférica, la

caída de presión a través de ella es prácticamente la presión de descarga.

Para una potencia hidráulica dada, la presión máxima de descarga y la rata de

flujo se pueden cambiar variando el número de “strokes” o el diámetro de la

camisa. Una camisa pequeña desarrolla altas presiones pero bajos volúmenes de

flujo. Circulando caudales pequeños, se reduce la potencia necesaria y como es

obvio, el combustible. Debido a problemas de mantenimiento del equipo,

presiones cercanas a 3.000 psig, pocas veces se desarrollan. Al Perforar con altas

presiones y altos caudales se requiere mayor potencia, aumentando con ello el

desgaste de la parte hidráulica de la bomba y por lo tanto los costos. El operador

generalmente establece la presión máxima de trabajo que, en su concepto, le

permitirá una operación económica.

2.3.3.2 Conductos en superficie. El lodo sale de las bombas y debe llevarse

hasta el interior de la sarta de perforación. Los conductos que comunican estas

partes son:

Tubería de pared gruesa que comunica la bomba con el "manifold" colocado en

el piso del equipo. A la salida de la bomba se coloca una cámara que contiene

aire, separada del fluido de perforación por un diafragma. Esta cámara se

coloca en la tubería de descarga para evitar las cargas de impacto sobre ésta,

resultado del flujo pulsante del fluido de perforación. La línea de descarga

contiene también una válvula de alivio de presión para prevenir la ruptura de la

Page 53: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

53

línea, en caso de que se accione la bomba estando las válvulas cerradas, o de

algún taponamiento.

El "manifold" que consiste de un juego de válvulas que me permiten llevar el

fluido de perforación desde y hasta donde se desee.

El "stand pipe" y la manguera rotaria ("rotary hose") permiten una conexión

flexible con la sarta, para lograr un movimiento vertical libre de ésta. La

manguera rotaria es un elemento tubular de caucho (varias lonas) con alma de

acero (varias mallas), flexible y de alta resistencia a la presión interna. Permite

el paso del lodo del "stand pipe" a la "swivel", a la cual se conecta en el cuello

de ganso. Se acopla con uniones de golpe y su longitud varía entre 40 y 50

pies. El "stand pipe" se une a las tuberías de superficie con una manguera

flexible, la cual además de permitir una fácil conexión con el "stand pipe" ayuda

a absorber el flujo pulsante del fluido de perforación.

La línea de retorno (“Flow line”) comunica el anular del pozo con los tanques de

lodo. A través de ella retorna a superficie el fluido de perforación procedente del

pozo.

2.3.3.3 Tanques de Lodo ("Mud tanks").

Son depósitos metálicos donde se almacena el fluido de perforación. Son tanques

rectangulares abiertos por encima y divididos en compartimientos con

capacidades entre 100 y 500 bls.

Tanque de descarga. Es el tanque donde primero cae el fluido procedente del

pozo en su ciclo circulante, a través del "flow line". En él se instala el equipo de

control de sólidos.

Rumba ("shale shaker"): saca los cortes de mayor tamaño, al pasar el lodo

por una malla vibratoria. Puede ser sencilla, doble o triple.

Page 54: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

54

Figura 23. Shale shaker

Desarenador ("Desander"): elimina partículas de arena por efecto de la fuerza

centrífuga al pasar el lodo a presión por unos conos o hidrociclones (2 ó 4

conos).

Desarcillador ("Desilter"): elimina las partículas sólidas de tamaño limo al

pasar el lodo a presión por hidrociclones de menor tamaño (generalmente 12

conos).

Desgasificador ("Degasser"): es un separador de gas que desgasifica el lodo

por acción del impacto o vacío.

Figura 24. Desilter & Mud Cleaner

Page 55: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

55

Tanque de sedimentación y reserva. En éste se termina de purificar el fluido

de perforación. Lleva instalado, por lo general, un limpiador de lodo ("mud

cleaner") cuya función es eliminar partículas de tamaño micrón. Semejante al

Desarcillador pero con una malla más fina.

Tanques de succión. Es el tanque donde se acondiciona químicamente el

lodo. Posee un compartimiento (compartimiento de la píldora) donde se

preparan baches para perforaciones especiales. Tiene instaladas las tolvas de

mezcla ("mud hopper").

Piscina de lodo. Es un tanque de reserva construido en tierra. Almacena

fluido de perforación contaminado y cortes de perforación. También se usa

para almacenar fluidos de formación producidos durante la perforación. Por

consideraciones ambientales, la piscina se aísla con un plástico especial o con

una lechada de cemento, para prevenir la contaminación de aguas

subterráneas

Figura 25. Piscinas de desecho

Page 56: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

56

2.3.4 Sistema rotatorio. Este sistema incluye todo el equipo usado para

imprimirle rotación a la broca. Las principales partes de este sistema son: la

“swivel”, la “kelly”, la transmisión de rotación a la mesa, la mesa rotaria, y la sarta

de perforación (Figura 26).

Figura 26. Sistema rotatorio

2.3.4.1 .La “Swivel”. Elemento clave. Contiene una unión giratoria que soporta

el peso de la sarta y permite el paso del fluido de perforación al interior de la

Page 57: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

57

misma, al tiempo que le posibilita girar, sin que el juego de poleas rote. Se cuelga

del gancho mediante un accesorio en “U” y recibe el lodo procedente de la bomba

a través de la manguera rotaria, conectada en el cuello de ganso. La swivel se

especifica según su capacidad de carga.

2.3.4.2 La “kelly”. Primer tubo que se conecta por debajo de la “swivel”.

Transmite la rotación a la sarta por su configuración externa de caras planas

(barra cuadrada o hexagonal) y permite el paso del fluido de perforación de la

swivel a la sarta de perforación. La mesa rotaria le transmite el torque a la “kelly”

a través del”kelly bushing” o adaptador, el cual se conecta a la mesa rotaria en la

caja de la mesa o “master bushing”. La rosca de la “kelly” es derecha en la parte

baja e izquierda en la parte superior para permitir la normal rotación de la sarta de

perforación. Un substituto (“kelly saver sub”) es usado entre la “kelly” y la sarta

para proteger la rosca inferior del desgaste. Se especifica por: Tipo, longitud y

distancia entre caras opuestas.

2.3.4.3 Mesa rotaria (“Rotary table”). Transmite la rotación a la “kelly”. La

abertura de la mesa rotaria donde se conecta el”master bushing”, debe ser de un

tamaño tal que permita el paso de la mayor broca que se va a correr en el pozo.

Además, la parte interna del “master bushing” tiene forma cónica para aceptar

cuñas, las cuales agarran la sarta de perforación para prevenir que la tubería se

vaya al hueco en el momento de adicionar o retirar un tubo de la sarta. La mesa

lleva una grapa (“perro”) para asegurarla al soltar un tubo con las llaves, sin él la

mesa girará con la llave por la libertad de rotación que ésta ofrece. La potencia

puede transmitirse a la mesa directamente o sacarse del malacate por transmisión

con cadenas y ejes. Entre la mesa rotaria y la transmisión se coloca a su vez una

transmisión hidráulica, para prevenir cargas de impacto y torques excesivos. Un

torque excesivo puede traer como consecuencia una falla por torsión, con el

consecuente rompimiento superficial de la sarta de perforación. La mesa rotaria

se identifica por el máximo tamaño de broca que puede pasar a través de ella y

por sus dimensiones.

Page 58: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

58

Figura 27. Mesa rotaria

2.3.4.4 La sarta de perforación (”Drill String”)”.

Tubería de perforación (”Drill pipe”). La mayor parte de la sarta está

compuesta de tubería de perforación. Son elementos tubulares de alta

resistencia a los esfuerzos, torneados en caliente y sin costura. El API clasifica

los tubos de perforación de acuerdo a su diámetro externo, peso nominal, grado

de acero, y rango o longitud.

Los diámetros externos más comunes son 2-7/8, 3-1/2, 4-1/2, 5, 5-1/2 pulgadas.

De éstos los más usados son 3-1/2 y 4-1/2, rango 2 (entre 27 y 32 pies de

largo). Dado que cada tubo tiene una longitud propia, cada uno debe ser

medido y registrado para conocer la profundidad total real. En cuanto al grado

de acero, las tuberías se fabrican de composición variada para proporcionarles

diversas categorías de resistencia al material. Los grados de acero más

comunes son N80, C75, D, E, X95, G105, S135 Y V150. Las dimensiones y

propiedades de algunos tipos de éstas tuberías se encuentran en las tablas 5 y

6. Los tubos también se pueden clasificar, de acuerdo a su desgaste, en tubería

nueva y tipo Premium. Estos últimos son clase 1 (de 0 a 20 % de desgaste),

clase 2 (de 20 a 30 % de desgaste) y clase 3 (mas de 30 % de desgaste).

Page 59: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

59

Para armar la sarta de perforación, los tubos se unen unos a otros en los”tool

joint” o uniones. Cada tubo tiene una unión en cada extremo; la primera termina

en caja y la segunda en pin. La unión va soldada integralmente al cuerpo del

tubo (”Integral Joint”) y tiene un diámetro externo mayor. Las uniones también

se especifican por su tipo de rosca. La configuración de éstas es variada por

cambios en el buzamiento o conicidad de la rosca, por cambios en la geometría

de los hilos (crestas, valles, hilos planos, etc.) y por variación en el número de

hilos por pulgada y en la longitud de la rosca. Ejemplos: API regular, FH (”Full

Hole”), XH (” Extra Hole”), SH (”Slim Hole”), IF (“Internal Flush”). Generalmente,

los tubos son de rosca redonda. La rosca en”V” fue usada, pero presenta fallas

frecuentes debido a la concentración de esfuerzos en su base. Algunas veces

la cara externa de la unión se recubre con carburo de tungsteno para reducir el

desgaste por la fricción del tubo con las paredes del hueco cuando está

rotando.

Ensamblaje de fondo o “BHA” (“Bottom Hole Assembly”). Termina de

completar la sarta de perforación y está conformada por los collares de

perforación, los acoples y los estabilizadores, entre otros elementos.

Collares de perforación (”Drill collar”). También se denominan lastra

barrenas. Son tubos pesados de pared gruesa que se conectan por encima de

la broca con el propósito de proporcionar el peso requerido para el avance del

hueco. La tubería de perforación debe mantenerse siempre en tensión, por lo

que el peso sobre la broca debe proceder únicamente de los collares (trabajan

en compresión). Las roscas de los collares son hechas con torno en el cuerpo

del tubo. La superficie externa de éstos puede ser lisa o acanalada. También

se especifican por su diámetro externo, peso, grado de acero y longitud, (tabla

7).

Page 60: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

60

Figura 28. Sarta de perforación

Page 61: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

61

Tabla 5. Resistencia a los esfuerzos de tubos de perforación API (1).

DIMENSIONES RESISTENCIA AL

COLAPSO *

(lpc)

RESISTENCIA AL

ESTALLIDO*

(lpc)

RESISTENCIA A

LA TENSIÓN*

(1000 lbf)

Diámetro

Externo

(pulg)

Peso

Nominal

(lbf/pie)

D

E

G

**

D

E

G

D

E

G

2-3/8 4,85 6850** 11040 13250 7110 10500 14700 70 98 137

2-3/8 6,65 11440 15600 18720 11350 15470 21660 101 138 194

2-7/8 6,85 10470 12560 9910 13870 136 190

2-7/8 10,40 12110 16510 19810 12120 16530 23140 157 214 300

3-1/2 9,50 10040 12110 9520 13340 194 272

3-1/2 13,30 10350 14110 16940 10120 13800 19320 199 272 380

3-1/2 15,50 12300 16770 20130 12350 16840 23570 237 323 452

4 11,85 8410 10310 8600 12040 231 323

4 14,00 8330 11350 14630 7940 10830 15160 209 285 400

4-1/2 13,75 7200 8920 7900 11070 270 378

4-1/2 16,60 7620 10390 12470 7210 9830 13760 242 331 463

4-1/2 20,00 9510 12960 15560 9200 12540 17560 302 412 577

5 16,25 6970 8640 7770 10880 328 459

5 19,50 7390 10000 12090 6970 9500 13300 290 396 554

5-1/2 21,90 6610 84440 10350 6320 8610 12060 321 437 612

5-1/2 24,70 7670 10460 12560 7260 9900 13860 365 497 696

5-9/16 19,00 ** 4580 5640 5090 6950 267 365

5-9/16 22,20 ** 5480 6740 6090 8300 317 432

5-9/16 25,25 ** 6730 8290 7180 9790 369 503

6-5/8 22,20 ** 3260 4020 4160 5530 307 418

6-5/8 25,20 ** 4010 4810 6160 4790 6540 9150 359 489 685

6-5/8 31,90 ** 5020 6170 6275 8540 463 631

* Estos valores no consideran factores de seguridad.

** Tubería no API.

Page 62: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

62

Tabla 6. Dimensiones de los principales tubos de perforación, API (3).

Diámetro

Externo

(pulg)

Peso

Nominal

(lbf/pie)

Diámetro

Interno

(pulg)

Diámetro útil para

desplazamiento de

herramientas

(pulg)

2-3/8 4,85 1,995 1,437

2-3/8 6,65 1,815 1,125

2-7/8 6,85 2,441 1,875

2-7/8 10,40 2,151 1,187

3-1/2 9,50 2,992 2,250

3-1/2 13,30 2,764 1,875

3-1/2 15,50 2,602 1,750

4 11,85 3,476 2,937

4 14,00 3,340 2,375

4-1/2 13,75 3,958 3,156

4-1/2 16,60 3,826 2,812

4-1/2 20,00 3,640 2,812

5 16,25 4,408 3,750

5 19,50 4,276 3,687

5-1/2 21,90 4,778 3,812

5-1/2 24,70 4,670 3,500

5-9/16 19,00 4,975 4,125

5-9/16 22,20 4,859 3,812

5-9/16 25,25 4,733 3,500

6-5/8 22,20 6,065 5,187

6-5/8 25,20 5,965 5,000

6-5/8 31,90 5,761 4,625

Page 63: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

63

Tabla 7. Peso en lbf/pie de diversos tipos de collares de perforación (3).

Diámetro Externo (pulg)

Diámetro Interno (pulg)

1 1-1/4 1-1/2 1-3/4 2 2-1/4 2-1/2 3 3-1/4 3-1/2 3-3/4 4

2-7/8 19 18 16

3 21 20 18

3-1/8 23 22 20

3-1/4 26 24 22

3-1/2 30 29 27

3-3/4 35 33 32

4 40 39 37 35 32 29

4-1/8 43 41 39 37 35 32

4-1/4 46 44 42 40 38 35

4-1/2 51 50 48 46 43 41

4-3/4 54 52 50 47 44

5 61 59 56 53 50

5-1/4 68 65 63 60 57

5-1/2 75 73 70 67 64

5-3/4 82 80 78 75 72 64 60

6 90 88 85 83 79 72 68

6-1/4 98 96 94 91 88 80 76 72

6-1/2 107 105 102 99 96 89 85 80

6-3/4 116 114 11 108 105 98 93 89

7 125 123 120 117 114 107 103 98 93 84

7-1/4 134 132 130 127 124 116 112 108 103 93

7-1/2 144 142 139 137 133 126 122 117 113 102

7-3/4 154 152 150 147 144 136 132 128 123 112

8 165 163 160 157 154 147 143 138 133 122

8-1/4 176 174 171 168 165 158 154 149 144 133

8-1/2 187 185 182 179 176 169 165 160 155 150

9 210 208 206 203 200 192 188 184 179 174

9-1/2 234 232 230 227 224 216 212 209 206 198

9-3/4 248 245 243 240 237 229 225 221 216 211

10 261 259 257 254 251 243 239 235 230 225

11 317 315 313 310 307 299 295 291 286 281

12 379 377 374 371 368 361 357 352 347 342

Page 64: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

64

Acoples o sustitutos. Me permiten unir dos roscas diferentes en cuanto a tipo

o diámetros. Pueden ser: caja-pin, caja-caja y pin-pin. Se conocen también

como “crossover”. Uno de los sustitutos más comunes es el “bit-sub” el cual

une la broca con los collares; es un acople caja-caja.

Tubería de perforación pesada (“Heavy weight drill pipe”). Son tubos de

perforación de pared gruesa (menor diámetro interno que los normales).

Poseen abultamientos externos en el cuerpo del tubo y sus uniones son mas

largas. Pueden trabajar en compresión o en tensión y se colocan entre la

tubería de perforación y los collares, para suavizar el cambio de rigidez y de

diámetro externo en la sarta.

Figura 29. Tubería de perforación pesada

Estabilizadores (“Stabilizer sub”). Ayudan a mantener el hueco recto y

permiten que el BHA baje centrado. Son unos tubos cortos con aletas que le

dan un diámetro mayor. Se aconseja usar tres o más estabilizadores,

Page 65: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

65

distribuidos en la sarta. Generalmente se colocan cerca de la broca o en los

collares.

Figura 30. Estabilizadores

Herramientas para el manejo de tubería.

Llaves manuales (”Manual Tongs”). Son llaves de potencia operadas

manualmente y utilizadas para apretar y aflojar conexiones de la sarta. Van

colgadas de cables a la torre y provistas de un contrapeso para su fácil manejo.

Poseen quijadas reemplazables. Se comunican con los cabeza de gato con

cadenas. Para apretar se usa el cabeza de gato derecho y para aflojar el

izquierdo.

Llaves de Potencia (”Power Tongs”). También se usan para apretar y aflojar

conexiones de la sarta. Son llaves operadas hidráulica o neumáticamente.

Page 66: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

66

Figura 31. Llaves manuales y de potencia para tubería de perforación

Cuñas. Accesorios que encajan en la mesa rotaria y cuya función es soportar

la sarta por contacto radial de superficies dentadas. Pueden ser manuales,

neumáticas o hidráulicas.

Figura 32. Cuñas para tubería de perforación

Grapas de Seguridad. Son cuñas que se ajustan a los collares con tornillos,

para evitar que éstos se resbalen de las cuñas de la rotaria.

Martillos. Se colocan arriba de los collares para ser usados en caso de que la

sarta se pegue. Pueden ser mecánicos o hidráulicos.

Otras herramientas: Llaves de cadena, llaves de tubo, absorvedores de

vibraciones y rimadores (“roller reamer”).

Page 67: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

67

2.3.4.5 Manejo de tubería. Los tubos deben ser manejados con cuidado para

evitar que fallen durante la perforación y asegurar una mayor vida útil. A

continuación se dan algunas recomendaciones generales para el manejo de los

tubos que conforman la sarta:

Se deben colocar protectores a las roscas.

No golpear, ni dejar caer la tubería de grandes alturas.

Siempre, almacenar los tubos sobre burros correctamente espaciados.

Lavar y engrasar las roscas antes y después de cada conexión.

Conectar los tubos apretando con el torque adecuado. No se debe exceder la

resistencia a la torsión que recomienda el fabricante.

Instalar las llaves en las uniones.

Revisar periódicamente la tubería.

Calibrar el diámetro en el centro y en los extremos.

Revisar que las roscas no tenga talladuras ni golpes. Si los posee, es

necesario rectificar la rosca haciendo una nueva sobre el metal del cuerpo del

tubo.

Revisar que la rosca no esté fisurada. Se observan principalmente los valles,

que son más propensos a las fisuras haciendo pasar un campo

electromagnético que imante bien (la caja y el pin). Previamente la rosca se ha

limpiado con ACPM. Se agrega limadura de metal fina, la cual es atraída por el

metal imantado. Se sopla y se observan los posibles grumos de limadura que

quedan principalmente en las fisuras.

Page 68: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

68

Revisar el borde de la rosca. Este debe estar pulido y perpendicular a la línea

de centro de las roscas. Para corregir esta falla se usan discos esmeriladores

que pulen de nuevo la cara.

Aplicar inhibidores de corrosión.

2.3.4.6 Cálculos y Diseños.

2.3.4.6.1 Capacidad de un tubo. El término se refiere al volumen que hay al

interior del tubo, por unidad de longitud. Se calcula como:

2IDCVi (18)

Vi: capacidad interna del tubo, pie3/pie (m3/m)

ID: diámetro interno del tubo, pulg. (m).

C: constante que depende de las unidades usadas = 0,00545 (0,7854)

2.3.4.6.2 Capacidad anular. Se refiere al volumen que se encierra en el anular

hueco-tubería, por unidad de longitud. Se aplica también al anular que se forma

entre dos tubos concéntricos (por ejemplo el anular revestimiento-tubo de

perforación). Se calcula como:

2

1

2

2 DDCVa * (19)

Va: capacidad anular, pie3/pie (m3/m).

D 2: Diámetro mayor del anular, pulg. (m).

D1 : Diámetro menor del anular, pulg. (m).

C: constante que depende de las unidades usadas = 0,00545 (0,7854)

Page 69: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

69

2.3.4.6.3 Desplazamiento. Es el volumen sólido del tubo, por unidad de longitud.

Para calcularlo se tiene:

22 IDODCVD * (20)

VD : Capacidad anular, pie3/pie (m3/m).

OD: diámetro externo del tubo, pulg. (m).

ID: diámetro interno del tubo, pulg. (m).

C: constante que depende de las unidades usadas = 0,00545 (0,7854)

En la ecuación 19, no se tiene en cuenta el efecto del mayor espesor de las

uniones. Cuando se requiere un dato más exacto se debe recurrir a tablas

elaboradas por las compañías fabricantes de tubería (tabla 8).

Page 70: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

70

Tabla 8. Desplazamiento promedio de tubería de perforación-Rango 2 (1).

Diámetro

Externo

(pulg)

Peso

Nominal

(lbf/pie)

Tipo de

unión

Peso real

en el aire

(lbm/pie)

Desplazamiento

pie/bbl bbl/pie

2-3/8 6.65 IF 6.90 398.42 0.00251

2-7/8 10.40 IF 10.90 251.9 0.00397

SH 10.40 263.0 0.00379

3-1/2 13.30 FH 13.90 197.6 0.00506

SH 13.40 204.9 0.00480

IF 13.80 199.2 0.00502

15.50 IF 16.02 171.5 0.00583

4 14.00 FH 15.10 181.8 0.00550

IF 15.10 176.1 0.00568

4-1/2 16.60 FH 17.80 154.3 0.00648

XH 18.00 152.7 0.00655

SH 17.00 161.6 0.00619

IF 17.70 155.3 0.00644

20.00 XH 21.40 128.5 0.00778

FH 21.30 129.0 0.00775

SH 20.50 134.0 0.00746

IF 21.20 129.5 0.00772

22.82 XH 24.10 114.0 0.00877

32.94 XH 36.28 75.7 0.00132

5 19.50 XH 20.60 133.3 0.00750

25.60 XH 26.18 107.4 0.00932

42.00 XH 45.20 60.8 0.01650

Page 71: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

71

2.3.4.6.4 Diseño de la sarta de perforación. Las sartas de perforación se deben

diseñar de forma que permitan:

Dar peso a la broca.

Reducir al mínimo las vibraciones de la sarta.

Optimizar el rendimiento de la broca.

Perforar un hueco de diámetro constante (pleno calibre) y con mínima

desviación.

De acuerdo a los esfuerzos y presiones que se generan en el pozo, se

selecciona la tubería que se debe usar para que se cumplan los objetivos

planteados, sin que la tubería falle. El API (3) recomienda la siguiente

secuencia de cálculos que se deben realizar.

Número de collares a utilizar: depende del peso que se le debe colocar a la

broca para que se perfore en forma óptima. Este, es recomendado por los

fabricantes de brocas y depende del tipo de éstas que se utilice. En el capítulo

3 se desarrollará mejor este aspecto. El peso que se le coloque a la broca

debe provenir de los collares (pueden trabajar en compresión) teniendo en

cuenta el efecto del empuje del fluido de perforación que hay en el hueco. Este

empuje se considera al multiplicar el peso del tubo en el aire por el factor de

boyanza (ecuación 7). Así:

Sdca

B

F*)B(cosLC

WNC (21)

Donde:

NC : número de collares necesarios.

WB : Peso necesario sobre la broca.

Ca : peso de los collares en el aire, lbf/pie (N/m).

Page 72: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

72

Ldc : longitud de cada collar, pie (m).

B : factor de boyanza (ecuación 7).

Fs : facto de seguridad (se recomienda tomarlo igual a 0,85).

: ángulo del hueco con respecto a la vertical.

Si se debe recurrir a varios tipos de collares, el peso total sobre la broca se

debe distribuir entre ellos. En caso de no disponer del número de collares

suficiente para proveer el peso necesario, lo que haga falta se ajusta

adicionando a la sarta tubería de perforación pesada (“heavy weight”):

BLC

BNCLCF

W

NHWHWHW

ddcaS

B

(22)

Donde:

NHW : número de tubos de perforación pesados necesarios.

NCd : número de collares disponibles.

CHW : peso de los tubos de perforación pesados en el aire, lbf/pie (N/m).

LHW : longitud de cada tubo de perforación pesado, pie (m).

En caso de disponer de los collares necesarios se acostumbra colocar de todas

formas algunos tubos de perforación pesados, por encima de los collares, para

suavizar el cambio de rigidez y de diámetro externo en la sarta.

Selección de la tubería de perforación: una vez calculado el número de

collares se procede a diseñar el resto de la sarta, esto es a seleccionar el

número y tipo de tubos de perforación que se van a utilizar. Para ello se debe

conocer la resistencia de los tubos a los esfuerzos que actúan en el hueco.

Estos valores se pueden conocer mediante tablas (sección 2.3.4.4), aunque

también existe la posibilidad de calcularlos mediante ecuaciones que se pueden

deducir analíticamente (4).

Page 73: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

73

Al diseñar la sarta de perforación se busca seleccionar el tipo de tubería de

perforación (grado de acero) que resista todos los esfuerzos que se generan en

el pozo y que haga el diseño lo más económico posible. Para ello se combinan

varios grados de acero de forma que se utilicen los tubos más resistentes en

aquellos puntos donde los esfuerzos son más críticos, y los tubos más

económicos donde no se presentan mayores problemas. Lo anterior hace que

a través de la sarta se tengan varias secciones de tubería, cada una de longitud

diferente dependiendo de su resistencia a los esfuerzos presentes.

Los esfuerzos que soporta la tubería son:

Presión interna: el punto crítico, para una sección dada, se encuentra en su

extremo superior. Esta presión la genera el fluido de perforación que hay en el

interior de la sarta. Se calcula con la siguiente ecuación:

Sdsshdi F*)ΔPΔPPP(P (23)

Donde:

Pi : presión interna ejercida sobre el extremo superior de la sección

diseñada, lpc (Pa).

Pd: presión de descarga de la bomba, lpc (Pa).

Ph : presión hidrostática, del fluido de perforación, ejercida sobre el extremo

superior de la sección diseñada, lpc (Pa).

Ps : Pérdidas de presión del fluido de perforación a través del equipo de

superficie, lpc (Pa).

Pds : Pérdidas de presión que sufre el fluido de perforación a través del interior

de la sarta hasta llegar al extremo superior de la sección diseñada, lpc

(Pa).

FS: factor de seguridad (se recomienda tomar 1,1).

Page 74: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

74

El valor calculado con la ecuación 23, debe ser menor que la resistencia al

estallido (presión interna) dada en la tabla 5.

Presión de colapso: se debe a la columna de fluido que hay en el anular hueco-

sarta de perforación. Para una sección dada, el punto mas crítico se encuentra

en su extremo inferior, cuando la tubería está vacía por dentro. Se recomienda

calcularla con la siguiente ecuación:

Sim

c F*C

HρP (24)

Pc: presión de colapso ejercida sobre el extremo inferior de la sección, lpc(Pa).

Hi: profundidad a la que se encuentra el extremo inferior de la sección, pie (m).

m : densidad del fluido de perforación, lbm/gal (Kg/m3).

C= 19,251 (0,102).

FS: factor de seguridad (se recomienda tomar 1,125).

El valor calculado con la ecuación 24 debe ser menor que la resistencia al

colapso dada en la tabla 5.

Tensión: como se verá a continuación el diseño que se propone en este trabajo

toma como base la resistencia a la tensión de la tubería. Este esfuerzo se

presenta como resultado del peso de la tubería que cuelga del punto que se

analiza. Por lo anterior, el punto más crítico se ubica en el extremo superior de

cada sección.

Existen varios métodos para hacer el diseño pero él mas recomendado,

selecciona las secciones de abajo hacia arriba calculando la longitud de cada

una con base en los esfuerzos longitudinales (esfuerzos de tensión) presentes y

Page 75: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

75

su resistencia a ellos. Se considera que en el fondo del pozo las fuerzas que

actúan longitudinalmente son las mas críticas o las que tienden en mayor grado

a deformar la tubería. Conocidos los tipos de tubería disponibles, se procede a

calcular la longitud de cada sección. Como el cálculo comienza de abajo hacia

arriba, para la primera sección se puede utilizar el tipo de tubería menos fino ya

que sobre ésta los esfuerzos por tensión son menores. La última sección

deberá soportar mayores esfuerzos de este tipo, por lo tanto en ella se debe

usar un acero de más calidad. Es claro que cada sección estará conformada

por varios tubos.

Una vez calculada la longitud de cada sección se verifica si la tubería

seleccionada resiste las otras fuerzas que se presentan (presiones externas e

internas). Obviamente la suma de las longitudes de las secciones de tubería,

incluyendo los collares, me dará la profundidad total del pozo que se va a

perforar. Para cada uno de los esfuerzos anteriores, si después de confrontar

valores, el esfuerzo real es mayor que la resistencia de la tubería se debe

recalcular la longitud de la sección o utilizar una tubería más resistente. Cuando

ya se ha calculado la longitud adecuada se procede a calcular, de igual forma,

la siguiente sección, con un tipo de tubería cuya resistencia a la tensión sea

mayor que la anterior.

Para calcular la longitud de cada sección se utiliza la siguiente ecuación:

LDPR OP

W B

W

W

T

a

BH

a

0 9, (25)

Donde:

LDP : longitud de la sección diseñada, pie (m).

RT : resistencia a la tensión de los tubos seleccionados, lbf (N).

Wa : peso de la tubería de perforación en el aire, lbf/pie (N/m).

WBH : peso en el aire de la tubería que cuelga de la sección calculada, lbf (N).

Page 76: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

76

B : factor de boyanza (ecuación 7).

OP : margen de esfuerzo adicional disponible (“Over pull”), lbf (N).

El margen de esfuerzo adicional (“Over Pull”) es la diferencia que se quiere

tener entre la resistencia de la tubería a la tensión y la magnitud real del

esfuerzo al que es sometida la tubería. Este margen se deja para prevenir

esfuerzos adicionales que se puedan presentar, como por ejemplo el generado

al tensionar la sarta en casos de pega de la misma.

2.3.5 Sistema de Control de Pozos. Este sistema previene el flujo incontrolado

de fluidos de la formación hacia el pozo. Cuando la broca penetra una formación

permeable que tiene una presión mayor que la hidrostática ejercida por el fluido de

perforación, los fluidos de la formación empezarán a desplazar el lodo del pozo.

Se denomina “Kick”, a ese flujo repentino de fluidos de la formación dentro del

pozo, en presencia del fluido de perforación.

El sistema de control de pozos debe permitir:

Prevenir el “Kick”.

Detectar el kick.

Controlar un “Kick”:

Cerrar el pozo en la superficie.

Circular el pozo bajo presión para remover los fluidos de formación e

incrementar la densidad del lodo.

Mover la sarta bajo presión.

Cambiar la dirección de flujo lejos del equipo y del personal.

Page 77: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

77

Figura 33. Esquema del sistema de control de pozo

Si el sistema de control falla, resulta un flujo incontrolado de fluidos de formación

que es denominado reventón (“Blow Out”). Este hecho es quizás, el menos

deseable cuando se perfora. Puede causar pérdida de personal, del equipo, de las

reservas de gas y aceite, y del pozo. Lo anterior sin contar los daños causados al

medio ambiente, cercano al pozo.

Page 78: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

78

2.3.5.1 Prevención de un flujo imprevisto. Durante la perforación de un pozo la

prevención de un flujo imprevisto de fluidos de la formación hacia el pozo se logra

utilizando un fluido de perforación de una densidad tal, que su columna

hidrostática ejerza una presión mayor que la que tiene la formación que se

atraviesa. Lo importante es utilizar el fluido de perforación adecuado.

Cuando se hace un viaje de tubería, la circulación del fluido de perforación se

detiene y se retira un volumen significativo de tubería es removido del hueco. Esto

hace que el nivel del fluido en el pozo baje, disminuyendo la presión hidrostática

de la columna y posibilitándose la formación de un “Kick”. Para prevenirlo se debe

mantener el hueco lleno, para lo cual se bombea fluido de perforación de tal forma

que se reemplace el volumen de tubería que se saco. Este fluido se toma de un

tanque especial denominado tanque de viaje (“Trip Tank”) utilizando,

normalmente, una bomba especial para ello. El tanque de viaje es llenado

periódicamente usando las bombas de lodo. Si en el equipo no existe tanque de

viaje, el hueco debe llenarse usando la bomba de lodo.

2.3.5.2 Detección de un “Kick”. La detección de un “Kick” cuando se perfora, se

logra usualmente gracias a un indicador de volumen en los tanques de lodo, o por

un indicador de flujo. Ambos aparatos detectan un incremento en el flujo que

retorna procedente del pozo por el anular, tomando como referencia el retorno

normal. Los indicadores de volumen usan flotadores en los tanques que se

conectan a traductores eléctricos o neumáticos y a un registrador en el piso de la

torre. El registro indica el volumen de las piscinas activas. Cuando el volumen

aumenta o disminuye significativamente, se pueden activar alarmas sónicas o

luminosas. Un aumento de nivel indica que los fluidos de la formación están

entrando al pozo y una disminución indica que el fluido se está perdiendo hacia

una formación. En el primer caso es muy posible que se esté formando un “Kick” y

en el segundo hay pérdidas de circulación. Los indicadores de flujo detectan un

“Kick” más rápidamente. En este caso se tiene un medidor de flujo tipo paleta

Page 79: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

79

colocado en la línea por donde retorna el lodo (“flow line”). Además, se tiene un

medidor de strokes de la bomba. La diferencia entre estos dos datos me indican

ganancia o pérdida de flujo. Si el flujo por el “flow line” es mayor, puede estar

ocurriendo un “kick”. Si es menor hay pérdidas de circulación.

Cuando se está haciendo un viaje, la detección se hace por medio de un indicador

de hueco lleno. El propósito de éste es medir el volumen de lodo requerido para

llenar el hueco cuando se han sacado X tubos. Si el volumen de lodo requerido

para llenar el hueco es menor que el volumen de los tubos removidos, un “kick”

puede estar en progreso.

2.3.5.3 Control de un “Kick”. Cuando un “Kick” está en progreso se hace

necesario controlarlo antes de que ocurra un reventón. Las preventoras de

reventones (“Blow Out Preventors”, BOP) son accesorios que se instalan en la

cabeza del pozo y su función es controlar los flujos imprevistos por el espacio

anular hueco-sarta de perforación o impedir flujos desde el pozo cuando no hay

sarta dentro de él. Deben además, permitir el movimiento de la tubería sin

descargar la presión del pozo y permitir que sea circulado fluido de perforación en

presencia del “kick”. En una operación normal se deben utilizar paquetes de

preventoras (“BOP Stock”) de varios tipos.

Preventoras de arietes (“RAMS”). Emplean sellos de tamaño fijo,

dependiendo de la tubería que se tiene en el pozo, que se cierran

herméticamente para impedir el flujo de fluidos. Pueden ser de tubería, ciegos o

cortantes.

Arietes de Tubería (“Pipe RAMS”): su tamaño es fijo y depende de la tubería

que haya en el pozo. Tienen aberturas semicirculares que cierran

herméticamente contra el tubo impidiendo el flujo por el anular. Se usa un

tamaño de ariete para cada tamaño de tubería que se tenga en la sarta.

Page 80: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

80

Figura 34. Válvula tipo ariete

Arietes Ciegos (“Blind RAM”): cierran cuando no hay tubería en el hueco. Si

inadvertidamente son cerrados cuando la sarta está en el hueco, el tubo será

aplastado pero el flujo del “kick” no cesará ya que los arietes no se ajustan bien.

Arietes Cortantes (“Shear RAMS”): son arietes ciegos diseñados para cortar la

sarta cuando se cierran y ésta se encuentra en el pozo. La sarta caerá al hueco

pero el flujo del kick será detenido. Este ariete cortante es usado solo cuando

las demás preventoras fallan.

Todo tipo de ariete está disponible para presiones de trabajo de 2000, 5000,

10000 y 15000 lpc.

Preventora Anular (“Anular Preventers”). También conocidas como

preventoras esféricas. Utilizan un sello circular de caucho endurecido, que

accionado hidraúlicamente puede cerrar el flujo anular contra cualquier tamaño

de tubería, aún contra la kelly y en casos extremos sin tubería en el pozo o

contra los collares. Se especifican por marca, tipo y presión de trabajo.

Page 81: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

81

Figura 35. Válvula tipo anular

Normalmente se utilizan dos o tres preventoras de ariete y una preventora

anular en el tope. Tanto la preventora anular como las de ariete son cerradas

hidraúlicamente. Además, los arietes tienen un cerrado manual tipo rosca,

usado cuando el sistema hidraúlico falla.

Acumuladores (“Accumulators”). Son accesorios usados para operar a

control remoto las preventoras. Los sistemas hidráulicos modernos para cerrar

las BOP'S son acumuladores de fluido a alta presión. El acumulador es capaz

de suministrar fluido suficiente, a alta presión, para cerrar todas las unidades

del BOP'S al menos una vez. Los acumuladores son cilindros que tienen

capacidades de 40, 80 ó 120 galones, y presiones máximas de operación de

1500 a 3000 psi. Una bomba independiente mantiene constante la presión de

los acumuladores de modo que puedan ser usados en cualquier momento. Por

seguridad se mantiene en “stand-bye” una bomba para los acumuladores. El

fluido acumulado usualmente es un aceite hidráulico no corrosivo, con un bajo

punto de congelamiento. Además, debe tener buenas características lubricantes

y ser compatible con las partes de caucho del sistema de control. Un conjunto

Page 82: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

82

de cilindros, pre cargado con nitrógeno también puede ser usado. Los

acumuladores están equipados con un sistema regulador de presión, de forma

que si los acumuladores se descargan la bomba comienza a funcionar

automáticamente, cargando de nuevo los cilindros.

“Manifold”. Es un sistema de circulación a alta presión utilizado en

operaciones de control de pozos. El “kick” normalmente es circulado desde el

pozo a través de un choke ajustable que es controlado desde un panel en el

piso del equipo. El choke debe mantener suficiente presión, de tal modo que la

presión en el fondo del pozo, ejercida por el fluido, sea ligeramente mayor que

la presión de la formación. De no ser así, los fluidos de formación continúan

entrando al pozo. El arreglo del “manifold” se basa en la magnitud de la presión

de formación en el área y en el procedimiento de control de pozos usado por el

operador. Un separador de gas permite que cualquier gas producido por la

formación, sea venteado

Cuando un “kick” es detectado durante un viaje de tubería, lo mejor es forzar la

sarta hacia abajo (“stripping”) con la preventora anular cerrada, para permitir la

eficiente circulación de los fluidos de formación desde el pozo. La habilidad para

variar la presión de cierre en las preventoras es importante cuando se requiere

esta operación. El espacio entre los arietes es proporcionado por el “drilling spool”

que al mismo tiempo permite conectar las líneas de alta presión en un punto dado.

Estas líneas de alta presión hacen posible circular en reversa y controlar el flujo

con el BOP'S cerrado. El conducto usado para circular en reversa es llamado el

“kill line” y la línea para controlar el flujo incluye un choke, un manifold y líneas de

flujo. El “drilling spool” debe tener un espacio interior lo suficientemente grande

para permitir el paso de todos los revestimientos, sin tener que quitar las

preventoras. El BOP's es conectado al revestimiento de superficie en la parte

superior (“casing head”) soldado o conectado al primer tubo cementado en el

pozo. En esta parte se tienen salidas para permitir la descarga de presiones que

podrían acumularse entre las sartas de revestimiento.

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83

Un panel de control para operar las BOP'S se coloca en el piso de la torre para un

fácil acceso del perforador. Los controles están marcados claramente y son

identificables con el arreglo de BOP'S que se tenga. Los arreglos de BOP'S

pueden variar mucho y dependen de la magnitud de la presión de formación en el

área y del tipo de procedimiento de control de pozos usado por el operador. Existe

un tipo de válvula (“Internal BOP”) que puede ser colocada en la parte superior de

la sarta, cuando el pozo esté fluyendo durante un viaje.

2.3.6 Sistema de monitoria del pozo. Por consideraciones de seguridad y

eficiencia se hace necesario llevar una constante monitoria del pozo para detectar

problemas de perforación rápidamente. Este sistema permite controlar

parámetros tales como: profundidad, rata de penetración, cargas soportadas por el

gancho, velocidad de la mesa rotaria, presión de la bomba, densidad del lodo,

nivel de las piscinas, rata de flujo, etc. Todas estas operaciones se controlan con

base en señales que se leen en instrumentos instalados en el pozo.

Indicador de peso. Consta de un reloj que muestra las tensiones a las que

es sometido el cable de perforación en la línea muerta o en el anclaje, y que

relaciona tal tensión con el peso que soporta. Tiene dos agujas que muestran

el peso total de la sarta y el peso aplicado sobre la broca. El elemento

detector puede estar ubicado en el anclaje del cable o directamente en

contacto con la línea muerta.

Indicadores de torque. Es un reloj que recibe una señal de un elemento

controlador en contacto con la cadena de transmisión de potencia a la mesa.

Cuando la sarta coge torque trata de pegarse y la mesa intenta pararse,

tensionando la cadena. Se presiona un rodillo y éste envía un impulso

hidráulico al reloj indicando en la escala las lbf-pie de torque equivalente o una

medida arbitraria y proporcional al torque.

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84

Manómetros. Son indicadores de presión de las bombas. Deben ubicarse

junto al perforador para captar anomalías y actuar en forma rápida. Una

variación en la presión indica un problema que debe ser ubicado.

Indicador de SPM. Instrumento que cuenta los golpes (emboladas) por

minuto de la bomba y envía una señal al tablero de instrumentos.

Totalizador de SPM. Totaliza todos los golpes de la bomba.

Alarmas PVT. Instrumentos instalados para controlar el volumen de lodo en

los tanques e indican si hay pérdidas o ganancias de fluido durante la

operación previniendo la ocurrencia de un reventón o una pérdida drástica de

circulación. Se colocan flotadores en los tanques que envían señales

eléctricas al panel de instrumentos y accionan alarmas sonoras y/o luminosas.

Sapo. Instrumento que registra en una carta los factores que afectan la rata

de penetración y la profundidad del pozo.

Telemetría. Es una forma de medir a distancia los parámetros de la

operación. La técnica conocida como MWD (“Meassurement While Drilling”)

permite registrar, simultáneamente con la perforación, todos los parámetros

involucrados. Es especialmente útil cuando se perforan pozos desviados.

2.4. OTROS SISTEMAS DE ROTACIÓN.

2.4.1. Sistema “Top Drive” (13) . Algunas veces, para transmitir la rotación a la

sarta, se instala un”power-swivel” exactamente debajo de la “swivel” convencional.

La sarta de perforación va conectada a este elemento, evitándose el uso de la

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85

“Kelly”, la “Kelly bushing” y la mesa rotaria. La rotación se genera en un motor

hidráulico incorporado al ”power-swivel”. Estos aparatos están disponibles en un

amplio rango de velocidades y combinaciones de torques.

El sistema en el cual se utiliza esta forma de perforar se conoce como “Top Drive”.

Con la introducción de este sistema muchas operaciones relacionadas con el

manejo de tubería se han mejorado e incluso eliminado.

Figura 36. Ejemplo de sistema “Top Drive”

El motor junto con un manejador de tubería viaja arriba y abajo de la torre

mediante unos rieles a través de los cuales se deslizan. El motor es levantado por

el bloque viajero y se conecta por debajo de la “swivel”. Cuando se perfora con

mesa rotaria la “kelly” debe ser desconectada para hacer un viaje de tubería,

siendo necesario conectarla de nuevo al completar el viaje o cuando la tubería se

pega. Durante la perforación para adicionar un tubo a la sarta, éste se debe

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86

conectar en la “ratonera”. Con el sistema “Top Drive” el tiempo gastado en esta

maniobra se reduce ostensiblemente

2.4.2. Motores de fondo. Cuando se requiere desviar el pozo y mientras se

perfora la sección desviada, la sarta de perforación no puede rotar pues no se

podría mantener la dirección del pozo.

Figura 37. Partes del motor de fondo

En estos casos se conecta un motor de fondo directamente a la broca, el cual es

accionado hidráulicamente por acción del fluido de perforación que está

circulando. El fluido bombeado por la sarta mueve un rotor el cual transmite la

rotación por una unión universal al eje inferior donde se conecta la broca. De esta

forma gira sin que rote la sarta de perforación. La longitud de estos motores es de

aproximadamente 30 pies y vienen en tamaños de 1-½, 2, 2-1/4, 3-½, 4-¾, 6, 6-½

y 7 ¾ Pulg. Pueden ser de alta velocidad y bajo torque o de baja velocidad y alto

torque.

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87

3. BROCAS PARA PERFORACIÓN ROTATORIA

La broca (“bit”) es el elemento que corta la formación a medida que rota,

aplicándole al mismo tiempo fuerza de compresión (peso). En el sistema rotatorio,

el agujero se construye bajando la columna de tubería y collares hasta que la

broca toca o se acerca al al punto donde se va a perforar, para luego establecer la

circulación del fluido de perforación por el interior de la sarta, siendo descargado

por unos conductos o boquillas que posee la broca. Esta circulación hace que el

pozo y la broca se mantengan limpios. Posteriormente, se establece la rotación

de la sarta por medio de la mesa rotatoria y se baja ésta lentamente por medio del

malacate, hasta que se aplique el peso apropiado para la perforación.

La broca va conectada a la parte inferior de los collares de perforación mediante el

“bit sub” y para que perfore bien, se optimiza el peso que se le debe aplicar, su

velocidad de rotación y la hidráulica del fluido de perforación.

3.1 TIPOS DE BROCAS (1).

En general, las brocas usadas en la perforación rotatoria se clasifican en: brocas

de conos y brocas de arrastre. Es muy importante seleccionar el tipo de broca

adecuado según la formación que se desea atravesar, pues una mala selección

implica costos de perforación adicionales.

3.1.1 Brocas de conos. En éstas, el elemento cortante es un cono que se puede

mover independientemente del cuerpo de la broca. Normalmente contienen tres

conos, caso en el cual se denominan tricónicas. Si el cortador es fabricado sobre

el cono se habla de brocas de dientes y si va incrustado se habla de brocas de

Page 88: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

88

insertos. En el último caso el cortador se fabrica de carburo de tungsteno. Las

brocas de insertos pueden rotar a mayor velocidad que las brocas convencionales

y pueden trabajar con altos pesos.

(a) (b)

Figura 38. Brocas tricónicas. (a) de dientes. (b) de insertos

Existen diferentes tipos de dientes y conos, por lo que se usan en varias clases de

formaciones. Dientes de acero largos sirven para perforar formaciones suaves y

dientes cortos menos espaciados son utilizados en la perforación de formaciones

duras. Los dientes se limpian por el paso del fluido de perforación a través de las

boquillas de la broca, por las cuales sale en forma de chorro y choca con la

superficie de los dientes.

El cojinete, es la pieza que une los conos con el cuerpo de la broca y se encarga

de transmitir a éstos la carga suministrada por la sarta, permitiéndole al mismo

tiempo que rote. Hay tres tipos básicos de cojinetes: “standard”, sellados y

“journal”.

3.1.2 Brocas de arrastre ó de fricción. Poseen elementos cortantes fijos

integrados al cuerpo de la broca por lo que rotan como una sola unidad, cortando

la formación en forma de raspador. Sus principales características de diseño son:

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89

el número y la forma del elemento cortante, el tamaño y localización de los

conductos por donde se descarga el fluido de perforación, y el material de

construcción del cuerpo y los elementos cortantes.

Su ventaja sobre las brocas de conos consiste en que por no tener partes móviles,

no se requiere energía adicional para moverlas.

3.1.2.1 Brocas de paletas. Constan de paletas cortadoras fijas (cuchillas),

integradas al cuerpo de la broca, que pueden rotar con éste como una sola

unidad. Cuando tienen una sola cuchilla en forma de barra se denominan “cola de

pescado” las cuales fueron quizás las primeras brocas usadas, y aunque en la

actualidad no son muy comunes podrían utilizarse en formaciones blandas poco

profundas.

3.1.2.2 Brocas de diamante natural. Se comportan bien en formaciones que

tienen un modo plástico de fallar. Constan de un cuerpo de carburo de tungsteno y

una corona compuesta por muchos diamantes incrustados en la matriz.

Si la broca trabaja bien, solamente los diamantes deben tocar el fondo del pozo.

La matriz está provista de guías o caminos de flujo que dirigen el fluido de

perforación sobre la cara de la broca permitiendo que éste limpie y enfríe los

diamantes.

La porción cilíndrica vertical de la corona que lleva los diamantes, se denomina

sección calibradora (“gage”), y al hablar de la forma de la corona se habla de su

“perfil”. El fluido de perforación sale por el centro de la corona y se distribuye

uniformemente por las guías. Por lo anterior, la presión cae debido a la alta

velocidad del flujo confinado por la matriz de la broca y el fondo del hueco, es

decir, si la broca no está asentada en el fondo del hueco, la presión no cae.

Page 90: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

90

El tamaño y número de diamantes usados, depende de la dureza de la formación.

Brocas para formaciones duras tienen diamantes más pequeños (de 0,07 a 0,125

quilates) y para formaciones blandas las piedras son más grandes (0,75-2

quilates). Un quilate equivale a 0,2 gramos, y debido a que algunas veces se está

más interesado en el tamaño que en el peso, se habla también del número de

piedras por quilate (SPC). Estas brocas son diseñadas para ser operadas a

determinadas tasas de flujo y caída de presión a través de la cara de la broca.

Los fabricantes de brocas usualmente dan estimativos de estos parámetros de

operación.

3.1.2.3 Brocas de diamante policristalino (PDC). El elemento cortante consta de

una capa de pequeños cristales de diamante policristalino sintético de

aproximadamente 1/64 pulgadas de espesor, adheridos a una matriz de carburo

de tungsteno por un proceso a alta temperatura y alta presión. Las brocas PDC se

han usado con éxito en secciones uniformes de carbonatos o evaporitas,

areniscas y arcillas, aunque presentan problemas de embotamiento en

formaciones pegajosas muy suaves, y alta abrasión y ruptura en formaciones

abrasivas y duras. Generalmente usan una boquilla especial con cuerpo de acero

y guías de lubricación labradas en la matriz de la broca.

Otros rasgos de diseño importantes son: La forma o perfil de la corona de la broca,

el tamaño, forma y número de cortadores usados, y la inclinación del cortador con

respecto a la superficie de la formación expuesta.

Page 91: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

91

Figura 39. Brocas PDC

3.1.2.4 Brocas de Diamante Policristalino Termoestable (TSP). Son brocas

cuyos dientes son fabricados de diamante sintético de mayor estabilidad que los

PDC, a altas temperaturas, ya que éstos últimos sufren degradación térmica a

temperaturas superiores a 700 oC.

3.2 CLASIFICACIÓN IADC DE LAS BROCAS (5 ).

La IADC (“International Asociation of Drilling Contractors”) presenta un código para

clasificar en forma universal las brocas de diferentes fabricantes. Este código está

sujeto a revisiones periódicas.

3.2.1 Clasificación IADC de brocas de conos. En esta clasificación, para las

brocas de conos se utiliza un código de tres dígitos. El primero se denomina

número serie, el segundo número tipo y el tercero número de rasgo. El código,

actualmente, se aplica así:

Page 92: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

92

Número serie: los dígitos 1, 2 y 3 se usan para brocas de conos con dientes

para formaciones de dureza baja, media y alta respectivamente. Las series 4 a

8 se usan para brocas de inserto, variando el número según la dureza de la

formación (4 para formaciones blandas y 8 para formaciones extremadamente

duras).

Número tipo: representa una subclasificación de dureza (de 1a 4) para cada

número serie.

Número de rasgo: se identifica con un número de 1 a 8, que representa

características especiales de la broca, como tipo de cojinete (1= cojinete sin

sellos de grasa), etc.

3.2.2 Clasificación IADC de brocas de arrastre. En este caso se utiliza un

código de una letra y tres dígitos para clasificar las brocas.

El primero identifica el tipo de material del cuerpo, utilizando S para acero y M

para matriz de carburo de tungsteno.

La densidad de los cortadores se identifica con el segundo dígito, reservando

del uno al cuatro para brocas PDC y del seis al ocho para brocas de diamante

natural. En brocas PDC la densidad es función del número total de cortadores,

uno representa baja densidad y cuatro altas densidades. Para brocas de

diamante natural la densidad de cortadores es función del número de piedras

por quilate (SPC). Seis identifica una densidad de cortadores de 3 SPC o

menos, siete implica que 3<SPC<7, y ocho indica una densidad de mas de 8

SPC.

El tercer dígito del código es función del tamaño y tipo de cortadores. En

brocas PDC representa su tamaño: uno indica cortadores mayores a 24 mm,

Page 93: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

93

dos cortadores entre 14 y 24 mm y tres indica cortadores menores de 14 mm

(no se incluyen los cortadores de 9 mm que se clasifican como cuatro). Si la

broca no es PDC el tercer dígito indica el tipo de cortador que se utiliza: uno

representa brocas de diamante natural, dos brocas TSP, tres combinaciones

de TSP y diamante natural y el cuatro se utiliza para brocas impregnadas.

El cuarto dígito es función del perfil de la broca. Las brocas PDC de cola de

pescado se identifican con el número 1. En brocas TSP o de diamante natural

el 1 representa perfiles planos. Dos, tres y cuatro, representan, en orden

ascendente, la longitud del perfil.

3.3 SELECCIÓN Y EVALUACIÓN DE LA BROCA.

Una buena evaluación de una broca usada sirve de base para saber si ésta se

utilizó bien y me permite seleccionar mejor las brocas a usar en zonas de

características similares. Esta evaluación implica analizar el desgaste del

elemento cortante, de los cojinetes, y en general, de todos los componentes de la

broca. La broca usada me permite conocer lo que está pasando en el hueco, los

problemas que podemos encontrar en la próxima corrida y cómo podemos

cambiar las condiciones de operación para aumentar la tasa de penetración,

mejorando con esto los beneficios económicos.

La industria ha desarrollado un método de codificación para cuantificar el desgaste

de la broca, siguiendo las recomendaciones de la IADC (6). Este código utiliza

ocho dígitos, como se muestra en la tabla 9, los cuales se describen a

continuación.

Page 94: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

94

Tabla 9. Graduación del desgaste de las brocas (6)

Estructura

Cortadora

Principal

característica

del desgaste

Ubicación

del

desgaste

Estado

Cojinetes/

sellos

Calibre Otras

Características

de desgaste

Motivo de la

sacada de la

broca

Interior Exterior

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)

(1) Describe el estado de la estructura cortadora en las 2/3 partes interiores de la

broca. Usa una escala de 0 a 8 para indicar:

En brocas de dientes: “0” implica que no hay pérdida, desgaste y/o rotura de la

estructura cortante. “8” indica pérdida total de la estructura.

En brocas de insertos: “0” indica que no hay insertos perdidos, gastados y/o

rotos. “8” indica que todos los insertos están perdidos, gastados y/o rotos.

En brocas de diamante, PDC o TSP: “0” indica que no hay pérdida, desgaste

y/o rotura de la estructura cortante. “8” indica pérdida total de la estructura.

(2) Utiliza la misma escala anterior para cuantificar el desgaste en el tercio exterior

de la broca.

(3) Utiliza un código de dos letras para indicar la característica principal del

desgaste de la broca (sólo la principal). Por ejemplo:

CC: cono fisurado (Cracked cone).

BT: Dientes rotos (Broken teeth).

PN: Boquillas o canales de flujo tapados (Plugged nozzles).

Page 95: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

95

(4) Indica la ubicación del desgaste descrito en (3). Depende del tipo de broca,

por ejemplo, para brocas tricónicas: N (hilera interior), M (hilera del medio), H

(hilera exterior), A (todas las hileras).

(5) Para cojinetes sin sello, usa una escala de 0 a 8 para estimar su vida útil (0 si

no hay desgaste, 8 sin vida remanente). Para cojinetes con sello se usa una

letra: E (sellos efectivos), F (sellos fallados), D (broca sin cojinetes).

(6) Indica mediante un número el estado del calibre de la broca (“gage”): 1 la broca

conserva su calibre, 8/16 indica que a cada lado se desgastó 8/16 de pulgada.

(7) Se plantean otras características de desgaste, usando el mismo código

descrito en (3).

(8) Se plantea el motivo por el cual se sacó la broca. Ejemplos: BHA (Cambio de

la sarta de perforación), CM (Tratamiento del fluido - “condition mud”), LN:

Boquilla perdida (“lost nozzle”).

Con todos estos datos se elabora un reporte de las brocas que se corren en un

pozo, adicionando otros parámetros como: horas de trabajo, pies perforados,

velocidad de rotación, peso colocado, hidráulica utilizada y en general toda la

información que se tenga. Este reporte se denomina “BIT RECORD” y su análisis

permite optimizar las brocas a usar en otras perforaciones.

3.4 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE PENETRACIÓN.

La velocidad de penetración, es un factor que influye directamente sobre el costo

total de una perforación. Esta es afectada por parámetros como los que se

analizan a continuación.

Page 96: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

96

3.4.1 Tipo de broca. En general, las brocas de conos presentan tasas de

penetración más altas en cualquier tipo de formación, si se usan dientes largos,

pero a medida que se profundiza el hueco los dientes se destruyen mas fácilmente

por el incremento en la dureza de la roca. Las brocas de arrastre se diseñan para

obtener una tasa de perforación dada y en ellas la penetración en la roca depende

del número de cortadores usados. Ninguna broca sirve para todo tipo de

formación. La experiencia obtenida por el perforador y el análisis del “bit record”

son fundamentales para una buena selección.

3.4.2 Tipo de formación. La resistencia a los esfuerzos de la roca afecta la tasa

de penetración. La permeabilidad y la mineralogía de la roca también deben

tenerse en cuenta.

3.4.3 Fluido de perforación. La tasa de penetración está influenciada por las

propiedades del fluido de perforación por su efecto lubricante sobre la broca. La

composición química también influye sobre la vida de ésta. La tasa de penetración

tiende a disminuir con incrementos en densidad, viscosidad y contenido de sólidos

en el fluido y tiende a aumentar con incrementos en la tasa de filtración. Además,

la densidad, el contenido de sólidos y las características de filtración del lodo

controlan la presión diferencial a través de la zona que se está perforando. La

viscosidad del fluido controla las pérdidas de presión en la sarta de perforación y

de este modo, permite que haya mayor energía hidráulica en la broca para su

adecuada limpieza.

3.4.4 Condiciones de operación. El efecto del peso colocado sobre la broca y la

velocidad de rotación son los factores más importantes. La tasa de penetración

aumenta a medida que se aumenta el peso sobre la broca hasta que se alcance

un valor superior límite por encima del cual los aumentos no son significativos. Por

otro lado, la tasa de penetración aumenta linealmente con la velocidad de rotación

(rpm), a valores bajos de dicha velocidad. A valores altos la respuesta es más

pobre, debido a que la limpieza del fondo del hueco se hace inadecuada. Los

Page 97: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

97

fabricantes recomiendan el rango de peso y rotación dentro de los cuales se debe

operar la broca, para obtener una tasa de penetración óptima.

3.4.5 Hidráulica de la broca. La tasa de penetración está directamente

relacionada con el nivel hidráulico alcanzado en la broca, cuando ocurre la

producción de cortes. A bajos pesos sobre la broca y bajos valores de velocidad

de rotación, la hidráulica requerida para limpiar el hueco es baja, mientras que si

más peso y/o velocidad es aplicada, mayor debe ser el nivel hidráulico para

remover los cortes tan rápido como éstos sean generados. Si la hidráulica no es

suficiente para remover los cortes, la tasa de penetración disminuye debido a que

la broca estará retriturándolos.

3.5 GENERALIDADES PARA LA SELECCIÓN DE BROCAS.

La selección de la broca más adecuada para la perforación, así como los

parámetros óptimos, debe hacerse por ensayo y error, teniendo en cuenta el costo

por unidad de intervalo perforado. Esta se debe basar en una correcta evaluación

de las brocas usadas, registros de brocas de los pozos vecinos, registros

eléctricos de los mismos, cálculos de costos, propiedades del lodo programado y

otros criterios de igual importancia como son: diámetro y tipo de broca, tasa de

penetración, profundidad de salida de la broca y parámetros hidráulicos utilizados.

La constante evaluación de las brocas usadas será la base para escoger la

próxima broca a ser corrida.

Page 98: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

98

4. REVESTIMIENTO DE POZOS.

A medida que la perforación de un pozo de petróleo o gas progresa, se hace

necesario revestir las paredes del hueco abierto con una tubería de acero llamada

"casing" o revestimiento. Para ello se bajan al pozo varios tubos conectados entre

sí, formando una “sarta de revestimiento”. Dicha sarta se cementa contra las

paredes del hueco y queda instalada en forma definitiva, aún después de

abandonar el pozo.

Figura 40. Esquemas de sartas de revestimiento

Page 99: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

99

El revestimiento, junto con el cemento, cumple seis objetivos fundamentales:

Prevenir la contaminación de estratos superiores como arenas de agua fresca.

Prevenir derrumbes de las paredes del hueco.

Evitar la intercomunicación entre estratos.

Evitar la comunicación de estratos productivos.

Aislar zonas con presiones anormales.

Servir de soporte al equipo de superficie (“well head assembly”) y a otros

accesorios cuando es necesario instalar métodos de levantamiento artificial

para la producción del pozo.

4.1 ESPECIFICACIÓN DEL REVESTIMIENTO.

Los tubos que componen una sarta de revestimiento se especifican con seis

propiedades:

Diámetro externo: Se usan tamaños de 4 a 30 pulgadas, siendo más comunes

los de 5, 5-1/2, 6, 6-5/8, 7, 9-5/8, 10-3/4, 13-3/8 y 20 pulgadas.

Espesor de la pared del tubo: Está determinado por los diámetros externo e

interno.

Peso nominal: El diámetro externo y el espesor de la pared determinan esta

propiedad. Es el peso promedio del tubo por unidad de longitud, ajustado para

compensar por roscas y uniones.

Grado del material de construcción (acero): Esta clasificación se basa en la

resistencia a los esfuerzos por tensión de los diferentes tipos de acero (“Yield

Page 100: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

100

Strenght”). El Instituto Americano del Petróleo (API) reconoce los cinco grados

de acero mostrados en la tabla 10.

Rango o Longitud: Al igual que para los tubos de perforación tenemos rango 1

(tubos de16-25 pies), rango 2 (tubos de25 -34 pies) y rango 3 (tubos de 34 pies

o más).

Roscas y Uniones: Los tubos individuales son usualmente conectados por

medio de uniones. Las uniones son gradadas de la misma forma que el

revestimiento y las propiedades físicas de éstas deben ser al menos iguales a

las de los tubos que están uniendo. Cada tubo lleva una unión independiente.

Finalmente las uniones pueden ser cortas o largas de acuerdo con la longitud

de las roscas.

Cuando el revestimiento es corrido en el pozo, las uniones quedan tensionadas

debido al peso suspendido de ellas, por lo que deben ser lo suficientemente

resistentes a la deformación ocasionada por las fuerzas axiales a las cuales

están sujetas. Adicionalmente deben impedir fugas. Por todo lo anterior, es

muy importante el tipo de rosca que se use. La rosca redonda de 8 hilos por

pulgada es muy usada (rosca 8 rd). Existe un tipo de unión, no avalada por el

API, que lleva una rosca especial conocida como "Buttress" y que se usa en

casos en los cuales sobre el revestimiento existen cargas muy altas por su

especial resistencia a los esfuerzos.

Page 101: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

101

Tabla 10. Grados de Acero reconocidos por el API (4)

GRADO DE ACERO

MÍNIMA RESISTENCIA A

LA TENSIÓN (lpc) (*)

MÁXIMA RESISTENCIA A

LA TENSIÓN (lpc)

F-25 25.000 40.000

H-40 40.000 60.000

J-55 55.000 75.000

N-80 80.000 90.000

P-110 110.000 125.000

(*) La resistencia mínima a la tensión se define como la tensión requerida para

producir una elongación del 0,5% de la longitud total (para el grado P-110 se toma

una elongación del 0,6%).

La tabla 11, me permite conocer las dimensiones de diversos tipos de

revestimiento. El diámetro de deriva (“Drift Diameter”) es otra dimensión

importante y se refiere al máximo tamaño de herramienta que puede ser corrida

por el interior del tubo, sin que ésta se pegue.

Page 102: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

102

Tabla 11. Dimensiones de los tubos de revestimiento más utilizados (4).

Diámetro

Externo

(pulg)

Peso

Nominal

(lbf/Pie)

Espesor

tubo

(Pulg)

Grados

de

Acero

Diámetro

Interno

(pulg)

Diámetro

de deriva

(pulg)

Diámetro

unión

(pulg)

4-1/2 9,50 0,205 F,H,J 4,090 3,965 5,000

11,60 0,250 J,N,P 4,000 3,875 5,000

13,50 0,290 N,P 3,920 3,795 5,000

15,10 0,337 P 3,826 3,701 5,000

5 11,50 0,220 F,J 4,560 4,435 5,563

13,00 0,253 J 4,494 4,369 5,563

15,00 0,296 J,N,P 4,408 4,283 5,563

18,00 0,362 N,P 4,276 4,151 5,563

5-1/2 13,00 0,228 F 5,044 4,919 6.050

14,00 0,244 H,J 5,012 4,887 6.050

15,50 0,275 J 4,950 4,825 6.050

17,00 0,304 J,N,P 4,892 4,767 6.050

20,00 0,361 N,P 4,778 4,653 6.050

23,00 0,415 N,P 4,670 4,545 6.050

6 15,00 0,238 F 5,524 5,399 6.625

18,00 0,288 H,J,N 5,424 5,299 6.625

20,00 0,324 N 5,352 5,227 6.625

23,00 0,380 N,P 5,240 5,115 6.625

26,00 0,434 P 5,132 5,007 6.625

6-5/8 17,00 0,245 F 6,135 6,010 7,390

20,00 0,288 H,J 6,049 5,924 7,390

24,00 0,352 J,N,P 5,921 5,796 7,390

28,00 0,415 N,P 5,795 5,666 7,390

32,00 0,475 N,P 5,675 5,550 7,390

7 17,00 0,231 F,H 6,538 6,413 7,656

20,00 0,272 H,J 6,456 6,331 7,656

23,00 0,317 J,N 6,366 6,241 7,656

26,00 0,362 J,N,P 6,276 6,151 7,656

29,00 0,408 N,P 6,184 6,059 7,656

32,00 0,453 N,P 6,094 5,969 7,656

35,00 0,498 N,P 6,004 5,879 7,656

38,00 0,540 N,P 5,920 5,795 7,656

7-5/8 20,00 0,250 F 7,125 7,000 8,500

24,00 0,300 H 7,025 6,900 8,500

26,40 0,328 J,N 6,969 6,844 8,500

29,70 0,375 N,P 6,875 6,750 8,500

33,70 0,430 N,P 6,765 6,640 8,500

39,00 0,500 N,P 6,625 6,500 8,500

Page 103: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

103

Tabla 11. Dimensiones de los tubos de revestimiento más utilizados (Continuación.)

Diámetro

Externo

(pulg)

Peso

Nominal

(lbf/Pie)

Espesor

tubo

(Pulg)

Grados

de Acero

Diámetro

Interno

(pulg)

Diámetro

de deriva

(pulg)

Diámetro

unión

(pulg)

8-5/8 24,00 0,264 F,J 8,097 7,972 9,625

28,00 0,304 H 8,017 7,892 9,625

32,00 0,352 H,J 7,921 7,796 9,625

36,00 0,400 J,N 7,825 7,700 9,625

40,00 0,450 N,P 7,725 7,600 9,625

44,00 0,500 N,P 7,625 7,500 9,625

49,00 0,557 N,P 7,511 7,386 9,625

9-5/8 29,30 0,281 F 9,063 8,907 10,625

32,30 0,312 H 9,001 8,845 10,625

36,00 0,352 H,J 8,921 8,765 10,625

40,00 0,395 J,N 8,835 8,679 10,625

43,50 0,435 N,P 8,755 8,599 10,625

47,00 0,472 N,P 8,681 8,525 10,625

53,50 0,545 N,P 8,535 8,379 10,625

10-3/4 32,75 0,279 F,H 10,192 10,036 11,750

40,50 0,350 H,J 10,050 9,894 11,750

45,50 0,400 J 9,950 9,794 11,750

51,00 0,450 J,N,P 9,850 9,694 11,750

55,50 0,495 N,P 9,760 9,604 11,750

60,70 0,545 P 9,660 9,504 11,750

65,70 0,595 P 9,560 9,404 11,750

11-3/4 38,00 0,300 F 11,150 10,994 12,750

42,00 0,333 H 11,084 10,928 12,750

47,00 0,375 J 11,000 10,844 12,750

54,00 0,435 J 10,880 10,724 12,750

60,00 0,489 J,N 10,772 10,616 12,750

13-3/8 48,00 0,330 F,H 12,715 12,559 14,375

54,50 0,380 J 12,615 12,459 14,375

61,00 0,430 J 12,515 12,359 14,375

68,00 0,480 J 12,415 12,259 14,375

72,00 0,514 N 12,347 12,191 14,375

16 55,00 0,312 F 15,376 15,188 17,000

65,00 0,375 H 15,250 15,062 17,000

75,00 0,438 J 15,124 14,938 17,000

84,00 0,495 J 15,010 14,822 17,000

20 94,00 0,438 F,H 19,124 18,936 21,000

Page 104: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

104

4.2 TIPOS DE REVESTIMIENTO.

Una sarta de revestimiento se caracteriza porque todos los tubos que la

conforman tienen el mismo diámetro externo. Sin embargo, las otras propiedades

(diámetro interno, grado de acero, tipo de unión, peso) pueden ser diferentes.

Cuando en una sarta se tienen tubos con propiedades diferentes se dice que está

conformada por varias secciones, donde cada una se caracteriza por tener una

longitud continua de tubos con el mismo grado de acero, diámetro interno y tipo de

unión. Una sarta de revestimiento con más de una sección se denomina “sarta

combinada" y una conformada por una sola se denomina "sarta sencilla". Durante

la perforación de un pozo se hace necesario bajar mas de una sarta de

revestimiento, todas colgadas de la cabeza del pozo, donde cada una cumple con

una función principal. De acuerdo con su función principal, estas sartas se

clasifican en: revestimiento de superficie, revestimiento intermedio y revestimiento

de producción. Todos ellos van colgados de superficie, donde se sostienen por

medio de unas cuñas que se instalan en la cabeza del pozo ("well head

assembly").

4.2.1 Revestimiento de Superficie. Es el primer revestimiento que se baja y se

cementa. Está compuesto de 500 a 1.000 pies de tubería aproximadamente,

dependiendo del campo donde se trabaje. Generalmente es una sarta sencilla y

sus funciones principales son:

Controlar los derrumbes de capas superficiales no consolidadas.

Suministrar un medio para que el lodo retorne a superficie.

Proteger las arenas de agua dulce de posibles contaminaciones con lodo, agua

salada, gas y/o aceite de zonas bajas.

Suministrar un medio de agarre para las válvulas y accesorios que hay que

colocar en la cabeza del pozo (“casing head”, BOP's, “flow line”, árbol de

Page 105: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

105

navidad, etc.). De este punto se cuelgan los revestimientos adicionales que se

instalan en el pozo.

Una vez se baja y se cementa este revestimiento, se puede conectar el equipo de

cabeza de pozo ("well head assembly").

Figura 41. Ensamblaje de Cabeza de Pozo

4.2.2 Revestimiento Intermedio. Generalmente es una sarta combinada. La

decisión de bajar este revestimiento depende de la profundidad a la que se vaya a

perforar y de las formaciones geológicas que se encuentren. Pozos de moderada

profundidad no lo necesitan, mientras que en pozos muy profundos puede hacerse

necesario bajar más de una sarta de este tipo. Las principales funciones de este

revestimiento son:

Page 106: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

106

Evitar la contaminación del lodo con fluidos de formación, haciendo su control

difícil y costoso.

Evitar derrumbes de la pared del hueco que pueden atascar la tubería.

4.2.3 Revestimiento de Producción. Es el último, y más profundo de los

revestimientos que se bajan al pozo. Su función principal es aislar las zonas

productivas. Algunas veces el petróleo fluye a través de éste, haciendo las veces

de tubería de producción.

Si el revestimiento de producción se coloca hasta la parte superior de la formación

resulta una "terminación en hueco abierto". Si el extremo inferior se coloca debajo

del horizonte productor, se hace necesario perforar la tubería para permitir la

comunicación entre el interior de ella y la formación productora. Con ésto resulta

una “terminación de revestimiento cañoneado o perforado". Los revestimientos

intermedios y el de producción cuelgan de superficie, sostenidos por unas cuñas

que se instalan entre la parte externa del revestimiento y el equipo de cabeza de

pozo. Una vez se cementa la sarta, ésta se tensiona con la ayuda del elevador del

cual cuelga, se meten las cuñas y se suelta del elevador. La tubería que sobre, por

encima del espacio donde quedaron las cuñas ("Drilling spool") se corta y se retira.

4.2.4 Revestimientos Auxiliares (“Liners”). Un “liner” es una sarta de

revestimiento que se coloca desde el fondo del pozo hasta un punto

aproximadamente 100 pies por encima de la parte inferior del último revestimiento

bajado, donde se suspende de un colgador. Los “liner” se usan en sitios donde

durante la perforación se requiere colocar la sarta de revestimiento de producción

antes de llegar a la profundidad total del pozo y se considera innecesario extender

hasta la superficie una sarta más. Su función es similar a la del revestimiento de

producción y su ventaja sobre una sarta convencional es económica, pués como

ésta no cuelga de superficie, se requiere menos tubería. Sin embargo, se pueden

presentar problemas por fallas en el punto donde se suspende el “liner”.

Page 107: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

107

Los revestimientos auxiliares son hechos, generalmente, de acero J-55 y se

especifican de la misma forma que los revestimientos normales. La tabla 12

muestra las propiedades de estos tubos. Hay también “liners” para objetivos

especiales tales como los ranurados, los perforados o los empacados con grava

que se colocan contra las zonas productoras para evitar que se arene el pozo. Los

“liner” se cementan contra las paredes del pozo o se aseguran con empaques.

Tabla 12. Propiedades de “liners” API (4).

DIÁMETRO

EXTERNO (Pulg)

ESPESOR

(Pulg)

PESO TUBO LISO

(Lbf/Pie)

DIÁMETRO

INTERNO (Pulg)

3 1/2

4

4 1/2

5

5 1/2

6 5/8

0.289

0.286

0.290

0.362

0.361

0.417

9.91

11.34

13.04

17.93

19.81

27.65

2.992

3.428

3.920

4.276

4.778

5.791

4.2.5 Tubo Conductor. Cuando se comienza a perforar el pozo, el fluido de

perforación no tiene un conducto que lo haga llegar a los tanques de lodo.

Además, en terrenos superficiales muy inestables, la acción de lavado y erosión

del fluido de perforación puede formar una gran cavidad en la superficie. Para

solucionar esto, se hace necesario colocar un tubo conductor para comenzar a

perforar, que será por tanto la sarta de revestimiento de mayor diámetro en el

pozo. Esta sarta se instala forzándola en el terreno o haciendo un hueco de gran

diámetro y poca longitud.

Page 108: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

108

4.3 PARÁMETROS IMPORTANTES.

Cuando el revestimiento es asentado en el hueco, está sujeto a varias fuerzas

ocasionadas por las presiones externas e internas y por las cargas axiales que

actúan sobre él.

Las presiones externas tienden a colapsar el revestimiento y las presiones

internas a estallarlo. Las cargas axiales pueden ser esfuerzos de tensión debidos

al peso de la tubería o de compresión debido al empuje ejercido por el fluido de

perforación. La tensión tiene un efecto pronunciado pues tiende a estirar la

tubería disminuyendo la resistencia a los esfuerzos de ésta.

Al diseñar una sarta de revestimiento se deben seleccionar los pesos y grados de

acero más económicos, que aseguren que los tubos no van a fallar por las fuerzas

a las cuales el revestimiento está sometido. Como estas fuerzas no son uniformes

y varían con profundidad es posible usar una sarta combinada que ofrezca

mayores ventajas. Así, los grados y pesos más "costosos" pueden ser reservados

para las secciones de la sarta que están expuestas a fuerzas más severas,

obteniéndose un ahorro en costos y material. La selección del tamaño del

revestimiento, peso, grado y uniones para una situación dada, constituye un

problema económico e ingenieril de gran importancia

4.3.1 Resistencia a la Tensión. Como ya se mencionó, las fuerzas que tratan de

tensionar un tubo, se deben al peso de la tubería que hay colgando debajo del

punto que se esté analizando. Por lo anterior, las mayores cargas por tensión se

dan en la parte superior de la sarta, y si se analiza un tubo individualmente este

punto crítico se ubica en la unión del mismo. La carga por tensión que un tubo

puede soportar, en ese punto crítico, sin fallar se denomina "Resistencia a la

tensión en la unión" ("Joint Strenght") y depende del grado del acero, del diámetro,

del peso del revestimiento, y del tipo de unión.

Page 109: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

109

El API recomienda las siguientes ecuaciones empíricas para calcular la resistencia

promedio a la tensión en las uniones, dependiendo de si estas son largas o cortas

(4):

RTC = C1K (33,71 - C2OD) (C2(OD-t) - 0,071) (C3t-0,742) (25)

RTL = C4k (25,58 - C2OD) (C2 (OD-t) - 0,071) (C3t - 0,742) (26)

Donde:

RTC, RTL : Resistencia a la tensión de un tubo de revestimiento en la unión, si

está es corta o larga respectivamente, lbf (N).

OD: Diámetro externo del revestimiento, pulg (m).

t: Espesor de la pared del tubo, pulg (m).

K: Constante dada por la tabla 13.

Las siguientes constantes son función de las unidades utilizadas:

C1 = 1,0 (4,452).

C2 = 1,0 (39,37).

C3 = 24,45 (962,6).

C4 = 1,647 (7,3323).

La Tabla 14 muestra los valores de la RTL y RTC calculados con las ecuaciones 25

y 26, para tubos comerciales.

Page 110: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

110

Tabla 13: Constante utilizada en las ecuaciones 25 y 26 (4).

Grado de Acero k

F-25 134

H-40 182

J-55 243

N-80 282

P-110 369

En lo visto hasta el momento, se analizó el efecto de las cargas por tensión sobre

las uniones. En algunos casos puede suceder que el tubo falle primero a lo largo

de su longitud, es decir a cargas por debajo del RT calculado con las ecuaciones

25 ó 26. Esta situación debe también ser analizada. Sobre el tubo, el esfuerzo al

cual se puede dar una deformación permanente se denomina la "mínima

resistencia a la tensión" (" minimum yield strength") y su valor depende del grado

del acero (tabla 10). Si la carga axial es lo suficientemente grande para que ocurra

una deformación permanente a lo largo del tubo, ésta se dará mas facilmente en

las roscas ya que en ese punto se tiene un área seccional menor, y el máximo

valor que puede soportar será:

Fa = RTm * Ar (27)

Donde:

Fa: Carga axial que puede soportar el tubo, lbf (N).

RTm: Resistencia mínima a la tensión (tabla 10), lpc (Pa).

Ar: Área seccional del tubo en las roscas, pulg2 (m2).

Page 111: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

111

Page 112: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

112

Page 113: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

113

Los valores de Ar se dan en la tabla 15, así como los de Fa para tubos API. Como

se verá mas adelante, al diseñar una sarta de revestimiento se tienen en cuenta

tanto los esfuerzos sobre las uniones como los que actúan sobre el cuerpo del

tubo, y de los dos valores se trabaja con el menor.

4.3.2 Resistencia a las Presiones Externas. Cuando la sarta de revestimiento

está en el pozo, actúan externamente sobre ella una serie de fuerzas debido

principalmente a la presión hidrostática del fluido de perforación que hay

almacenado en el anular hueco-sarta (o sarta-sarta cuando previamente se ha

instalado otro revestimiento) o a las presiones de las formaciones con las cuales

está en contacto.

Si en un determinado punto de la sarta, las presiones externas son mayores que

las ejercidas internamente, en ese mismo punto, el tubo tiende a aplastarse o

colapsarse. Si al colapso sigue una deformación permanente el revestimiento

experimenta una falla plástica. La capacidad del revestimiento de soportar

presiones externas, sin sufrir deformación alguna, se denomina "resistencia al

colapso”. Si la deformación no es permanente se habla de una deformación

elástica.

Varios autores han investigado la forma de calcular la resistencia al colapso de la

tubería de revestimiento. En general se ha encontrado que ésta depende de la

razón diámetro de la tubería/espesor de la misma ( ), del tipo de acero y de las

cargas axiales a las que esté sometido el revestimiento. Con base en lo anterior se

han desarrollado muchas ecuaciones basadas en trabajos matemáticos y

empíricos, de las cuales las más utilizadas se muestran a continuación (4):

Page 114: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

114

Tabla 15. Resistencia a cargas axiales de revestimiento API (4)

OD Peso Espesor Area

seccional Resistencia a cargas axiales, lbf

(pulg) (lbf/pie) (pulg) en roscas

pulg2 Grado

F25 Grado H40

Grado J55

Grado N80

Grado P110

5 15 0,296 3,271 179905 261680 359810

5 18 0,362 4,171 333680 458810

5,5 13 0,228 2,561 64025

5,5 14 0,244 2,814 112560 154770

5,5 15,5 0,275 3,299 181445

5,5 17 0,304 3,747 206085 299760 412170

5,5 20 0,361 4,613 369040 507430

5,5 23 0,415 5,414 433120 595540

6 15 0,238 2,981 74525

6 18 0,288 3,841 153640 211255 307280

6 20 0,324 4,45 356000

6 23 0,38 5,382 430560 592020

6 26 0,434 6,262 688820

6,625 17 0,245 3,444 86100

6,625 20 0,288 4,267 170680 234685

6,625 24 0,352 5,47 300850 437600 601700

6,625 28 0,415 6,666 533280 733260

6,625 32 0,475 7,71 616800 848100

7 17 0,231 3,361 84025 134440

7 20 0,272 4,198 167920 230890

7 23 0,317 5,105 280775 408400

7 26 0,362 5,998 329890 479840 659780

7 29 0,408 6,899 551920 758890

7 32 0,453 7,766 621280 854260

7 35 0,498 8,622 689760 948420

7 38 0,54 9,408 752640 1034880

7,625 20 0,25 4,115 102875

7,625 24 0,3 5,213 208520

7,625 26,4 0,328 5,828 320540 466240

7,625 29,7 0,375 6,85 548000 753500

7,625 33,7 0,43 8,029 642320 883190

7,625 39 0,5 9,501 760080 1045110

8,625 24 0,264 5,02 125500 276100

8,625 28 0,304 6,032 241280

8,625 32 0,352 7,234 289360 397870

8,625 36 0,4 8,421 463155 673680

8,625 40 0,45 9,642 771360 1060620

8,625 44 0,5 10,848 867840 1193280

8,625 49 0,557 12,203 976240 1342330

Page 115: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

115

Tabla 15. Resistencia a cargas axiales de revestimiento (continuación)

OD Peso Espesor Area

seccional Resistencia a cargas axiales, lbf

(pulg) (lbf/pie) (pulg) en roscas

pulg2 Grado

F25 Grado H40

Grado J55

Grado N80

Grado P110

9,625 29,3 0,281 6,11 152750

9,625 32,3 0,312 6,99 279600

9,625 36 0,352 8,116 324640 446380

9,625 40 0,395 9,315 512325 745200

9,625 43,5 0,435 10,421 833680 1146310

9,625 47 0,472 11,434 914720 1257740

9,625 53,5 0,545 13,408 1072640 1474880

10,75 32,75 0,279 6,788 169700 271520

10,75 40,5 0,35 9,045 361800 497475

10,75 45,5 0,4 10,616 583880

10,75 51 0,45 12,171 669405 973680 1338810

10,75 55,5 0,495 13,557 1084560 1491270

10,75 60,7 0,545 15,082 1659020

10,75 65,7 0,595 16,592 1825120

11,75 38 0,3 8,178 204450

11,75 42 0,333 9,331 373240

11,75 47 0,375 10,788 593340

11,75 54 0,435 12,849 706695

11,75 60 0,489 14,687 807785 1174960

13,375 48 0,33 10,546 263650 421840

13,375 54,5 0,38 12,535 689425

13,375 61 0,43 14,508 797940

13,375 68 0,48 16,468 905740

13,375 72 0,514 17,791 1423280

16 55 0,312 11,812 295300

16 65 0,375 14,841 593640

16 75 0,438 17,847 981585

16 84 0,495 20,546 1130030

20 94 0,438 22,456 561400 898240

Page 116: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

116

Presión de colapso con deformación elástica:

2

1

1

CPc (27)

Presión de colapso con deformación plástica para 14:

2

1

2 TPc RCP * (28)

Presión de colapso con deformación plástica para >14:

034508771

3 ,*,

TPc RCP (29)

Presión de colapso para tubería F-25, con B 43,5:

104065000

4CPc (30)

Presión de colapso para tubería F-25, con B > 43,5:

3

5CPc (31)

Donde:

Pc: Presión de colapso del tubo, lpc (Pa)

RTP: Resistencia promedio a las tensión (Tabla 16), Ipc (Pa)

: Diámetro externo/espesor, pulgadas (m/m)

Page 117: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

117

Las constantes de las ecuaciones 27-31 dependen de las unidades usadas: así:

C1= 46,95 x 106 (32,40x1010)

C2 = 1,50 (10.350)

C3 = 1,00 (6.900)

C4 = 1,00 (6.900)

C5 = 37,66 x 106 (26x1010)

Puede ocurrir que la tubería falle plásticamente sin que pase por el rango elástico,

por lo tanto la ecuación que se utilice para calcular la resistencia al colapso

depende de cual de estas deformaciones ocurre primero. La tabla 16 nos muestra

los máximos valores de que puede tener un tubo para que falle plásticamente.

Finalmente, para el cálculo de Pc se hacen las siguientes recomendaciones:

Para el grado de acero F-25 se usan las ecuaciones 30 y31.

Para grados H40, J55 y N80 y P110 se calcula la relación y si ésta es

menor que el máximo dado por la tabla 16, se usan las ecuaciones 28 ó 29.

En caso contrario se usa la ecuación 27.

Tabla 16. Datos necesarios para el cálculo de Pc (4)

GRADO DE ACERO

Máximos valores de para

que colapse plásticamente

Resistencia promedia a la

tensión, (lpc)

H-40 40,02 50.000

J-55 30,73 65.000

N-80 23,91 85.000

P-110 18,57 123.000

La Tabla 17 presenta los datos de resistencia al colapso de los revestimientos API,

basados en las ecuaciones anteriores. Para tubería H-40 con B 30, se utilizan

Page 118: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

118

resultados experimentales, pues se ha encontrado que éstos no se justan a los

dados por las ecuaciones.

Como ya se mencionó, las cargas axiales de tensión tienden a estirar la tubería.

Esto afecta la resistencia del tubo a las presiones externas especialmente en el

rango plástico, por lo que el valor de Pc calculado con la ecuación 28-31 se debe

corregir. Para ello el API (4) recomienda la siguiente ecuación:

PPKKPP ccc

223/ (32)

TpRtODtK 2 (33)

Donde:

Pcc: Presión de colapso corregida, lpc (Pa).

Pc: Presión de colapso del tubo, lpc (Pa).

RTP: Resistencia promedio a la tensión (Tabla 16), Ipc (Pa)

OD: Diámetro externo del revestimiento, pulg (m).

t: Espesor de la pared del tubo, pulg (m).

P: Peso real de la tubería que cuelga del punto de análisis, lbf (N).

Se acostumbra multiplicar el peso P por el factor de flotación (ecuación 7), para

tener en cuenta el peso real, y tomar un exceso de un 20% para considerar

tensiones extras que se apliquen a la tubería.

Page 119: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

119

Tabla 17. Resistencia al colapso de revestimientos API (4)

Diámetro externo (pulg)

Peso (lbf/pie)

Espesor (pulg)

BETA

Resistencia al colapso, lpc

Grado F25

Grado H40

Grado J55

Grado N80

Grado P110

4,500 9,500 0,205 21,951 1921 2550 3316

4,500 11,600 0,250 18,000 4536 5931 8583

4,500 13,500 0,29 15,517 7349 10635

4,500 15,100 0,337 13,353 12782

5,000 11,500 0,220 22,727 1820 3126

5,000 13,000 0,253 19,763 3931

5,000 15,000 0,296 16,892 4980 6513 9424

5,000 18,000 0,362 13,812 8563 12391

5,500 13,000 0,228 24,123 1655

5,500 14,000 0,244 22,541 2439 3170

5,500 15,500 0,275 20,000 3858

5,500 17,000 0,304 18,092 4501 5886 8517

5,500 20,000 0,361 15,235 7539 10910

5,500 23,000 0,415 13,253 8895 12871

6,000 15,000 0,238 25,210 1538

6,000 18,000 0,288 20,833 2780 3614 4726

6,000 20,000 0,324 18,519 5683

6,000 23,000 0,380 15,789 7172 10378

6,000 26,000 0,434 13,825 12380

6,625 17,000 0,245 27,041 1364

6,625 20,000 0,288 23,003 2355 3061

6,625 24,000 0,352 18,821 4240 5544 7855

6,625 28,000 0,415 15,964 7062 10219

6,625 32,000 0,475 13,947 8486 12280

7,000 17,000 0,231 30,303 1105 1372

7,000 20,000 0,272 25,735 1922 2498

7,000 23,000 0,317 22,082 3283 4293

7,000 26,000 0,362 19,337 4067 5318 7221

7,000 29,000 0,408 17,157 6367 9213

7,000 32,000 0,453 15,453 7392 10697

7,000 35,000 0,498 14,056 8418 12181

7,000 38,000 0,540 12,963 9077 13135

7,625 20,000 0,250 30,500 1091

7,625 24,000 0,300 25,417 1967

7,625 26,400 0,328 23,247 3006 3931

7,625 29,700 0,375 20,333 4914 6178

7,625 33,700 0,430 17,733 6065 8776

7,625 39,000 0,500 15,250 7529 10896

Page 120: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

120

Tabla 17. Resistencia al colapso de revestimientos API (Continuación)

Diámetro externo (pulg)

Peso (lbf/pie)

Espesor (pulg)

BETA

Resistencia al colapso, lpc

Grado F25

Grado H40

Grado J55

Grado N80

Grado P110

8,625 24,000 0,264 32,670 950 1433

8,625 28,000 0,304 28,372 1583

8,625 32,000 0,352 24,503 2105 2737

8,625 36,000 0,400 21,563 3416 4467

8,625 40,000 0,450 19,167 5392 7422

8,625 44,000 0,500 17,250 6316 9140

8,625 49,000 0,557 15,485 7371 10666

9,625 29,300 0,281 34,253 858

9,625 32,300 0,312 30,849 1317

9,625 36,000 0,352 27,344 1707 2219

9,625 40,000 0,395 24,367 2764 3529

9,625 43,500 0,435 22,126 4278 4754

9,625 47,000 0,472 20,392 4891 6123

9,625 53,500 0,545 17,661 6101 8829

10,750 32,750 0,279 38,530 647 830

10,750 40,500 0,350 30,714 1340 1730

10,750 45,500 0,400 26,875 2297

10,750 51,000 0,450 23,889 2865 3746 3751

10,750 55,500 0,495 21,717 4414 5037

10,750 60,700 0,545 19,725 6789

10,750 65,700 0,595 18,067 8921

11,750 38,000 0,300 39,167 620

11,750 42,000 0,333 35,285 940

11,750 47,000 0,375 31,333 1629

11,750 54,000 0,435 27,011 2274

11,750 60,000 0,489 24,029 2835 3684

13,375 48,000 0,330 40,530 564 740

13,375 54,500 0,380 35,197 1141

13,375 61,000 0,430 31,105 1665

13,375 68,000 0,480 27,865 2136

13,375 72,000 0,514 26,021 2882

16,000 55,000 0,312 51,282 279

16,000 65,000 0,375 42,667 640

16,000 75,000 0,438 36,530 1018

16,000 84,000 0,495 32,323 1480

20,000 94,000 0,438 45,662 396 520

Page 121: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

121

4.3.3 Resistencia a las Presiones Internas. El revestimiento también debe

resistir las cargas o presiones internas que actúan sobre él. Normalmente, las

presiones externas son mayores que las internas, caso en el cual no se presentan

problemas, pero si ocurre lo contrario en algún punto el revestimiento puede fallar.

La presión interna a la cual el revestimiento falla se denomina "Presión de

estallido". A partir de pruebas de laboratorio se han desarrollado ecuaciones que

permiten calcular la "resistencia al estallido" de los revestimientos, entre las cuales

el API recomienda la siguiente (4):

Tmi

RP

*,751 (34)

Donde:

Pi: Resistencia a la presión interna, lpc (Pa)

RTm: Resistencia mínima a la tensión (tabla 10), lpc (Pa).

: Diámetro externo/espesor, pulg/pulg (m/m)

La Tabla 18 muestra los valores de la presión interna que puede resistir un

revestimiento API sin estallarse.

En la parte superior de la sarta la presión interna es despreciable, debido a que

cerca de la superficie la presión de la formación es poca y la columna de fluido en

el anular es mínima. Por lo tanto, cualquier presión interna producto por ejemplo,

de la entrada de fluidos de formación al interior del revestimiento o de operaciones

de cementación, puede hacer que la tubería se estalle más fácilmente en este sitio

que en la parte inferior. Es por ello que en las secciones superiores se debe poner

especial cuidado a este factor.

Page 122: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

122

Tabla 18. Resistencia a la presión interna de revestimientos API (4)

Diámetro Peso Espesor BETA Resistencia a la presión interna, lpc

Externo (pulg) (lbf/pie) (pulg)

Grado F25

Grado H40

Grado J55

Grado N80

Grado P110

4,500 9,500 0,205 21,951 1993 3189 4385

4,500 11,600 0,250 18,000 5347 7778 10694

4,500 13,500 0,29 15,517 9022 12406

4,500 15,100 0,337 13,353 14416

5,000 11,500 0,220 22,727 1925 4235

5,000 13,000 0,253 19,763 4870

5,000 15,000 0,296 16,892 5698 8288 11396

5,000 18,000 0,362 13,812 10136 13937

5,500 13,000 0,228 24,123 1814

5,500 14,000 0,244 22,541 3105 4270

5,500 15,500 0,275 20,000 4813

5,500 17,000 0,304 18,092 5320 7738 10640

5,500 20,000 0,361 15,235 9189 12635

5,500 23,000 0,415 13,253 10564 14525

6,000 15,000 0,238 25,210 1735

6,000 18,000 0,288 20,833 3360 4620 6720

6,000 20,000 0,324 18,519 7560

6,000 23,000 0,380 15,789 8867 12192

6,000 26,000 0,434 13,825 13924

6,625 17,000 0,245 27,041 1618

6,625 20,000 0,288 23,003 3043 4184

6,625 24,000 0,352 18,821 5114 7438 10228

6,625 28,000 0,415 15,964 8770 12058

6,625 32,000 0,475 13,947 10038 13802

7,000 17,000 0,231 30,303 1444 2310

7,000 20,000 0,272 25,735 2720 3740

7,000 23,000 0,317 22,082 4359 6340

7,000 26,000 0,362 19,337 4978 7240 9955

7,000 29,000 0,408 17,157 8160 11220

7,000 32,000 0,453 15,453 9060 12458

7,000 35,000 0,498 14,056 9960 13695

7,000 38,000 0,540 12,963 10800 14850

7,625 20,000 0,250 30,500 1434

7,625 24,000 0,300 25,417 2754

7,625 26,400 0,328 23,247 4140 6022

7,625 29,700 0,375 20,333 6885 9467

7,625 33,700 0,430 17,733 7895 10856

7,625 39,000 0,500 15,250 9180 12623

Page 123: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

123

Tabla 18. (Continuación)

Diámetro Peso Espesor BETA Resistencia a la presión interna, lpc

Externo (pulg) (lbf/pie) (pulg)

Grado F25

Grado H40

Grado J55

Grado N80

Grado P110

8,625 24,000 0,264 32,670 1339 2946

8,625 28,000 0,304 28,372 2467

8,625 32,000 0,352 24,503 2857 3928

8,625 36,000 0,400 21,563 4464 6493

8,625 40,000 0,450 19,167 7304 10043

8,625 44,000 0,500 17,250 8116 11159

8,625 49,000 0,557 15,485 9041 12432

9,625 29,300 0,281 34,253 1277

9,625 32,300 0,312 30,849 2269

9,625 36,000 0,352 27,344 2560 3520

9,625 40,000 0,395 24,367 3950 5745

9,625 43,500 0,435 22,126 6327 8700

9,625 47,000 0,472 20,392 6865 9440

9,625 53,500 0,545 17,661 7927 10900

10,750 32,750 0,279 38,530 1135 1817

10,750 40,500 0,350 30,714 2279 3134

10,750 45,500 0,400 26,875 3581

10,750 51,000 0,450 23,889 4029 5860 8058

10,750 55,500 0,495 21,717 6447 8864

10,750 60,700 0,545 19,725 9759

10,750 65,700 0,595 18,067 10655

11,750 38,000 0,300 39,167 1117

11,750 42,000 0,333 35,285 1984

11,750 47,000 0,375 31,333 3072

11,750 54,000 0,435 27,011 3563

11,750 60,000 0,489 24,029 4006 5826

13,375 48,000 0,330 40,530 1079 1727

13,375 54,500 0,380 35,197 2735

13,375 61,000 0,430 31,105 3094

13,375 68,000 0,480 27,865 3454

13,375 72,000 0,514 26,021 5380

16,000 55,000 0,312 51,282 853

16,000 65,000 0,375 42,667 1641

16,000 75,000 0,438 36,530 2635

16,000 84,000 0,495 32,323 2978

20,000 94,000 0,438 45,662 958 1533

Page 124: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

124

4.4 DISEÑO DE SARTAS DE REVESTIMIENTO.

4.4.1 Programa de Revestimiento y Brocas.

Antes de colocar la sarta, inclusive antes de perforar, es importante programar los

tamaños (diámetros) de revestimientos que se van a bajar, lo cual influirá

obviamente sobre el tamaño de las brocas que se puedan correr en el pozo. Al

seleccionar el tamaño de los revestimientos se deben tener en cuenta factores

como:

Costos de perforación: al aumentar el diámetro del hueco aumentan los costos

de perforación y completamiento.

Equipos que se desea instalar en el pozo: esto depende de los métodos de

producción esperados, de las posibilidades de completamiento múltiple, del tipo

de fluido a producir, etc.

Producción estimada: el tamaño de los revestimientos fija el tamaño de la

tubería de producción que se pueda instalar.

Número de sartas de revestimiento: si las condiciones de perforación esperadas

implican el uso de una o más sartas intermedias, el diámetro máximo de la

tubería de producción es limitado.

Experiencias del área: la experiencia que se tenga de otros pozos en áreas y

situaciones similares son determinantes a la hora de seleccionar el diámetro del

revestimiento.

Disponibilidad de tubería: este factor se debe tener en cuenta desde el principio

de la programación del pozo.

Page 125: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

125

Lo primero que se debe definir es el (los) tamaño(s) posible de la tubería de

producción (diámetro externo) teniendo en cuenta los factores mencionados. Este

me define el tamaño de la sarta de revestimiento de producción y de la broca que

se debe usar para perforar este hueco, la cual a su vez debe pasar por el interior

del revestimiento intermedio quedando también definido su tamaño. De esta

forma se continúa hasta seleccionar el tamaño de la broca que perforará el hueco

de superficie.

En la selección del tamaño del hueco (o broca) por el que pase un revestimiento

dado, es necesario considerar el diámetro de la unión y proveer un espacio libre

suficiente para la costra de lodo y para los raspadores y los centralizadores.

Además, se deben tener en cuenta ciertas condiciones del hueco, como

derrumbes e irregularidades del mismo. La tabla 19 recomienda el mínimo

tamaño de broca que debe ser usado para perforar un hueco en el que se puedan

bajar los diferentes tamaños de revestimientos API.

Figura 42. Ejemplo de programa de revestimiento y brocas.

Page 126: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

126

En resumen el procedimiento recomendado es el siguiente:

Se selecciona el tamaño (diámetro externo) del revestimiento de producción de

acuerdo al tamaño (diámetro externo) de la tubería de producción (tener en

cuenta las pautas dadas anteriormente).

De la tabla 19 selecciono el mínimo tamaño de broca que debe usarse para

perforar un hueco en el que quepa este tamaño de revestimiento. Si la

formación es muy blanda debe tomarse una broca más grande.

Tabla 19. Tamaños de brocas recomendados para correr revestimientos API (4,9)

Diámetro externo

del revestimiento

(pulg)

Diámetro

de la unión

(pulg)

Espacio hueco-

revestimiento

(pulg)

Mínimo tamaño

de hueco

(pulg)

Mínimo tamaño

de broca

(pulg)

4,500 5,000 1,000 6,000 6

5,000 5,563 1,250 6,813 7

5,500 6,050 1,250 7,300 7-3/8

6,000 6,625 1,750 8,375 8-3/8

6,625 7,390 1,750 9,140 9-1/2

7,000 7,656 2,000 9,656 9-3/4

7,625 8,500 2,500 11,000 11

8,625 9,625 3,000 12,625 13-3/4

9,625 10,625 3,25 13,875 14-3/4

10,750 11,750 3,25 15,000 15

11,750 12,750 3,500 16,250 17

13,375 14,375 3,500 17,875 18

16,000 17,000 3,500 20,500 20-3/4

20,000 21,000 3,500 24,500 25-1/2

El tamaño del revestimiento intermedio debe ser tal, que permita el paso de la

broca seleccionada en el paso anterior. Para ello tengo en cuenta que el

diámetro de deriva del revestimiento ("drift Diameter"), definido al final de la

Page 127: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

127

sección 4.1, debe ser mayor que la broca que vaya a pasar por su interior. Este

diámetro se conoce de la tabla 11.

Si son necesarios mas revestimientos intermedios se repiten los dos pasos

anteriores. Si no es necesario ningún revestimiento intermedio se omiten los

pasos 2 y 3.

Con la ayuda de la tabla 19 se selecciona el tamaño de broca requerido para

perforar el hueco intermedio.

El revestimiento de superficie debe permitir el paso de la broca seleccionada en el paso anterior. Nuevamente se va a la tabla 11 para seleccionar su diámetro externo.

Finalmente se determina el tamaño de las brocas para perforar el hueco de superficie usando la tabla 19.

Este procedimiento se da a manera de recomendación. El ingeniero puede

basarse en otros conceptos para elaborar el programa.

4.4.2 Factores de seguridad. La resistencia a la tensión en las uniones (RTC,

RTL), la carga axial por tensión (Fm), la presión de colapso (Pc o Pcc) y la

resistencia a la presión interna (Pi), indican las máximas fuerzas desarrolladas a

las cuales el revestimiento puede estar sujeto sin que falle. Sin embargo, no es

conveniente someter un material a los máximos esfuerzos permisibles calculados,

dado que muchas de éstos se determinan como un promedio empírico o

semiempírico, y las propiedades de algún tubo individual pueden alejarse de este

promedio. Debido a lo anterior, se introduce el concepto de factor de seguridad, el

cual se define como la razón entre el máximo esfuerzo permisible y el que

realmente se presenta. Esto es:

FST = RT/W (35)

FSa = Fa/W (36)

Page 128: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

128

FSc = PCC/Pe (37)

FSi = Pi/Pf (38)

Donde:

FST, FSa, FSc, FSi: factores de seguridad para la resistencia a la tensión en las

uniones, la carga axial por tensión, la presión de colapso y la resistencia a la

presión interna respectivamente.

RT, Fa, Pcc, Pi: resistencia a la tensión en las uniones, carga axial por tensión,

presión de colapso corregida y resistencia a la presión interna respectivamente.

W: peso de la tubería que cuelga del punto de análisis

Pe: presión externa que actúa sobre el punto de análisis. Normalmente se debe a

la columna de fluido de perforación que hay en el anular.

Pf: presión interna que actúa sobre el punto de análisis. Normalmente se debe a la

presión de formación en el fondo del pozo.

Los factores de seguridad son mayores o iguales de uno, dependiendo

principalmente de:

La confiabilidad y aproximación de los valores de los esfuerzos usados para el

diseño. Mientras más se aproximen al valor real, más próximo a uno puede ser

este factor.

La similitud entre las condiciones reales y las condiciones de laboratorio usadas

en la determinación de las resistencias teóricas de la tubería.

Page 129: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

129

La confiabilidad y aproximación de las suposiciones de cargas reales usadas

para el diseño.

La posibilidad y consecuencias de un fracaso.

En general, para el diseño, se usan las peores condiciones posibles. Por ejemplo

para el colapso, es común asumir que la tubería está vacía y que la presión

externa resulta de la columna ejercida por el fluido de perforación en el anular.

Cuando se considera la presión interna se asume que la presión externa es cero y

que la presión interna se debe a la presión del yacimiento (presencia de un

"reventón"). Finalmente en los cálculos de cargas axiales se desprecian las

fuerzas boyantes.

En la mayoría de los casos, los factores de seguridad por colapso varían entre 1,0

y 1,5, por estallido entre 1.0 y 1,75 y por tensión y cargas axiales entre 1,5 y 2,0,

4.4.3 Diseño de sartas sencillas. Como ya se mencionó una sarta sencilla es

aquella que está conformada por una sola sección de tubería, es decir todos los

tubos son iguales (tipo de unión, diámetro interno, peso nominal, etc).

Normalmente el revestimiento de superficie es una sarta sencilla.

La tubería escogida debe cumplir con las especificaciones necesarias para

soportar las distintas cargas a que va a ser sometida. También hay que tener en

cuenta la clase y tipo de tubería disponible en el campo y, el factor económico. De

acuerdo a todo esto se diseña la sarta de perforación más adecuada. Para el

diseño siempre se deben tener en cuenta las condiciones más críticas.

El procedimiento que se propone en este trabajo comienza los cálculos diseñando

por colapso. Para diseñar la sarta se deben conocer los siguientes datos: tubería

disponible, profundidad de asentamiento del revestimiento, diámetro externo del

Page 130: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

130

revestimiento, programa del fluido de perforación (densidades usadas), gradiente

de presión de formación y factores de seguridad a usar. El procedimiento es el

siguiente:

1) Se descarta de la tubería disponible, aquella que presente problemas por

estallido. El punto más crítico se presenta cuando al seguir perforando ocurre un

"reventón" y toda la presión del yacimiento actúa al interior del revestimiento

(anular revestimiento-tubería de perforación). Para ello se requiere conocer la

presión de formación, valor que se compara con la resistencia a la presión interna

(Pi) de la tubería (tabla 18). Se debe cumplir que:

Pi > Pf*FSi (39)

Donde:

Pi: resistencia a la presión interna (tabla 18), lpc (Pa).

Pf: presión de formación en el fondo del pozo, lpc (Pa).

FSi: factor de seguridad por estallido.

2) La situación más crítica por colapso se asume cuando la tubería está vacía y

toda la columna hidrostática de lodo en el anular actúa sobre la tubería

externamente. Por lo tanto, el punto más crítico será en el fondo del pozo y la

tubería seleccionada debe tener una resistencia al colapso de por lo menos:

hFSCP lce *** (40)

Donde:

Pe: presión externa que debe resistir el revestimiento a la profundidad de

asentamiento, lpc (Pa)

FSc: factor de seguridad por colapso.

Page 131: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

131

l : densidad del fluido de perforación, lbm/gal (Kg/m3).

h: profundidad de asentamiento del revestimiento, pies (m).

C: constante que depende de las unidades usadas = 0,052 (9,8).

De los tubos no descartados en el paso 1, y con ayuda de la tabla 17, se

selecciona la tubería cuya resistencia al colapso sea mayor que el valor obtenido

con la ecuación 40. De todas las posibilidades se escoge la menos costosa, la

cual corresponde generalmente a la de menor peso nominal. Esto ayuda

adicionalmente a que las cargas axiales sean menores.

3) Debido a las cargas axiales la resistencia al colapso (Pc) hay que corregirla,

para lo cual se usa la ecuación 32. Si Pcc es mayor que Pe, la tubería seleccionada

es la adecuada. En caso contrario, se escoge una tubería de mayor resistencia al

colapso y repito este paso.

4) Se verifica si el revestimiento seleccionado resiste a las cargas axiales. Para

ello se asume, por costos, que se usarán uniones cortas y se obtiene el valor de

RTC y Fa de las tablas 14 y 15 respectivamente. El punto mas crítico por tensión se

encuentra en el tope de la sarta, punto en el cual se debe cumplir que:

RTC > W * FST (41)

Fa > W * FSa (42)

Si la condición 42 no se cumple debo seleccionar una nueva tubería, de mayor

resistencia a las cargas axiales y repetir los pasos 3-4. Si se cumple la condición

42 pero no la 41, queda la opción de repetir el paso 4 considerando uniones

largas. En este caso:

RTL > W * FST (43)

Page 132: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

132

Si tampoco se cumple la condición 43 se debe seleccionar otra tubería, de mayor

resistencia a las cargas axiales y repetir los pasos 3-4.

Finalmente la tubería que se selecciona es aquella que cumple con las

condiciones establecidas en los pasos anteriores. Recuerde que en lugar de las

tablas planteadas en este procedimiento, también es posible usar las ecuaciones

respectivas (sección 4.3).

4.4.4 Diseño de las sartas combinadas. Como ya se mencionó una sarta

combinada es aquella que está conformada por varias secciones de tubería. Se

usan para satisfacer los factores de diseño deseados con los menores costos

posibles. Nuevamente en este diseño se deben tener en cuenta las condiciones

más críticas. Si las fuerzas que tratan de colapsar la tubería se deben a la presión

hidrostática ejercida por el fluido de perforación, éstas serán máximas en el fondo

del pozo y mínimas en superficie. Por el contrario, las fuerzas que tratan de fallar

el revestimiento longitudinalmente se deben al peso de la sarta, y serán máximas

en superficie y mínimas en el fondo del pozo. Por lo tanto, la tubería que se use en

el fondo debe ser muy resistente al colapso y la que se use cerca a la superficie

muy resistente a las cargas axiales. El procedimiento que se propone en este

trabajo selecciona la tubería del fondo hacia superficie por lo que inicialmente se le

da más importancia al colapso.

Los datos requeridos son los mismos planteados para el diseño de sartas

sencillas. La sarta quedará compuesta por N secciones, cada una de las cuales

tendrá una longitud L(N), con N aumentando del fondo del pozo hacia superficie.

El procedimiento es el siguiente:

1) Como en el caso del diseño de sartas sencillas, se descarta de la tubería

disponible, aquella que pueda tener problemas por estallido (condición 39).

2) Se diseña la sección 1.

Page 133: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

133

2.1) Calcular la presión externa en el punto mas crítico de la sección (parte

inferior) utilizando la ecuación 40.

2.2) Seleccionar el tipo de tubería a usar, de forma que su resistencia al

colapso, Pc (1), sea mayor que la presión calculada en 2.1.

2.3) Seleccionar el tipo de tubería que conformará la sección 2. Esta se ve

menos afectada por las presiones externas que la sección 1, por lo que se

puede seleccionar un tipo de tubería cuya resistencia al colapso, Pc (2), sea

menor que Pc (1).

2.4) Para la sección 2, el punto mas crítico por colapso se encuentra a su

profundidad de asentamiento, X2. El valor de X2 define la longitud de la

sección 1. Pc (2), se ve afectada por el peso de la sección 1, y por tanto se

debe corregir su valor. Para ello uso la ecuación 32, teniendo en cuenta el

siguiente procedimiento:

2.4.1 La máxima profundidad a la cual se puede asentar la sección 2 se halla de

la ecuación 40:

lc

c

FSC

PX

**

22 (44)

2.4.2 El peso real de la sección 1, P(1), será:

P (1)= 1,2 * B * w (1) * (L-X2) (45)

Donde:

B: factor de boyanza.

L: profundidad total de asentamiento del revestimiento, pie (m)

Page 134: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

134

2.4.3 Calcular K con la ecuación 33, teniendo en cuenta que t y RTP son

propiedades de los tubos seleccionados para la sección 2.

2.4.4 Calcular Pcc (ecuación 32). Como Pcc es menor que Pc, debo recalcular X2,

lo que lleva a recalcular P (1) y Pc. Lo anterior obliga a introducir un

procedimiento iterativo, en el que se repiten los pasos 2.4.1-2.4.4, hasta

que dos Pcc calculados consecutivamente sean prácticamente iguales.

Cuando esto ocurra, el último Pcc calculado es el real.

2.5 Se determina la longitud real de la sección 1. El último Pcc calculado en el

paso 2.4.4, permite calcular el valor real de X2, con la ecuación 44.

L (1) = L - X2. (46)

2.6 Finalmente se Calcula, teniendo en cuenta las cargas axiales, la longitud máxima posible para la sección:

T

TLTC

FS

RóRW

)(máx1 ó

a

a

FS

FW máx1 (47)

)(

)()( máx

1

11

w

WL MÁX (48)

Donde:

W (1)máx: peso máximo de la sección 1, lbf (N). Se toma el menor valor

De los calculados con la ecuación 47.

L (1)máx: longitud máxima posible para la sección 1, pie (m).

RTC (ó RTL): resistencia a la tensión en las uniones (tabla 14). El uso de

Uniones largas o cortas depende de su disponibilidad, lbf(N).

Fa: carga axial que puede soportar el tubo, lbf (N).

FST, FSa : factores de seguridad para la resistencia a la tensión en las

Uniones y la carga axial por tensión.

Page 135: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

135

W (1): peso nominal de la sección 1, lbf/pie (N/m).

Si L (1)máx es mayor que L(1), la tubería seleccionada no presentará

problemas debido a las cargas axiales. En caso contrario habrá que

seleccionar otra tubería más resistente, y comenzar de nuevo los cálculos.

3) Se determina la longitud de la sección 2. Para ello repito los pasos 2.3-2.6

teniendo en cuenta que los subíndices de las ecuaciones se deben redefinir y

que:

lc

c

FSC

PX

**

33 (49)

P (2) = 1,2 * B * (w(1) * L(1) + w(2) * (X2-X3)) (50)

L (2) = X2 - X3. (51)

112 LwFS

RóRW

T

TLTC *)(

máx ó 112 Lw

FS

FW

a

a *máx (52)

)(

)()( máx

2

22

w

WL MÁX (53)

4) Se determina la longitud de las secciones siguientes. En general para

determinar la longitud de la sección i, se repiten los paso 2.3 - 2.6,

redefiniendo los subíndices, esto es:

lc

c

iFSC

iPX

**

11 (54)

1

1

1

21 iii

i

j

XXwjLjwBiP ****, (55)

Page 136: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

136

L (2) = Xi - Xi+1. (56)

1

1

i

jT

iTLTCjLjw

FS

RóRiW *

)(máx

ó

1

1

i

ja

ia jLjwFS

FiW *

)(máx

(57)

)(

)()( máx

iw

iWiL MÁX (58)

5) A medida que la profundidad disminuye, el colapso pierde importancia y

comienzan a prevalecer las cargas axiales. Llega un momento en el cual L

(i)máx es menor que Xi (paso 2.3), lo que quiere decir que con esta sección no

puedo completar el revestimiento y no se puede seleccionar para la sección

(i+1) una tubería menos resistente. A partir de ese punto se le debe dar

prelación a las cargas axiales sobre el colapso y la longitud de la sección se

calcula como:

iw

iWiL máx (59)

6) En adelante la secciones (i+1,..., N) estarán compuestas por tubería cada vez

más resistentes a las cargas axiales. El procedimiento continúa hasta que se

completa la longitud total del pozo.

7) Los resultados se organizan en una tabla, que permita visualizar el diseño

completo, el cual debe ser adaptado a condiciones reales. Por ejemplo, los

tubos vienen de longitudes definidas y difícilmente es posible encontrar un

número de tubos cuya longitud real coincida con la calculada teóricamente

para la sección.

Page 137: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

137

5. CEMENTACIÓN DE POZOS.

Cada sarta de revestimiento debe cementarse, una vez puesta en su lugar. Para

ello se prepara una mezcla de cemento y agua que se bombea a través de la

tubería y se coloca en el espacio anular hueco-revestimiento. La cantidad de

mezcla que se bombee depende del volumen del espacio anular que se desea

cementar y de la altura hasta la cual se quiere hacer llegar la lechada en dicho

anular. El cemento, junto con el revestimiento, cumple las siguientes funciones:

Cuando se requiere tubería conductora, ésta se debe cementar para evitar

que el fluido de perforación circule fuera de ella y origine erosión en el hueco de

superficie (que es lo que se supone debe evitar esta tubería).

El revestimiento superficial se cementa para proteger y sellar formaciones de

agua dulce, dar fortaleza para colocar las válvulas y conexiones de superficie

(necesarias para manejar los fluidos producidos), suministrar un ancla para el

equipo preventor de reventones y dar un apoyo en superficie a las columnas de

revestimiento más profundas.

El revestimiento intermedio se cementa para sellar las formaciones con

presiones anormales, aislar formaciones no consolidadas y tapar zonas de

pérdida de circulación.

El revestimiento de producción se cementa para evitar la producción de zonas

que contengan fluidos, prevenir intercomunicaciones de flujo de varias

formaciones, y evitar el reblandecimiento de otras, con lo que se reduciría la

productividad del pozo.

Page 138: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

138

El cemento protege la tubería de sustancias corrosivas que existen en las

formaciones que atraviesa el pozo.

El cemento protege el revestimiento de presiones externas.

El cemento sella zonas no productivas y zonas con fluidos no deseables.

Figura 43. Equipo de cementación

5.1 MATERIALES USADOS EN LA CEMENTACIÓN DE POZOS.

Con pocas excepciones, el cemento portland es el constituyente principal de la

mayoría de los materiales cementantes. Es el cemento ordinario usado en la

construcción. Sin embargo, para cementar los revestimientos se requieren

características adicionales de bombeabilidad a altas presiones y temperaturas, por

lo que se hace necesario modificar estos cementos con aditivos que cambien las

especificaciones del cemento portland, para adaptarlo a las necesidades de la

industria petrolera. Cementar un pozo es sencillo, pero se requiere mucho

cuidado ya que una mala cementación puede acarrear la pérdida del pozo o

incrementar bastante los costos del mismo si se tiene que recurrir a trabajos

Page 139: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

139

correctivos muy complejos. El conocimiento del equipo y de la mezcla es

fundamental.

5.1.1 Requisitos de los Cementos.

La viscosidad debe ser controlada constantemente. La lechada de cemento

debe poseer una viscosidad tal, que permita un desplazamiento eficiente

desde superficie para colocarla en la posición deseada por medio del equipo

de bombeo del que se disponga, además de permitir una buena adherencia

con la formación y la tubería de revestimiento. Lo anterior garantiza un sello

positivo entre el revestimiento y la formación. En gran medida, esto depende

de la cantidad de agua que se le agregue al cemento. El área superficial de

las partículas y los aditivos que se agreguen a la mezcla influyen sobre la

cantidad de agua a agregar. El API recomienda usar 5,2 galones de agua por

saco de cemento puro clase A ó B. Si con la mezcla se usan aditivos esta

relación varía. Las compañías cementantes (Halliburton, BJ Hughes, etc.)

elaboran tablas en las que aparece la relación agua cemento aconsejada para

cada tipo de cemento con o sin aditivo.

El cemento requiere una determinada resistencia a la compresión para

soportar la sarta de revestimiento. El tiempo que la mezcla demora, después

de bombeado, para adquirir dicha fuerza se denomina "tiempo de espera del

cemento (WOC)" y su valor debe ser mínimo. En general, la resistencia a la

compresión se determina a 100 F, 24 horas después de fraguado. La

mayoría de los operadores esperan hasta que el cemento tenga una

resistencia mínima de 500 lpc, lo que se puede obtener en 4 horas con

cemento básico más aceleradores, y buena experiencia para mezclarlos.

El cemento debe tener suficiente fuerza para evitar fallas mecánicas (no

debe resquebrajarse).

Page 140: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

140

Debe ser químicamente inerte a cualquier formación o fluido con que pueda

estar en contacto.

Debe ser lo suficientemente estable para no deteriorarse, descomponerse o

perder propiedades durante el tiempo que esté en uso, que puede ser de

muchos años (buen tiempo de consistencia).

El cemento debe ser impermeable, cuando ha fraguado, para que los fluidos

no fluyan a través de él.

La densidad de la mezcla debe ser muy similar a la densidad del lodo con el

cual se está perforando, así se evitan reventones y pérdidas de circulación

durante la cementación.

La mezcla de cemento debe tener un tiempo de fluidez para poderse

bombear y colocar en su lugar, con cierto margen de seguridad en caso de

presentarse algún problema mientras se bombea. Se define el tiempo de

fluidez o tiempo de bombeabilidad, como el tiempo necesario para que la

lechada alcance 100 poises de viscosidad; es una propiedad que depende

mucho de la presión y la temperatura. A medida que la temperatura aumenta

la lechada de cemento se deshidrata, ocasionando que su bombeabilidad

disminuya. La presión impuesta por la columna hidrostática de los fluidos de

perforación también disminuye el tiempo de bombeabilidad.

Las pérdidas de filtrado para una mezcla de cemento puro son muy altas,

especialmente en pozos profundos, por lo que esta puede deshidratarse

fácilmente al entrar en contacto con una formación porosa, aumentando la

viscosidad de la lechada. Los factores que más influyen sobre las pérdidas

de filtrado son el tiempo, la presión, la temperatura y la permeabilidad de la

formación. Un valor óptimo en 30 minutos con 1.000 lpc de presión es 100

cm3, pero el cemento puro puede llegar a perder hasta 1.000 cm3 en 30

Page 141: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

141

minutos. Entre 0-100 cm3 se dice que hay un buen control, entre 100-500

cm3 el control es moderado, de 500 a 1000 cm3 se habla de un control regular

y más de 1000 cm3 indica que no hay control (12).

5.1.2 Cemento Básico. El cemento es un material fino con grandes propiedades

de endurecimiento que resulta de pulverizar la escoria que se produce al calcinar,

a temperaturas de 2.600 - 3.000 oF, materiales calcáreos con cierto porcentaje de

arcilla. Este producto en contacto con agua forma una mezcla espesa que

lentamente se va endureciendo hasta formar un sólido fuerte y compacto. El

cemento tiene una gravedad específica de 3,14 y un saco de cemento americano

contiene 94 libras y tiene un volumen de un pie cúbico. En Colombia los sacos de

cemento vienen de 50 Kilogramos.

El Instituto Americano del Petróleo (API) estableció un sistema para clasificar los

cementos de acuerdo a las propiedades físicas y químicas exigidas (10).

Los cementos clase A y B son llamados cementos Portland y son los más

económicos. El cemento clase A es el mismo que se usa en las construcciones

civiles. El cemento clase C tiene un aditivo que permite el fraguado rápido. Los

cementos clase D, E y F se conocen como cementos retardados. Esta propiedad

la deben a un compuesto orgánico agregado en su fabricación. Los cementos

clase G y H son fabricados bajo estrictas recomendaciones químicas. La tabla 20

describa en forma más detallada la clasificación API de los cementos. Los más

usados son los cementos clase A y clase G, con algunos aditivos.

Page 142: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

142

Tabla 20. Clasificación API de los cementos (10).

Clase Profundidad

(pies) Características

A 0-6000

Usado cuando no se requieren propiedades especiales.

Económico. Se usa a temperaturas hasta de 170°F

B 0-6000

Usado cuando se necesita alta o moderada resistencia a

los Sulfatos, con temperaturas de hasta 170 °F.

C 0-6000

Rápida compactación y alta resistencia a los Sulfatos,

para temperaturas de hasta 170 °F.

D 6000-10000

Usado cuando se tienen condiciones de presión y

temperatura relativamente altas. Alta y moderada

resistencia a los sulfatos para temperaturas ente 170 y

260° F.

E 10000-14000

Usado a altas condiciones de presión y temperatura. Alta

y moderada resistencia a los sulfatos, con temperaturas

entre 170 y 290° F

F 10000-16000

Para altas presiones y temperaturas. Alta y moderada

resistencia a los sulfatos, para temperaturas entre 230 y

320° F.

G 0-8000

Compatible con aceleradores y retardantes. Puede

reemplazar los cementos clase A-E, con los aditivos

apropiados. Usado para temperaturas de hasta 270 °F.

H 0-8000

Puede ser usado con aceleradores y retardantes para

cubrir temperaturas y profundidades variadas

J 12000-16000

Puede ser usado con aceleradores y retardantes para

cubrir temperaturas en un amplio rango.

Page 143: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

143

5.1.3 Aditivos para el Cemento. El uso de aditivos es muy simple y flexible.

Todas las mezclas agua-cemento que actualmente se usan en la industria

petrolera, contienen algún aditivo para variar alguna propiedad de la mezcla

original. Las casas fabricantes recomiendan que aditivo usar, según la clase de

cemento.

Aceleradores: Se usan para acelerar la reacción entre el agua y el cemento

acortando el tiempo de espera, el tiempo de bombeabilidad y aumentando la

resistencia inicial a la compresión. Todo lo anterior implica ahorro de tiempo al

equipo de perforación.

Para temperaturas inferiores a 100 F, la lechada necesita de 1 a 2 días para

desarrollar una resistencia a la compresión de 500 lpc. Generalmente, se

requiere un acelerador para temperaturas inferiores a 120 F y su uso es

indispensable a temperaturas inferiores a 75 F. Las lechadas usadas en pozos

poco profundos a baja temperatura necesitan aceleradores para acortar el

tiempo de espera. Los siguientes aceleradores son muy usados: cloruro de

sodio, cloruro de calcio, yeso y agua salada.

Retardadores: Las lechadas de cemento fraguan rápidamente a temperaturas

de fondo mayores de 110 F. Un retardador es un aditivo usado para aumentar

el tiempo de fragüe y el tiempo de bombeabilidad del cemento. Además,

muchos retardadores aumentan la consistencia (viscosidad) de la lechada. Los

retardadores más usados son: lignosulfonatos de sodio y calcio, celulosa

modificada, ácidos orgánicos y materiales orgánicos.

Extendedores: Las lechadas de bajo peso (extendidas) se usan para reducir la

presión hidrostática sobre formaciones débiles, aumentar el rendimiento del

cemento y reducir costos. Básicamente, lo que hacen estos aditivos es permitir

que se le agregue más agua a la lechada. Dan alto rendimiento y son

económicos. El material básico de estos aditivos es la bentonita.

Page 144: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

144

Aditivos para Aumentar Peso: Se usan en zonas donde es necesario el

control hidrostático para evitar reventones. Incrementan la densidad, limitan y

mantienen la presión y mejoran el desplazamiento del lodo. Los aditivos más

usados para aumentar el peso o la densidad de la lechada son barita, hemetita,

arena y sal.

Aditivos para Pérdidas de Filtrado: a medida que el agua se filtra hacia las

formaciones con las cuales la lechada entra en contacto, la densidad de la

mezcla aumenta y cambian sus características. Esto puede ocasionar que la

tubería se pegue, que el cemento fragüe antes de tiempo, que se pierda el

retorno a superficie y que se requieran presiones de circulación en las bombas

demasiado altas. Estos aditivos protegen formaciones sensibles (arcillas) de

hinchamiento, previenen la deshidratación de la lechada y mejoran las

cementaciones a presión. Algunos controladores de filtrado son: polímeros

orgánicos y cementos con bentonita y dispersantes. Los aditivos para pérdida

de fluido no deben usarse con agua salada.

Aditivos para Pérdida de Circulación: En formaciones cavernosas, altamente

permeables y/o fracturadas, la lechada se puede perder hacia la formación.

Muchos materiales se usan para controlar estas pérdidas y pueden ser fibrosos,

granulares, laminados o semisólidos, siempre y cuando no actúen como

retardadores. Entre los materiales usados tenemos: madera, corteza y aserrín

(fibrosos); gilsonita, carbón, perlita y cáscara de nuez (granulares); mica, nylon

y celofán (laminados); cemento-yeso y lechadas de bentonita (semisólidos).

Uno de los más usados es la gilsonita por ser inerte y tener baja gravedad

específica, además de necesitar poca agua para ser mezclada.

Aditivos contra la Retrogradación: Evitan la pérdida de la resistencia a la

compresión, el aumento de permeabilidad, y la pérdida de integridad del

cemento a altas temperaturas (por encima de 230 F, para cemento portland).

Page 145: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

145

Los aditivos usados en este caso son en general productos que contengan

sílica (silica flúor, silica sand, etc.).

Preventoras de Espuma: El aire que queda dentro de la espuma no deja medir

bien la densidad de la lechada, lo cual dificulta su control. Generalmente se usa

un polvo blanco mezclado en seco con el cemento, (comercialmente se conoce

como D-6).

Inducidores de Flujo (Dispersantes o reductores de presión): Se agregan al

cemento para reducir la fricción de la lechada, reduciendo la viscosidad

aparente, con lo que se permite su bombeo en flujo turbulento

5.1.4 Cementos Especiales. Algunas veces se requieren cementos y aditivos

especiales para trabajos especiales, tales como cementación de pozos

geotermales o cementaciones en zonas polares. En esta clasificación se incluyen,

entre otros, cementos expandidos, cementos pozolánicos, cementos con yeso,

cementos con aceite de diesel (Diacel-Oil-Cement), y emulsiones de cemento-

agua y aceite.

Cementos Pozolánicos: Es una mezcla de cemento portland y un material de

sílica con hidróxido de calcio, que en presencia de agua desarrolla propiedades

cementantes. Este material puede ser ceniza volcánica o arcilla rica en

contenido de sílica. Las pozolanas no tienen propiedades cementantes, pero

usadas con agua y cal forman un compuesto de características iguales al

cemento. La sílica de las pozolanas se combina con la cal del cemento portland,

resultando un cemento más resistente al ataque de soluciones de sulfato y agua

de mar.

Cementos con Yeso: Son usados para reparar trabajos de cementaciones

primarias. Fraguan rápidamente e inmediatamente adquieren alta resistencia.

Page 146: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

146

Se mezclan con los cementos API clases A, B, G o H, siendo usados en pozos

poco profundos.

Cementos Diesel-aceite: Para controlar el agua durante la perforación, se

utilizan lechadas con Diesel. Están compuestos básicamente por cementos API

clases A, B, G o H, mezclados con diesel, queroseno y un surfactante. Tienen

un tiempo de bombeo ilimitado, y no fraguan a menos que se ubiquen en zonas

con agua. Allí la lechada absorbe el agua y el cemento fragua. La función del

surfactante es reducir la cantidad de hidrocarburos necesaria para humectar las

partículas de cemento. Estos cementos se utilizan principalmente para

cementar zonas con acuíferos.

Cementos Expandibles: A ciertas condiciones de fondo de pozo, es necesario

disponer de un cemento que se expanda contra el revoque de filtrado en las

paredes del pozo y del revestimiento. Los cementos expandibles comerciales

son cementos portland con un agregado de sulfoaluminato de calcio, sulfato de

calcio y caliza.

5.1.5 Fluidos Espaciadores. Un fluido espaciador, es cualquier fluido que se

bombea adelante y detrás de la lechada, para separarla del fluido de perforación o

del fluido con el cual se desplaza. Si es posible, el espaciador debe ser más

liviano que la lechada pero más pesado que el lodo. Un espaciador con el peso

apropiado reduce el acanalamiento, mejora el desplazamiento y ayuda a controlar

la presión hidrostática en el espacio anular. Se usan como espaciadores,

soluciones acuosas no ácidas, geles base agua, soluciones base aceite, etc.

Page 147: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

147

5.2 EQUIPO BÁSICO DE CEMENTACIÓN.

5.2.1 Equipo de Superficie. El cemento se mezcla con agua para formar una

lechada de peso específico predeterminado. La mezcla se efectúa en superficie

con el uso de vasijas especialmente diseñadas o "tolvas" para luego ser bombeada

al interior de la tubería de revestimiento. En un "camión de cementación" van

instaladas las bombas desde donde se bombea el agua para preparar la lechada, y

llevar ésta hacia el pozo (figura 5).

Antes de llevar la mezcla al pozo, se hace pasar por un sistema cíclico de

circulación hasta homogeneizarla. Constantemente se debe medir y controlar su

densidad y de acuerdo a su valor se regula la salida de cemento o el paso de agua

para obtener el valor deseado.

Una vez se ha mezclado la cantidad conveniente de trabajo se debe usar algún

fluido desplazante para colocar la lechada en la posición deseada. Este

generalmente se desplaza con las bombas del equipo de perforación

La mayoría de los pozos están llenos de lodo cuando comienza la cementación. A

medida que se bombea cemento, éste desplaza lodo por el espacio anular hasta

hacerlo regresar a los tanques de descarga. Este retorno debe vigilarse

estrechamente ya que es un indicio del desplazamiento. Si no regresa lodo

mientras se está bombeando, cemento o lodo se está perdiendo en las

formaciones. Cuando esto pasa queda la duda de la correcta colocación del

cemento.

Page 148: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

148

Figura 44. Equipo de superficie

5.2.2 Zapato Guía ("Guide Shoe"). Consiste básicamente de una sección corta

de tubo de acero con su extremo inferior redondeado. Se coloca en la parte inferior

de la sarta de revestimiento para facilitar su paso a través de las irregularidades del

hueco, haciendo dicho paso lo más suave posible para evitar cualquier derrumbe

de las paredes del hueco. Contiene, por lo general, una válvula que permite

mantener la tubería llena, ejerciéndose un efecto de flotación que disminuye la

carga sobre la torre. Puede llevar también una válvula flotadora para evitar que la

lechada de cemento se devuelva.

5.2.3 Collar Flotador ("Float Collar"). Se coloca en el revestimiento, un tubo

arriba del zapato. Además de servir de unión entre los dos primeros tubos de la

sarta, sirve de elemento de flotación. Se transforma por medios mecánicos en una

válvula de retención que permite al fluido circular del interior de la tubería al espacio

anular, pero no del anular al interior de la tubería. Está hecho de un material

perforable y sirve de asiento a los tapones de cementación.

Page 149: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

149

5.2.4 Cabeza de Cementación. Esta pieza se coloca en la parte superior del tubo

de revestimiento más superficial (el que asoma a la superficie). Se une por medio

de mangueras de acero a los sistemas de mezclado y bombeo del cemento. Posee

dos cámaras donde se alojan los tapones de cementación.

Figura 45. Cabeza de cementación

5.2.5 Tapones de cementación. Son dispositivos que se introducen en la tubería

de revestimiento durante la operación de bombeo del cemento. Son fabricados de

caucho y baquelita. Se usan dos tapones, los cuales separan la lechada del fluido

en el pozo y del fluido desplazante. Al mismo tiempo, el tapón inferior limpia la

pared interior de la tubería del lodo y el tapón superior de la mezcla agua-cemento.

Los tapones son retenidos por el collar flotador. El tapón inferior lleva un diafragma

que se rompe a presiones entre 300 y 400 lpc, permitiendo la continuación del flujo

de la lechada de cemento. El tapón superior es una pieza casi sólida y al llegar al

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150

collar flotador obstruye el flujo, lo que indica que la mezcla agua - cemento ha sido

colocada en su sitio. Esto se detecta en superficie porque inmediatamente se sube

la presión en la bomba.

5.2.6 Centralizadores ("centralizers"). Son herramientas que se colocan

rodeando el revestimiento para mantenerlo centrado en el hueco. La centralización

de la tubería permite que el espesor del cemento sea uniforme alrededor de toda la

sarta, evitando un desbalance en las presiones externas, lo que podría originar un

problema posterior. Se acostumbra colocar un centralizador entre el zapato y el

collar, otro en la unión del segundo con el tercer tubo y en adelante uno cada dos

tubos hasta 40 pies por debajo del tope esperado para el cemento en el anular.

Figura 46. Centralizadores

5.2.7 Raspadores ("wall cleaner"). Son herramientas que se colocan en la

tubería de revestimiento para limpiar el revoque que se forma en la pared del pozo

y que puede reducir la efectividad de la cementación. Se distribuyen en la sarta de

revestimiento, desde 20 pies por encima del fondo del horizonte productor hasta 20

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151

pies por debajo del tope del mismo, con un espaciamiento de 20 pies entre

raspadores. Están constituidos por alambres cortos arreglados verticalmente, en

espiral o circularmente.

Figura 47. Raspadores

5.3 TIPOS DE CEMENTACIÓN.

En general se habla de cementaciones primarias cuando nos referimos a la

cementación de una sarta de revestimiento, y de cementaciones secundarias

cuando se trata de trabajos hechos al pozo posteriormente.

5.3.1 Cementación Primaria.

En una sola Etapa: El cemento se introduce en la tolva y se mezcla con agua.

Toda la mezcla calculada se bombea por dentro del revestimiento. Una vez

bombeada, se desplaza con otro fluido hasta calcular que la lechada está en el sitio

deseado. Entre el lodo y el cemento, y entre el cemento y el fluido desplazante van

los tapones que son introducidos por la cabeza de cementación. Cuando el tapón

trasero (lechada - fluido desplazante) llega al collar, la presión de desplazamiento

sube rápidamente indicando que el desplazamiento ha terminado. Para confirmar

esto, se debe calcular el volumen y el tiempo de desplazamiento. Al terminar hay

que dejar las líneas con una determinada presión en superficie, mientras el

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152

cemento fragua, para evitar que se devuelva en caso de que el collar falle, la cual

se calcula de:

Ps = Pfp + Pl - Pfd (60)

Donde:

Ps: Presión necesaria en superficie, lpc (Pa).

Pfp: Presión hidrostática ejercida por el fluido de perforación, lpc (Pa).

Pl: Presión hidrostática ejercida por la lechada en el anular, lpc (Pa).

Pfd: Presión hidrostática ejercida por el fluido de desplazamiento, lpc (Pa).

La figura 47 esquematiza esta situación.

Figura 48. Balance de presiones en el pozo durante cementación primaria

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153

Cementación por Etapas: Generalmente, si el revestimiento está asentado a una

profundidad considerable se cementa por etapas, con el fin de que la cementación

sea mejor y más económica. Además se busca que las presiones de

desplazamiento no sean muy altas. El anular queda divido en secciones, donde en

cada una habrá una lechada diferente.

El revestimiento lleva unas válvulas especiales a la altura donde se piensa debe

comenzar cada etapa y a través de ella se inyecta la lechada correspondiente.

5.3.2 Cementación Secundaria. En el completamiento de un pozo, se debe

evaluar el estado del cemento frente a las zonas de interés: presencia, calidad y

aislamiento hidráulico. Esto se hace mediante registros sónicos. De la

interpretación de éstos se establecen las zonas donde quedo defectuosa la

cementación primaria. Se hace entonces una cementación correctiva ("Squeeze")

en la que se inyecta cemento a través de perforaciones en el revestimiento hechas

para tal fin o circulando la lechada por detrás del revestimiento, buscando siempre

no fracturar ni la formación ni el cemento.

Otros casos de cementación secundaria son: abandono de zonas agotadas o de

pozos en forma definitiva, taponamiento de las perforaciones para posterior

recañoneo y reparación de revestimientos rotos.

5.4 PRUEBAS DEL CEMENTO.

Al preparar una mezcla agua-cemento se deben conocer sus propiedades para

asegurar una buena cementación. Para ello se deben realizar varias pruebas,

algunas de las cuales se hacen en el campo y otras en el laboratorio.

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154

5.4.1 Filtrado. Esta prueba se realiza en un aparato llamado filtro prensa. El API

normatiza este ensayo para medir el filtrado en 30 minutos con presiones entre 100

y 1.000 lpc. En el procedimiento emplea un conjunto filtrante que contiene un

soporte, un cilindro y una malla No. 325 soportada por una malla 60.Como ya se

mencionó el filtrado del cemento puro es alto, aproximadamente de 1.000 cm3 en

un filtro prensa a 1.000 lpc de presión. Para una cementación primaria debe

reducirse la filtración a un rango de 150 a 400 cm3.

5.4.2 Densidad. Esta propiedad varía de acuerdo a los aditivos usados. En las

operaciones de campo la densidad se mide con una balanza de lodos. En el

laboratorio se deben usar balanzas presurizadas, 30 lpc aproximadamente, para

reducir las burbujas de aire atrapadas en la mezcla.

5.4.3 Tiempo de Bombeabilidad. Se considera la mezcla no fraguada mientras

tenga condiciones de bombeabilidad. El API considera el tiempo de fraguado como

el tiempo medido desde la preparación de la mezcla hasta que haya alcanzado 100

poises de viscosidad. Se mide en un aparato llamado "consistómetro", en el que se

pueden simular las condiciones del pozo, temperaturas hasta 500oF y presiones

hasta 25.000 lpc. El tiempo de bombeabilidad depende del tipo de trabajo, de las

condiciones del pozo y del volumen y tipo de cemento que se utilice. Por ejemplo,

para profundidades entre 6.000 y 8.000 pies el tiempo de bombeabilidad es del

orden de las tres horas.

5.4.4 Resistencia a la Compresión. El API recomienda que la consistencia de un

cemento después de 24 horas de fraguado no debe ser menor de 500 lpc. El

cemento puro ofrece resistencias más altas, sin embargo el uso de aditivos puede

alterarla, por lo que se deben realizar pruebas de resistencia a la compresión cada

que se varíe la concentración de algún aditivo.

5.4.5 Permeabilidad. El API especifica los métodos para determinar esta

propiedad usando permeámetros. El cemento fraguado tiene una permeabilidad

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155

mucho menor que la de las formaciones, y a través de pruebas de campo se ha

mostrado que disminuye con el tiempo y con la temperatura, y que después de 7

días es demasiado baja para ser medida. La permeabilidad del cemento al gas es

más alta, pero su determinación es bastante difícil.

5.5 CÁLCULOS BÁSICOS EN UNA CEMENTACIÓN.

5.5.1 Volumen de Lechada: Será igual a la suma de todos los volúmenes de las

secciones del pozo donde quedará cemento. Para una mejor visualización, la

figura 8 muestra un esquema del pozo.

321MEZCLA vvvV (61)

1

2

r1 hID4

πCV (62)

2

2

r

2

h2 hODD4

πCV (63)

3

2

r

2

s3 hODID4

πCV (64)

Donde:

Vmezcla: Volumen de lechada necesario, pie3 (m3).

V1, V2, V3: Volumen de las secciones interior del revestimiento,

Anular hueco - revestimiento a cementar, y anular revestimiento

Superficial -revestimiento a cementar, respectivamente, pie3 (m3).

h1, h2, h3: altura de las secciones, pie (m)

ODr, IDr: Diámetro externo e interno del revestimiento a cementar, pulg (m)

Page 156: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

156

IDs: Diámetro interno del revestimiento superficial, pulg (m).

Dh: Diámetro del hueco a cementar, pulg (m).

C: Constante que depende de las unidades usadas = 0,00694 (1,0).

La ecuación 61 varía dependiendo de la geometría particular del pozo a cementar.

Dependiendo del diseño de la sarta y del pozo es posible que se deban considerar

secciones adicionales.

Otra forma de realizar los cálculos es comenzar por calcular las capacidades de

las diferentes secciones, esto es, el volumen por cada pie de longitud:

2

1

2

24DDCCanulares (65)

2

4IDCC tuberías (66)

Vsección= Canulares*h ó Ctuberías*h (67)

Figura 49. Esquema para el cálculo del volumen de lechada

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157

Las compañías de cementación elaboran tablas (10) donde se puede leer

directamente la capacidad de la sección que se desee.

Otro aspecto a tener en cuenta es el siguiente. Realmente, el diámetro del pozo

es diferente del diámetro de la broca debido al movimiento de ésta, a la

circulación, al chorro del lodo que sale por las boquillas y a la inestabilidad de las

formaciones que se atraviesan. Es por esto, que se recomienda adicionar al

volumen de mezcla calculado un exceso, para llenar todo el anular requerido. El

exceso varía de una zona a otra y se determina con base en las experiencias del

área. En formaciones poco consolidadas con tendencia a formar cavernas se

pueden requerir excesos hasta del 100% y más. A medida que avanza la

perforación se requiere menos exceso ya que las formaciones son más duras y el

tamaño del hueco tiende a acercarse al tamaño de la broca. Este exceso se tiene

en cuenta únicamente en el anular hueco abierto-revestimiento y normalmente

varía entre 20 y 40%.

Una estimación relativamente exacta puede hacerse a partir de un registro de

tamaño de hueco ("caliper"), consistente en una sonda que se baja con cable

dentro del hueco y que a medida que se saca va calibrando el diámetro del hoyo.

Del registro, se puede calcular un diámetro promedio cada 10 pies por ejemplo.

Con éste, se calcula el volumen anular para esos 10 pies y sumando se halla el

volumen exacto del anular. Aun en este caso se debe agregar un pequeño

exceso.

5.5.2 Rendimiento del Cemento. Se define como el volumen de mezcla que

obtengo a partir de un saco de cemento. Para determinarlo necesito conocer el

requerimiento de agua, que como ya se mencionó depende del tipo de cemento y

aditivos usados. Las compañías de cementación suministran tablas (10) de las

cuales se puede conocer este dato, que normalmente se encuentra en galones de

agua por saco de cemento. Se debe tener en cuenta que la mayoría de tablas de

Page 158: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

158

cementación están hechas por compañías americanas, esto es con base en sacos

de 94 lbm por lo que se deben corregir los valores leídos si se está trabajando con

sacos de 100 lbm. Para el cálculo se suponen volúmenes aditivos, de forma que el

rendimiento será la suma de los volúmenes de agua, aditivos y cemento requeridos

tomando como base un saco de cemento. En la práctica, la cantidad de aditivos

sólidos a utilizar se da en lbm de aditivo por cada 100 lbm de cemento puro y la de

aditivos líquidos en galones de aditivo por saco de cemento puro. En el caso de

aditivos sólidos basta dividir el requerimiento en lbm, por su densidad para obtener

el volumen. Recuerde que se debe tener en cuenta, si los sacos son de 94 o de

100 lbm.

R = ((Requerimiento de agua) + (volumen de aditivo))/saco de cemento puro)i +

(volumen de un saco de cemento sin tener en cuenta su porosidad). (68)

5.5.3 Número de Sacos de Cemento Requeridos. Se obtienen dividiendo el

volumen total necesario de lechada por el rendimiento del cemento.

Nsacos= Volumen de lechada/Rendimiento (69)

5.5.4 Cálculo del Desplazamiento. El volumen de fluido de desplazamiento

requerido se acostumbra calcularlo en barriles para poder medirlos en los tanques

del camión de cementación.

Vdesplazamiento = Ctubería* longitud desde el collar hasta superficie (70)

Acá, se debe considerar si la sarta es combinada. En este caso el revestimiento

puede tener distintos diámetros internos dependiendo de cada sección de la sarta y

se debe calcular el volumen interno de cada sección, sin considerar el primer tubo

Page 159: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

159

(sección zapato-collar), para luego sumarlos. También se debe considerar la altura

de la mesa rotatoria.

5. 5.5 Requerimiento total de Agua.

Agua = Requerimiento (gal/saco)* Nsacos (71)

Adicionalmente, se debe tener en cuenta un exceso de agua, por ejemplo, para

operaciones de limpieza.

5.5.6 Cálculo de la Cantidad de Aditivos Requeridos. En este caso, se aconseja

calcular primero la cantidad total requerida de cemento. El cálculo depende de sí

los aditivos son sólidos o líquidos. Asumiendo sacos de cemento de 94 lbm:

Aditivos (lbm) = (lbm aditivo/100 lbm de cemento puro)*Nsacos*94 (72)

Aditivos (galones) = (Gal aditivo/saco de cemento puro)*Nsacos (73)

5.5.7 Tiempo de Operación. Se entiende por tiempo de operación, el tiempo

transcurrido desde que se empieza a preparar y bombear la lechada, hasta que la

mezcla ha sido colocada en su sitio. Por lo tanto, se debe estimar el tiempo

necesario para la mezcla, el desplazamiento y unos 10 minutos más para soltar los

tapones. Además, se debe tener en cuenta un tiempo de seguridad, para reparar

posibles daños, hacer cambios de tanques de almacenamiento, etc.

El tiempo de mezcla (tmezcla) depende de la capacidad de mezcla y de bombeo del

equipo de cementación disponible. Como punto de referencia puede tomarse de 2 a

5 BPM (Barriles por minuto). Se calcula como:

Page 160: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

160

ncementació de equipo del bomba la de Capacidad

mezcla para agua de totalntoRequerimietmezcla (74)

El desplazamiento de la lechada se hace bombeando un fluido, puede ser lodo,

después de terminar de bombear la lechada. Para ello se utiliza, normalmente, la

bomba del equipo de perforación por lo que el tiempo de desplazamiento

(tdesplazamiento) se calcula como:

nperforaciódeequipodelbombaladeCapacidad

Vt

entodesplazami

entodesplazami (75)

5.6 PROGRAMA PARA BAJAR REVESTIMIENTO Y CEMENTAR.

A continuación se presentan los pasos que se deben seguir para bajar y cementar

una sarta de revestimiento. El procedimiento propuesto puede variar dependiendo

de las circunstancias particulares del pozo.

Se verifica que la tubería que se va a introducir, esté colocada de acuerdo con el

diseño preparado. Los tubos se bajan de acuerdo al diseño de la sarta. Se

recomienda numerarlos según el orden de bajada y definir en cuales de ellos irán

instalados raspadores y/o centralizadores.

Se revisa que el zapato guía y el collar flotador sean los recomendados.

Se mide tubo por tubo, para la primera tanda y se colocan los anillos para los

raspadores de acuerdo a lo programado.

Se verifica que los tubos tengan su protector de roscas y estén libres en su

interior.

Se verifica que los centralizadores y los raspadores se coloquen de acuerdo a lo

programado.

Page 161: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

161

Se continúa midiendo cada tubo hasta que la sumatoria corresponda con la

profundidad programada. Se debe asegurar que la tubería esté colocada de

acuerdo a las secciones diseñadas.

Se bajan los tubos según el orden establecido. Cuando se alcance la

profundidad programada se sostiene la sarta del elevador y se colocan el

cabezal de cementación y las líneas necesarias.

Se circula fluido de perforación para homogenizar el lodo que hay en el hueco.

A medida que se bajan los tubos, se debe llenar periódicamente la sarta con

lodo, para evitar que el revestimiento se colapse y para disminuir la carga

impuesta a la torre.

Se debe revisar que los tapones de cementación estén bien colocados en el

cabezal de cementación.

Se revisa el programa de cementación con el operador de la compañía de

cementación.

Se suelta el tapón de abajo y se comienza a mezclar y bombear lechada.

Se revisa la densidad de la mezcla y se avisa al operador si no se tiene la

densidad programada para hacer los correctivos del caso. Esto se hace varias

veces durante la cementación.

Al terminar de bombear la mezcla agua-cemento, se suelta el tapón superior y se

comienza a desplazar. Debe asegurarse que durante la operación se tiene

buena circulación, observando el retorno por el anular en superficie.

Se verifica continuamente el volumen de desplazamiento bombeado. Cuando se

acerque al volumen calculado el operador debe disminuir la tasa de bombeo.

Cuando el tapón superior llegue al collar flotador, la cementación ha terminado.

Se revisa que al quitar la presión, no haya circulación en reversa. Si ésta

se presenta, la válvula de retención del collar flotador falló y está entrando

lechada de cemento a la tubería. En este caso, se debe circular nuevamente

fluido desplazante y cerrar el pozo con la presión de llegada del tapón al collar

flotador. Se espera fragüe del cemento.

Se prepara el informe de la cementación.

Page 162: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

162

Se procede a conectar la sarta en la superficie con el equipo de cabeza del pozo.

La tubería se afianza con cuñas de una "campana" que se fija al revestimiento

de mayor diámetro. Las cuñas tienen bordes estriados que agarran la tubería

por fuera. El peso de la tubería tiende a jalar las cuñas hacia abajo, dentro de la

campana que disminuye su diámetro interno hacia abajo, haciendo con ello que

las cuñas sujeten la tubería con mayor firmeza. Una vez sujeta la tubería, se

corta con soplete cualquier sobrante en su longitud. El procedimiento seguido se

conoce como “anclaje de la tubería". Este método no debe producir esfuerzos

mayores de los que la tubería puede resistir según el diseño. Los factores que

producen esfuerzos sobre el revestimiento, una vez cementado son: la presión

de formación, la temperatura de formación, los movimientos terrestres, la presión

interna, y la temperatura interna.

5.7 CEMENTACIONES CON PROCEDIMIENTOS ESPECIALES.

5.7.1. Cementación con tubería de perforación. El revestimiento se baja hasta la

profundidad total y luego se baja la tubería de perforación centrada en el

revestimiento, con un adaptador roscado y un centralizador en el último tubo. El

zapato o el collar se diseñan de modo que acepten el adaptador. Este

procedimiento se utiliza cuando se requiere evitar posibles colapsos de la tubería,

no presupuestados en el diseño de la sarta y para reducir el tiempo y el volumen de

desplazamiento. El procedimiento que se debe seguir es el siguiente:

Se corre el revestimiento hasta la profundidad total y se fija 2 ó 3 pies por encima

de la mesa rotaria.

El adaptador y el centralizador se conectan a la tubería de perforación.

Se baja la sarta de perforación hasta que asiente sobre el collar (o el zapato). La

parte donde asienta el adaptador es biselada para, junto con el centralizador,

Page 163: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

163

ayudar a asegurar que la tubería asienta sobre el collar o el zapato, aún en

pozos desviados. Cuando el adaptador asienta, se aplica peso a la tubería para

mantenerlo sobre el collar o el zapato.

Se establece la circulación.

Se bombea hasta que el tapón asiente, se desconecta el adaptador y se saca la

sarta de perforación. Cuando no se usa tapón, la medida del fluido desplazante

puede ser crítica.

5.7.2 Cementación por etapas.

Son muchas las aplicaciones de la cementación por etapas. En ocasiones, por

economía, es posible usar una lechada liviana para llenar la mayor parte del pozo y

una lechada principal de alta resistencia en zonas críticas. En algunos casos

también se usa una lechada removedora que tiene propiedades especiales para

una buena remoción del lodo delante de la lechada principal. También en pozos de

considerable profundidad y cuando el espacio anular a llenar es grande, se usa la

cementación por etapas para que las presiones de desplazamiento sean bajas y la

cementación quede mejor. En resumen, se usa la cementación por etapas cuando

se requieren dos lechadas diferentes o cuando la presión de desplazamiento en

una sola etapa es muy alta. Se usa principalmente para cementar el revestimiento

intermedio o el de producción.

Otra aplicación se da, cuando se sabe que la presión hidrostática de la columna de

cemento en el anular va a ser mayor que la presión de fractura de la formación, o

cuando excede la resistencia al colapso del revestimiento.

Cuando el revestimiento se cementa en dos etapas, la primera etapa se hace como

en una cementación convencional. La segunda etapa se coloca en el anular a

través de puertas localizadas en el "collar de cementación por etapas" localizado en

la sarta de revestimiento. Una camisa dentro del collar mantiene las puertas

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164

cerradas mientras se desplaza la primera etapa y se baja para cementar la

segunda. Las camisas se mantienen en su posición inicial por medio de pines

rompibles y en su posición final por medio de anillos. Estas camisas tienen sillas

internas, movibles por medio de tapones.

Los collares de cementación por etapas se pueden operar de dos formas

diferentes. Cada manera requiere un juego diferente de tapones aunque los

collares sean los mismos. El método de caída libre se usa cuando el cemento de la

primera etapa no llena el anular hasta el collar. En estos casos, el collar se coloca

a una distancia relativamente lejana del fondo. Después de abrir la herramienta se

establece circulación mientras se espera que fragüe la primera etapa. El método de

desplazamiento se usa cuando el cemento llena el anular desde el fondo hasta el

collar o por encima. Se usa en pozos profundos o desviados donde el tapón de

caída libre gasta demasiado tiempo para llegar a su destino. Los volúmenes de

fluido se deben calcular con exactitud y se deben medir con cuidado. Es una

operación continua hasta que se completan todas las etapas.

También se puede cementar el revestimiento en tres etapas, caso en el cual se

emplean dos collares de cementación y un juego especial de tapones. Se puede

hacer por el método de caída libre en todas las etapas o por el método de

desplazamiento en las 2 primeras y caída libre en la tercera. El collar superior de

cementación por etapas se abre siempre con un tapón de caída libre.

5.7.3 Cementación de Revestimientos Auxiliares ("liner"). En estos casos se

tienen algunas características especiales. Por lo general el espacio anular es

pequeño, el revestimiento no se rota, las tasas de bombeo son restringidas para

evitar fractura de la formación y es difícil lograr un desplazamiento efectivo del lodo.

Como ya se mencionó los objetivos de un revestimiento auxiliar son controlar el

pozo, bajar los costos del revestimiento, y ahorrar tiempo (Instalación rápida).

Page 165: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

165

Normalmente el revestimiento auxiliar se baja con tubería de perforación y se usan

herramientas especiales para correrlo, asentarlo y cementarlo. El zapato flotador

se coloca en el fondo del “liner” y tiene una válvula cheque para evitar el contraflujo

de la lechada. Se puede usar encima del zapato, un collar flotador para reforzar. El

Collar de Asentamiento se coloca un tubo por encima del collar flotador o dos o

más tubos por encima del zapato flotador. Sirve para sujetar y formar sello con el

tapón del revestimiento auxiliar. Evita que el tapón se devuelva cuando falla una

válvula cheque y que rote cuando se está perforando.

La cementación de estos revestimientos auxiliares presenta algunos problemas

específicos que deben ser considerados:

Espacio anular: Es el problema principal en los trabajos con revestimiento

auxiliar. No es raro correr un revestimiento auxiliar de 5 pulgadas de diámetro

externo por debajo de un revestimiento de 7 pulgadas para revestir un hueco de

6 1/8 pulgadas. Si queda centrado, el espacio anular libre es de únicamente

9/16 pulgadas. Un espacio anular pequeño aumenta las pérdidas de presión

cuando se cementa lo cual incrementa las posibilidades de pérdida de

circulación. Además, la contaminación del cemento por el lodo aumenta con un

espacio anular pequeño.

Falta del movimiento del “liner” cuando se cementa: El movimiento del

revestimiento durante la cementación es esencial para que el trabajo quede bien.

El revestimiento auxiliar raras veces se puede rotar antes de bombear el

cemento.

Contaminación: La reacción entre el lodo y el cemento pueden generar alta

viscosidad en el contacto, lo cual aumenta las pérdidas de presión en el anular.

Altas presiones de bombeo pueden fracturar las formaciones débiles.

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166

5.7.4 Cementaciones Remédiales. Son trabajos en los que se mete a presión, la

lechada de cemento en un punto determinado del pozo. Algunas aplicaciones de

estos trabajos son:

Reparar cementaciones primarias que quedan defectuosas.

Disminuir la producción de agua.

Abandonar temporalmente una zona productora.

Reparar daños del revestimiento.

Disminuir pérdidas de circulación en hueco abierto mientras se perfora.

Controlar un pozo.

Completar la cementación primaria de revestimientos auxiliares.

5.8 TAPONES BALANCEADOS DE CEMENTO.

En algunas ocasiones, un hoyo debe ser obstruido con un tapón de cemento, lo

que consiste en colocar en un determinado punto del pozo una cantidad específica

de cemento de modo que se cubra un sector del mismo.

5.8.1 Uso de los Tapones de Cemento.

Si durante la perforación se corta el retorno de lodo, y los aditivos para pérdidas

de circulación no dan resultado, nos queda la posibilidad de colocar un tapón

de cemento. La lechada también puede ir a la zona problema, pero fraguará en

ella y la consolidará. Si el tapón fragua dentro del pozo, se debe perforar el

cemento para seguir con la perforación.

Si se pierde una herramienta en el pozo durante la perforación, y los trabajos de

pesca resultan negativos, queda la alternativa de fijar un tapón de cemento

arriba de la herramienta perdida ("pescado") para luego desviar el pozo

("sidetrack"). Esto puede ser necesario también, en el caso de un pozo dirigido

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167

que se haya salido de su curso. En este caso el tapón sirve de soporte a las

herramientas que se utilizan para desviar.

Un tapón puede proporcionar una base firme para los empaques de las

herramientas usadas en una prueba de formación en hoyo abierto ("DST: Drill-

stem-testing"). En muchos pozos, antes de bajar la tubería de producción se

hace una DST para determinar si la zona de interés es productiva o no. En esos

casos se hace necesario aislar el anular por encima y por debajo de la

herramienta. Sin embargo, si las paredes del hueco no son firmes el tapón no

hace buen sello y puede ser necesario colocar un tapón de cemento que cubra

las paredes. El tapón se perfora luego y los empaques encuentran una zona

donde se pueden asentar.

Para aislar y abandonar una zona que ha dejado de producir o que produce

fluidos innecesarios (agua, gas) se puede colocar un tapón balanceado de

cemento. Una alternativa a esta operación es hacer una cementación a presión o

bajar un tapón mecánico.

Todo pozo, tarde o temprano, tiene que ser abandonado lo que implica hacer

uno o más tapones de cemento. Otros son temporalmente abandonados luego

de la perforación hasta que puedan completarse. Los pozos secos también

deben ser abandonados después de perforados y ensayados. Este tipo de

tapones balanceados son los más frecuentes.

5.8.2 Métodos de Colocación. Los tapones de cemento, generalmente se colocan

en huecos no revestidos y se usa tubería de trabajo (tubería de perforación) para

colocar el cemento en el sitio requerido. Como el hueco siempre está lleno de

fluido de perforación se requiere que entre la lechada y el lodo se coloque cierta

porción de un fluido espaciador que mejore la eficiencia de fraguado del cemento.

Para colocar el tapón se baja la tubería de trabajo hasta la profundidad a la cual se

desea que quede el fondo del tapón. Se bombea entonces, un volumen predefinido

de un fluido espaciador (generalmente agua para mejorar la eficiencia de fraguado

del cemento) y luego la cantidad de lechada que se requiere. Nuevamente se

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168

bombea fluido espaciador y luego lodo para terminar de desplazar las columnas. Si

los cálculos de volúmenes de fluidos están bien hechos, la lechada debe quedar

ubicada parte en el anular hueco-tubería de trabajo y parte en el fondo de la

tubería, de modo que al retirar esta última el tapón quede a la profundidad

deseada.

Para diseñar la colocación del tapón se requiere balancear las columnas de

cemento, agua y lodo en el hueco, debido a que estos fluidos tienen diferente

gravedad específica. La figura 49 muestra como se deben balancear las columnas

de fluidos durante la colocación del tapón y después de retirar la tubería del pozo.

5.8.3. Cálculos Tapón Balanceado. El tapón se debe colocar de tal manera que

se elimine la tendencia del cemento a continuar el flujo o a devolverse cuando se

para el bombeo y se saca la tubería, haciendo que el nivel del cemento, del fluido

espaciador y del lodo tengan la misma longitud, tanto en la tubería como en el

anular, durante el trabajo.

Básicamente se debe calcular el volumen de los fluidos que se desplazarán en el

pozo (figura 49). Los datos requeridos son:

Profundidad final e inicial del intervalo donde se espera quede el cemento (H1 y

H2).

Diámetros externos (ODt) e internos (IDt) de la tubería usada para el trabajo.

Diámetro de la sección donde quedará el tapón (Dh).

Datos del cemento a utilizar: tipo, aditivos, requerimiento de agua.

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169

Figura 50. Estado de las columnas de fluidos mientras se coloca el tapón y después de retirar la tubería de trabajo

A continuación se muestran los cálculos que se deben realizar.

Calcular las capacidades de las secciones involucradas en el trabajo, usando las

ecuaciones 64 y 65.

22

4 thanular ODDCC (76)

2

4 ttubería IDCC (77)

2

4 hhueco DCC (78)

Donde:

Canular, Ctubería, Chueco: capacidades de las secciones involucradas, pie3/pie (m3/m)

ODt, IDt: Diámetro externo e interno de la tubería de trabajo, pulg (m).

Dh: Diámetro del hueco, pulg (m).

C: constante de conversión de unidades = 0.00694 (1).

Page 170: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

170

Calcular el volumen requerido de lechada.

21huecoc HHCV (79)

Vc: Volumen de lechada, pie3 (m3)

H1, H2: Profundidades entre las cuales se espera quede el tapón, pie (m).

Calcular el rendimiento del cemento siguiendo el procedimiento mostrado en la

sección 5.5.2.

Calcular el número de sacos de cemento, la cantidad de aditivos y el volumen de

agua requeridos para la mezcla, siguiendo el procedimiento presentado en las

secciones 5.5.3, 5.5.4 y 5.5.5.

Calcular la altura del tapón en el anular (Hc).

Vc = Canular*Hc + Ctubería*Hc

tuberíaanular

c

cCC

VH (80)

Calcular el volumen del colchón trasero de fluido espaciador (Vw2) de modo

que las columnas queden balanceadas. El volumen del colchón delantero de

fluido espaciador (Vw1) debe conocerse. El colchón dentro de la tubería debe

tener la misma altura que en el espacio anular.

Vw2 = Ctubería*Ha

Vw1 = Canular*Ha

12 * w

anular

tubería

w VC

CV (81)

Page 171: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

171

Calculo el volumen de desplazamiento necesario.

Vd = Ctubería*H1 - Vw2 - Ctubería *Hc (82)

Los cálculos planteados en esta sección asumen un llenado máximo, o sea que no

se consideran pérdidas de circulación en el hueco. En un pozo revestido esto es

exacto, pero en un hueco abierto el tope del cemento se encontrará por debajo del

punto calculado, dependiendo del volumen absorbido por el pozo.

5.8.4. Programa de Trabajo.

Probar las líneas.

Bajar la tubería de trabajo hasta la profundidad del tapón.

Bombear el colchón delantero (Vw1

).

Preparar y bombear la lechada.

Bombear el colchón trasero (Vw2

).

Desplazar, con el mismo fluido que había originalmente en el pozo.

Abrir las líneas de retorno a los tanques de la unidad. Se levantan unos cuanto

tubos despacio y si las columnas quedaron balanceadas no debe haber flujo, ni a

la rumba ni por la tubería. En general, la tubería se sube hasta quedar 4 pies por

encima del tapón.

Subir la tubería unos 1.000 pies por encima del tapón y circular en reversa con

poca potencia en las bombas, hasta observar un posible retorno de cemento en

superficie. Se requiere baja velocidad para tratar de no dar turbulencia al tapón.

Espero hasta obtener retorno limpio (Para limpiar la tubería).

Sacar la tubería. A medida que se saca la tubería, se va llenando el anular con

lodo, pues el pozo debe permanecer lleno.

Esperar que fragüe el cemento.

Algunas recomendaciones adicionales son:

Page 172: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

172

Aunque se saca la tubería lentamente (así debe ser) los fluidos en el anular

tienen más área y tienden a caer más rápidamente que los fluidos de la tubería.

Para no desbalancear las columnas, cuando la lechada de cemento es más

densa que el lodo, se recomienda usar de medio a un barril de lodo desplazante

menos que el calculado. Si la lechada es menos densa no se aconseja este

procedimiento.

Los cálculos no serán exactos a menos que las condiciones del pozo sean

uniformes cuando se pone el tapón, que la densidad del lodo sea igual en todo el

pozo, y que la lechada se prepare de igual densidad. El volumen de las uniones

se debe tener en cuenta en pozos profundos.

Inicialmente se puede circular, para homogenizar el lodo.

El mantenimiento previo y posterior del equipo debe hacerse en cada trabajo.

Page 173: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

173

BIBLIOGRAFÍA

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Page 175: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

175

ANEXOS. Problemas

1. Durante la operación de un motor diesel se obtienen los siguientes datos:

Velocidad del motor

(rpm)

Torque

(lbf-pie)

Consumo de combustible

(gal/hr)

400 1.850 10,0

600 1.800 13.1

800 1.700 16,8

1.000 1.600 20,5

1.200 1.350 26,0

Calcular la potencia desarrollada por el motor para cada velocidad. Así mismo,

calcular para cada caso la eficiencia del motor.

2. Se está perforando un pozo a 11.000 pies de profundidad y se requiere

cambiar la broca. La sarta de perforación está compuesta por 500 pies de

collares de 5 ½ pulgadas y 68,0 lbf /pie y tubería de 3 ½ pulgadas-13,3 lbf/pie.

El bloqueo, el gancho y el elevador pesan 24.450 lbf y se está usando un lodo

de 12,2 lbm/gal.

Calcular el trabajo realizado al perforar de 6.000 a 11.000 pies y al hacer un

viaje redondo a 11.000 pies para cambiar la broca.

3. Un equipo de perforación debe levantar una carga de 200.000 lbf. El malacate

puede suministrar 800 hp y entre el bloque viajero y la corona hay 10 líneas

enhebradas. Calcular la tensión en la línea viva, la velocidad del gancho, la

potencia disponible en el gancho y la eficiencia de la torre.

Page 176: 1-PERFORACIÓN ROTATORIA FUNDAMENTOS Y DISEÑOS

176

4. Una bomba dúplex con dimensiones 6 ½ x 18 x 2 ½ pulg, desarrolla 20 SPM y

3.000 lpcm, por 10 minutos, con el tanque de succión aislado de la línea de

retorno del lodo. El tanque de succión tiene 7 pies de ancho y 20 de largo y

su nivel cae 18 pulgadas durante este período. Calcule el factor de la bomba,

su eficiencia volumétrica y la potencia que desarrolla.

5. Se está perforando un pozo a 9.000 pies de profundidad, con una sarta

compuesta por 500 pies de collares de 5 ½ pulg y 67,3 lbf /pie, y tubería de

perforación de 3 ½ pulg y 15,5 lbf/pie. El diámetro del hueco tiene en

promedio 10 pulg. de diámetro. Calcule el volumen de lodo que hay en el

hueco y el que habría que agregar si saco toda la sarta y necesito mantener el

pozo lleno.

6. Se está perforando un pozo a 8.580 pies para lo cual se están circulando 500

Gal/min de un lodo de densidad 12 lbm/gal.

La sarta de perforación está compuesta por:

7980 pies de tubería de perforación, grado E de 5 Pulgadas y 16,25 Pie

lbf

90 pies de “Heavy wate”, de 5 Pulg y 49,3 lbf /Pie (ID = 3 Pulg)

510 pies de collares, de 5 Pulg y 56 lb/Pie.

Over Pull necesario = 100.000 lbf

Se usa una broca J11 con las siguientes características:

Diámetro = 8 ¾ pulg

Peso necesario= 2000 a 3000 lbf/Pulg.

Rotación = 60 a 45 rpm.

Bomba de lodo: Triplex

Diámetro del pistón = 6 pulg.

Longitud del pistón = 11 Pulg.

Eficiencia volumétrica = 90%

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177

Juego de poleas:

Peso = 500 lbf

Número de líneas = 8

a. Está bien diseñada la sarta de perforación? Haría alguna recomendación?

b. Seleccione el cable de perforación.

c. Calcule la eficiencia de la torre.

d. Si se requiere que circulen 500 Gal/min de lodo, cuántos strokes hay que

colocarle a la bomba?

e. Al sacar toda la sarta, la tubería sale vacía. Hubo que agregar 100 galones

de lodo para mantener el hueco lleno. Hay algún problema?

7 Diseñar un programa de revestimiento y brocas para un pozo exploratorio a

12.000 pies. Se piensa que el revestimiento superficial se bajará a 1.000 pies

y que el revestimiento de producción debe ser de 5,5 pulg. El revestimiento

intermedio se asentará aproximadamente a 8.000 pies.

8 Diseñar un revestimiento de superficie a una profundidad de 1.000. El

revestimiento de superficie tiene un tamaño de 13 3/8 pulgadas y se trabajará

con los siguientes factores de seguridad: Fsc = 1,125; Fsi = 1,33; FsT = 2,000;

Fsa = 1,20. Se usa lodo de 10,5lbm/gal y el gradiente de formación es de 0,4

lpc/pie.

9 Diseñar una sarta combinada de 5 ½ pulg a 10.000 pies, para un pozo donde

el peso del lodo es 11,5 lbm/gal. y el gradiente de formación esperado es de

0,4 lpc/pie. Use las peores condiciones de carga y asuma los siguientes

factores de seguridad: Fsc = 1,125; FsT = 2,00; Fsa = 1,25 y Fsi = 1,00.

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178

10. Se cementa un revestimiento a 10.000 pies con una mezcla de 14 lbm/gal. El

tapón y la mezcla se desplazan con aceite de gravedad específica 0,85. Se

llenó el anular hasta 1000 pies por debajo de la superficie y el pozo se terminó

de perforar con lodo de 11 lbm/gal. Qué presión se debe mantener en

superficie?

11. Información del Pozo:

Revestimiento de 13 3/8 Pulg y 54,5 lbm/pie a 1.700 pies. Agujero de 12 ¼ pulg

hasta el fondo (5.500 pies). Densidad del Lodo 13,5 lb/gal.

Información del Trabajo: Revestimiento de 9 5/8 pulg.

Intervalo (pie) Grado Peso (lbf/pie) Longitud (pie)

0- 3000 J-55 36 3000

3000 - 5500 J-55 40 2500

Horizonte productor de 5200a 5400 pies. Collar Flotador 40 pies arriba del zapato.

Tope del cemento: 300 pies por encima del zapato de 13 3/8 pulg. Lechada de

Cemento: Cemento clase G con 4% de bentonita. Exceso 25%. Usar 20 barriles

de “spacer 1000 Q” delante del cemento. Mezclado a alta presión, 2 ½ BPM.

Bomba del equipo: Duplex 18 x 6 ½ x 2.5 pulg, doble acción. Eficiencia 90%.

Determine:

a. Cantidad de centralizadores.

b. Cantidad de raspadores.

c. Densidad aproximada de la mezcla.

d. Sacos de cemento necesarios.

e. Sacos de bentonita necesarios.

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f. Volumen de desplazamiento.

g. Total de agua necesaria.

h. Tiempo de operación.

12. Cementación con dos lechadas diferentes:

Datos del pozo: Tubo conductor de 20 pulg, 90 lbf/pie hasta 250 pies

Pozo abierto 17 ½ hasta 2.500 pies

Datos de la operación: Revestimiento de 13 3/8”, 77 lbf/pie

Zapato flotador en el fondo del pozo.

Collar flotador 43 pies arriba del zapato.

Datos de la lechada: Lechada principal con cemento clase A puro hasta

200´sobre el zapato.

Cemento clase A + 8% bentonita hasta superficie.

Exceso del 60% para el anular hueco-casing 13 3/8”.

13. Colocar un tapón balanceado de cemento entre 10.700 y 9.700 pies con

cemento clase G. El hueco tiene un diámetro de 7 pulg y para la operación se

usará tubería de trabajo de 2 7/8 pulg y 6,85 lb/pie N-80. Usar un colchón

delantero de 8 bbls de agua.