Hidráulica de la perforación 2008

8/3/2019 Hidrulica de la perforacin 2008

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Hidrulica de la perforacin


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Hidrulica de la perforacin

Contenido1. Circulacin del fluido de perforacin.2. Sistema de perdidas de presin.3. Fluidos de perforacin.

4. Patrones de flujo.5. Modelos Reologicos Conceptos generales6. Modelos Reologicos para clculos hidrulicos7. Diseo de sistema hidrulico.

8. Consideraciones para trepanos triconicos y PDC9. Ejemplo practico

Resolucin analtica. Resolucin mediante software.


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1. Circulacin del fluido de perforacin

La circulacin del fluido deperforacin comprende todo uncircuito de inyeccin ytratamiento:

El sistema de inyeccinconformado por la(s) bombas,estas son de tipo reciprocante ydesplazamiento positivo que a suvez estn conformado por una

parte mecnica y otra hidrulica.

PUMPSTRO.mpg
http://pumpstro.mpg/http://pumpstro.mpg/


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1.2 Circulacin de tratamiento

MUDTREAT.mpg El sistema de tratamiento estaconformado por equipos deseparacin de slidos entreestos: Zaranda Cajn de decantamiento Desander Desilter Centrifuga

Cajones preparadores /pildoreros. Cajn chupador
http://mudtreat.mpg/http://mudtreat.mpg/


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1.3 Esquema del circuito de tratamiento

Lodo74m

11

40m

25m10m


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1.4 Funciones del fluido de perforacin

El fluido de perforacin es acondicionadopara que este pueda cumplir con lassiguientes funciones durante sucirculacin:

Controlar las presiones de formacin.

Brindar empuje adecuado. Servir medio de Transporte Informacin. Fuente de energia para herramientas

como DHM, DHT, MWD, LWD, etc. Refrigeracion del trepano.

Remocin de los cortes. Limpieza de fondo de pozo. Agente de impacto y abrasin hacia la

formacin.


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2. Sistema de perdidas de presin

Friccin en el sistema Geometra del Hoyo y la Tubera

ID y OD rea de Flujo Longitud Restricciones internas

Tasa de Flujo Propiedades del Lodo

Tipo de Fluido Densidad Reologa


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2.1 Sistema superficial y subsuperficial

Equipo de Superficie Tubera de Superficie Goosneck Swivel Kelly / Top Drive

Sarta de Perforacin Drill Pipe

HWDP Drill collars MWD/Motor/Turbina

Boquillas del trepano

Espacio anular

Sistema de circulacin:


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2.2 Sistema de perdidas de presin superficiales

Aspectos generales del Sistemasuperficial:

Tubera superficial (salida de bomba

y stand pipe). Goosneck. Swivel (unin rotativa y restricciones

de paso). Kelly / Top Drive.


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2.3 Sistema de perdidas de presin subsuperficiales

Aspectos generales en la sarta de

Perforacin:

Drill Pipe (dependiendo del tipo ydimetros usados).

HWDP (dem).

Drill collars (y tipo de empaque).

Herramientas especiales(MWD/DHM/DHT/LWD)

Area de Flujo

Dimetro Interno (I.D.)

Longitud de la Seccin


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2.4 Consideraciones en el trepano

Consideracionesgenerales en lasboquillas del trepano Estudio geolgico.

Tipo de trepano. Numero de boquillas. Estudio de

posicionamiento.

Tasa de Flujo Densidad del Lodo Boquillas (jets)

Prdida de Presinen el trepano

Potencia/pulg2

Fuerza de Impacto

Velocidad en los Jets

BITJETS.mpg
http://bitjets.mpg/http://bitjets.mpg/


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2.5 Circulacin en el espacio anular

Aspectos generales de lacirculacin en el espacio anular:

Tipo de formacin.

Pruebas al fluido deperforacin (filtrado, %slidos, retorta).

Consideraciones de tipo derecortes (tamao, forma,abrasividad).

Tasa de Flujo Densidad del Lodo Concentracin de Cortes Revestimiento ID Sarta de Perforacin OD Tamao del Hoyo Condicin del Hoyo Longitud de la Seccin Patrn de Flujo del Fluido


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3. Fluidos de perforacin

Fluido comprendidos dentro de ladinmica de los cuerposflexibles, y estudiados dentrode la mecnica de fluidos esdefinido de la siguiente formaen el libro Hydraulic analysis

for rotary drilling de la Reed

Drill Co.:

Fluido es una sustancia incapazde resistir fuerzas o esfuerzosde corte sin desplazarse

un fluido de perforacin escualquier fluido el cual escirculado a travs del pozo conobjetivos especificos

Los fluidos de perforacinusualmente incluyen una faselquida como la fase contnua

Aceite, Agua, Polmeros

Sintticos, Aceites Minerales

Tambin Incluyen: Aire,Mezclas o Espumas


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3.1 Propiedades del fluido de perforacin

Propiedades del fluido deperforacin relacionados con lahidrulica:

Densidad Esfuerzo de Corte Velocidad de Corte Viscosidad Plstica Yield Point Gel strength Filtrado Ph Temperatura

blow-out.mpg blow out venezuela.mpg
http://blow-out.mpg/http://blow%20out%20venezuela.mpg/http://blow%20out%20venezuela.mpg/http://blow-out.mpg/http://blow-out.mpg/http://blow-out.mpg/


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3.2 Densidad

Unidad de masa por unidad de volumen

Unidades Estndar Libras por galn (LPG )

Otras Unidades Gramos por centmetro cbico (g/cc) Gravedad especfica (S.G.)

Densidad del agua fresca = 8.34 ppg (1.0 S.G.)

Base Aceite (Diesel) = 7.0 ppg (0.84 S.G.)Los lodos varan desde 8.4 hasta 19.0+ ppg

MUDBALNC.mpg
http://mudbalnc.mpg/http://mudbalnc.mpg/


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3.3 Shear stress

.es la relacin de la fuerza aplicada (F) sobre un rea de seccintransversal (A)

F F FF

A

- Unidades ComunesLbs/100 ft2


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3.4 Shear rate

es la relacin que representa la diferencia en velocidad (entre las capas de

lodo ) y la distancia entre las mismas

Flujo

v1

v2

Capa

A

Capa

B

Sarta

de

Perforacin

Formacin

Flujo LaminarAnular

- Unidades ComunesLbs/100 ft2


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3.5 Viscosidad plstica

(PV)

Resistencia a fluir debido a la friccin mecnicadependiente de los slidos en suspensin que posea el

fluidoPV = Esfuerzo de Corte (Shear Stress)

Velocidad de Corte (Shear Rate)

Unidades Comunes

Centipoise (cps) Pascales (Pa sec.)


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3.6 Yield point

Resistencia a fluir debido a fuerzas de atraccinelectroqumicas entre los slidos

El movimiento del fluido no ocurre hasta que el

esfuerzo de cedencia noes vencido.

La magnitud de la fuerza es funcin de: Tipo de slidos y sus cargas asociadas

Cantidad de slidos Unidades Comunes

Lbs/100 ft2

Pascals - Pa


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3.7 Gel Strength

..asociacin en redes moleculares tridimensionales que retienenentre sus mallas a la fase liquida..

Unidades Comunes Lbs/100ft2 g/m2


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3.8 YP y PV, rangos recomendados

Grafica de ajuste de rango de PV y YP

ViscosidadPlstica,

YieldP

oint

05

101520253035404550

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Densidad del Lodo, lbs/gal

PV & YP vs. MW

PV Rango Recomendado

YP Rango Recomendado


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4. Patrones de flujo

Tipos de Flujo (Aumentando la Tasa de Flujo)

No flujo Flujo tapn Flujo laminar

Flujo de transicin Flujo turbulento


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4.1 Etapa 1

No Flujo

Anular

Sart

a

de

Perforaci

n

Formacin


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4.2 Etapa 2

Bajas velocidades delFlujo

Perfil del Flujo muyplano

Flujo Tapn

Anular

Sarta

de

Perforacin

Formacin


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4.3 Etapa 3

Transicin (Tapn a Laminar)

Anular

Sarta

de

Perforacin

Incremento en lavelocidad del flujo

Velocidad del flujocercana a cero en elcontacto con la

pared del hoyo

Formacin


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4.4 Etapa 4

Flujo LaminarAnular

Sarta

de

Perforacin

Formacin

Perfil del Flujo enforma de bala

(mayores velocidadesen el centro de lacorriente)

Velocidad del flujocercana a cero en elcontacto con la pareddel hoyo


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4.5 Etapa 5

Transicin (Laminar a Turbulento)

Anular

Sarta

de

Perforacin

Formacin

Las velocidades deFlujo en los bordesse aproximan a lasdel centro de lacorriente

El Flujo ejerceenerga en el

contacto con lapared del hoyo


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4.6 Etapa 6

Flujo Turbulento

Sarta

de

Perforacin

AnularAnular

Formacin

El Flujo asume un perfilsemiplano

Desarrollo total decorrientes en forma de

remolino

El Fluido erosiona lapared del hoyo

Excesivas prdidas depresin por friccin


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4.7 Numero de Reynolds

Indica la transicin de Flujo -Laminar a Turbulento y suscorrespondientes estados intermedios.

Dependiente de:

Densidad del Lodo Geometra del Hoyo Tasa de Flujo

Viscosidad del Fluido


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4.8 Calculo del Nmero de Reynolds

Donde:

D = Dimetro Hidrulico - inchV = Velocidad del Flujo - ft/secMW = Densidad del Lodo - LPGu = PV - cp

RN =15.46 D*Vp (MW)

m


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4.9 Parmetros numricos segn Reynolds

< 2100 Laminar2100 - 4100 Transicional> 4100 Turbulento

Normalmente asumimos Flujo turbulento cuando el

Numero de Reynolds > 2100

La velocidad de flujo a la cual el nmero de Reynoldsindica Flujo Turbulento es llamada Velocidad Crtica


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5. Modelos Reolgicos

Describen la relacin entre el esfuerzo de corte(ShearStress)y la velocidad de corte(Shear Rate)

en un fluido de perforacin.

Requiere medidas de esfuerzo de corte (shear stress) ados o ms velocidades de corte (shear rates) paradefinir la curva.Categoras de los Fluidos

Fluidos Newtonianos Fluidos No Newtonianos


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5.1 Fluidos Newtonianos

Donde el esfuerzo de corte (shear stress) es directamenteproporcional a la velocidad de corte (shear rate)

Fluidos Simples Agua, glicerina y aceite liviano

Presentan la misma viscosidad a

cualquiervelocidad de corte (shear rate)


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5.2 Fluidos No Newtonianos

La relacin entre el esfuerzo de corte (shear stress) y velocidadde corte (shear rate) es ms compleja

Caracterstica de la mayora de los fluidos de perforacin ylechadas de cemento

Corte de adelgazamiento (Shear Thinning) - el esfuerzo de corteincrementa en una proporcin ms baja que la velocidad decorte (el incremento no es proporcionalmente lineal)

En el Flujo laminar el fluido es ms delgado a altas velocidadesde corte que a bajas velocidades de corte


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5.3 Grafica de Modelos Reolgicos (SS vs. SR)

Esfuerzo

deCorte(ShearStress)


Newtonianos

No Newtonianos

Velocidad de Corte vs. Esfuerzo de Corte


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5.4 Grafica de Modelos Reolgicos (YP vs. SR)

Velocidad de Corte vs. Viscosidad

Viscosidad


Newtonianos

No Newtonianos


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6. Modelos de optimizacin de hidrulica

Modelo Plstico de BinghamEs una relacin lineal, la curva matemtica develocidad de corte vs. esfuerzo de corte se

ajusta a una lnea recta.

Basada en las lecturas del remetro de lodo a

dos velocidades de corte fijas: 300 rpm 600 rpm


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6.1 Grafica comparativa curva Bingham - Real

ShearStress

(q)

Shear Rate (RPM)

300 RPM 600 RPM

q600

q300

Yield Point de Bingham

y = m(x)+c


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6.2 Observaciones al modelo de Bingham:

- A Velocidades de corte menores de 300 RPM,algunos lodos varan de este modelo.

- El YP de Bingham es ms alto que el YPverdadero.

- El Modelo no representa con exactitud los fluidosde perforacin a bajas velocidades de corte.


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6.3 Ley de Potencia

La ley de Potencia esta definida por la relacin:

Esfuerzo de Corte = K(Velocidad de Corte)n

Donde: K = Constante de proporcionalidadn = Exponente de Flujo

Se ajusta mejor a la curva que BinghamLa curva de la Ley de Potencia siemprecomienza de el origen (YP = 0)menor que el yield point verdadero


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6.4 Grafica comparativa curva LDP - Real

ShearStress

(q)

Shear Rate (RPM)

q = K(RPM)n

Real


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6.5 Ley de potencia Modificada

Herschel-Buckley (Modificaron la Ley dePotencia)

Mejor modelo para un Fluido en movimiento Incluye el valor del gel strength diferente a cero.

* El calculo de los coeficientes de la ley de potencia incluyen el valor del Gelstrength relacionado con los valores de VP y YP


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6.6 Comparacin grafica de los Modelos Hidrulicos

Comparacin grafica de los Modelos Hidrulicos

ShearStress

(q)

Shear Rate (RPM)

Fluido Newtoniano

Ley de Potencia

Bingham

Fluido Tpico de perforacin


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6.7 Modelo Emprico

Artculo de la SPE (#3530) de 1991 A New PracticalApproach to Rotary Drilling Hydraulics de Kenneth F.Scott.

Se registran las Tasas de Flujo y las Presiones debombeo del trepano a varias Tasas de Flujo.

Se grfica en un papel de escala logartmica paradeterminar la funcin de la curva de prdida depresin.


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7. Diseo del sistema hidrulico

Objetivo: Determinar el tamao de las Boquillas y laTasa de Flujo adecuada para obtener el minimo gastode potencia y maxima fuerza de impacto del trepanorelacionado con la limpieza el hoyo, dentro de la

capacidad del equipo de bombeo.1. Max. Presin de Bombeo (Pmax)2. Tasa de Flujo Min. y Max.3. Potencia Hidrulica disponible

4. Densidad del Lodo5. Consideraciones de herramientasespeciales como MWD, etc.6. Tasa de Flujo Fija7. TFA fijo

Limitaciones:


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7.1 Parmetros Hidrulicos del trepano

Tasa de Flujo (Q) = (Pump Stks x Output/stk)

Pbit = (MWt. x Q2)/(10858 x TFA2)Potencia Hidrulica (HHPbit) = (Pbit x Q)/(1714)Hhp/sq.in. (HSI) = (HHPbit)/(.7854 x D2)

Velocidad en las Boquillas (JV) = (0.32086 x Q)/(TFA)

Fuerza de Impacto (IF) = (JV)x(MWt.)x(Q)x(.000516)

MW = Densidad del Lodo TFA= Area de Flujo Total - Boquillas

D= Dimetro del trepano


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7.2 Tasa de flujo

Se recomienda mantener flujo 25 a 80 GPM por pulgada deldimetro del trepano Extremos:

Muy baja = trepano embotado / pobre limpieza del hoyo Muy alta = alto ECD / Hoyo y tubera lavados (washouts)

Rango deROP GPM / pulg. del diam. de la broca 5 to 10 ft/hr - 25 to 39 10 to 15 ft/hr - 35 to 49

15 to 25 ft/hr - 38 to 50 25 to 50 ft/hr - 40 to 60 > 50 ft/hr - 50 to 80


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7.3 Curvas de perforabilidad Hidrulica

Q1 - Muy Blanda

Q2 - Blanda

Q3 - Media

Q4 - Media-Dura

Q5 - Dura

Q6 Muy Dura


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7.4 Perdida de Presin en la Broca

Diseo Hidrulico para 50% a 65% de Perdida dePresin a travs de la Broca

Puede variar de acuerdo a la Tasa de Flujo requerida 35% a 50% de Prdida de Presin en la Sarta de

Perforacin y el Anular Optimizacin por Fuerza de Impacto (~50%) Optimizacin por Potencia Hidrulica (~65%)


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7.5 Optimizacin de la hidrulica del trepano

Se optimiza para obtener una cada de presin en la broca de ~50% de la presin total de bombeo Usualmente se hace en hoyos

Someros / dimetros grandes,

Formaciones muy blandas,

Con altas ROPs

Se recomienda tambin maximizar la fuerza de impacto conaltas Tasas de flujos y tamaos de Boquillas grandes ayuda a

aliviar el embotamiento de la Brocaen Formaciones Reactivas.


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7.6 Arreglo de las Boquillas en las Brocas PDC

Una configuracin adecuada de las Boquillas facilita larpida evacuacin de los cortes.

Previene que los cortes se vayan hacia zonas derecirculacin del lodo.

Maximiza la velocidad del fluido a lo largo de los canalesde evacuacin de cortes.

La correcta orientacin y tamao de las Boquillasmejoran el ROP y la limpieza del hoyo.


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7.7 Reglas en la configuracin de Boquillas en PDC

En lo posible, siempre coloque Boquillas del mismotamao (arreglo simtrico).

Si usa boquillas de diferente dimetro, siempreasegurese de que la mxima diferencia en tamaoscorresponda a la combinacin de tamaos de boquillaspermitidos(ver tabla).

Coloque las Boquillas deMAYORdimetroen elCENTROde la broca.


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7.8 Combinacin de tamaos de Boquillas

Menor tamao deBoquillas en la Broca 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18

Combinaciones de tamaospermitidos 8 9 10, 11 11, 12 12, 13 13, 14 14, 15 15, 16 16, 18 18 20, 22


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7.9 Comparacin de la Velocidad del Fluido

0 60 120 180 240

Velocidad del Fluido (ft/sec)

7 Bit

260 gpm10 ppg lodoBoquillas: 12/32

Boquillas Estandar Boquillas Mini-Extendidas


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7.10 Estudio de Comparacin del Flujo

7 11 Reglas para la configuracin de Boquillas


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7.11 Reglas para la configuracin de Boquillasen las Brocas Tricnicas

20% o menos del Flujo a travs de la boquilla central (En hoyosgrandes, formaciones blandas y altas ROPs, incremente hasta25% con Boquillas Difusoras).

Boquillas de diferentes dimetros crean Flujo Asimtrico(conveniente).

Use diferentes combinaciones de tipos de Boquillas (2 minis +1 estandar) para crear flujo asimtrico con el mismo tamao deBoquillas.

(1) Boquilla tapada o ciega genera Flujo Cruzado. (Tape laBoquilla opuesta al cono con menor nmero de insertos en lahilera del calibre.


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9. Ejemplo practico


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9.1 Resolucin analtica: Resultados


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9.2 Resolucin mediante Software I


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9.3 Resolucin mediante Software White Tower


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9.3 Otros paquetes..


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10. Bibliografa

Drilling Engineering WorkbookBaker Hugues INTEQHouston TX, USA2005

Standard Handbook of Petroleum and Gas EngineeringGulf professional publishingOxford, UK2005

Formulas and Calculations for Drilling, Production and WorkoverGulf professional publishingBurlinghtown MA, USA2002

Introduction to Drilling HydraulicsSmiths bits Co.South Hampshire, UK2001

Manual PEMEX para el Perforador y AyudantePEMEXCiudad de Mexico2000


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Gracias por su atencin

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