Limpieza de pozo

CAPACIDAD DE ACARREO DE LODOS DE PERFORACIÓN

LIMPIEZA DE POZO

SPE-951111-G-P REV: A

Traducc-Gabriel CIRVINI

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CAPACIDAD DE ACARREO DE LODOS DE PERFORACIO N

La tendencia hacia la perforación más profunda, junto con el aumento de los requisitos de energía para la

circulación del fluido de perforación, ha hecho hincapié en la necesidad de un examen crítico de los

factores que afectan a la eliminación de recortes del pozo por el lodo. La capacidad de los fluidos de

perforación para levantar los recortes se llama capacidad de acarreo.

Una serie de experimentos de laboratorio y de campo se ha llevado a cabo para determinar la velocidad

anular mínima necesaria para remover los recortes, y para investigar los efectos de las propiedades de los

fluidos de perforación y su capacidad de acarreo. La evaluación de los resultados de estos experimentos

condujo a las siguientes conclusiones:

1. El flujo turbulento en el espacio anular del pozo es más deseable desde el punto de vista de remoción

de cuttings.

2. Baja viscosidad y bajas resistencias de gel son ventajosas en la eliminación recortes(cuttings).

3. Aumento de la densidad del lodo provoca aumento de capacidad de acarreo.

4. La capacidad de acarreo es mayor cuando se hace girar la sarta que cuando permanece quieta.

5. Si el flujo turbulento se puede mantener, una velocidad anular ligeramente superior a la velocidad de

deslizamiento (slip) de los recortes más grandes a ser removidos es suficiente para mantener el pozo

limpio. Esto implica velocidades de 100 a 125 pies por minuto, en lugar de los actualmente 175 a 225 pies

por minuto utilizados.

INTRODUCCIÓN Ahorro de energía mediante la reducción de velocidades anulares

Una gran parte de la potencia consumida en las operaciones de perforación se consume en la circulación

del fluido de perforación. Un importante factor para establecer la velocidad de circulación de lodo es la

mínima velocidad en el espacio anular necesaria para sacar los recortes.

Empíricamente, se ha encontrado que velocidades anulares de lodo promedio de unos 200 pies por

minuto quitan los recortes.

No se sabe con certeza, si las velocidades anulares de 200 pies por minuto son justo el límite inferior

necesario para quitar los recortes, o si tales velocidades podrían reducirse sustancialmente sin sacrificio

de la capacidad de acarreo del lodo para eliminar los recortes. Es evidente que si las velocidades anulares

se redujeran sin afectar el acarreo de cuttings, un considerable ahorro de energía tendría lugar.


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Necesidad de Investigación sobre la Capacidad de Acarreo

La capacidad de un fluido de perforación para transportar los recortes se denomina capacidad de acarreo.

Aunque se ha reconocido que la capacidad de acarreo de un lodo se ve afectada por las propiedades del

mismo tales como la viscosidad y la densidad, la industria ha ensayado el impacto de estos parámetros en

la capacidad de acarreo.

La importancia económica del problema de acarreo y la escasez de información sobre el tema ha

evidenciado la necesidad de investigación.

LOS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE ACARREO

Determinación Cualitativa de los Factores

El mecanismo de transporte de cuttings está estrechamente relacionado con el proceso de separación de

materiales por decantación. Un considerable número de investigaciones se ha hecho en torno a

problemas de decantación, y las discusiones de la teoría de la sedimentación se pueden encontrar en

bibliografía estándar. Evaluación de la información disponible de estas fuentes, junto con la consideración

del mecanismo de acarreo de cutting conduce a la conclusión que los factores que afectan a la capacidad

de carga (acarreo) son las dimensiones del sistema, las propiedades físicas de los recortes, y las

propiedades físicas del fluido de perforación.

Dimensiones del Sistema y su Efecto

Las dimensiones del sistema de circulación de mayor importancia en la capacidad de acarreo son el

tamaño del trépano, tamaño de la sarta de perforación, y la capacidad de bombeo. Estas dimensiones

determinan la velocidad anular de fluido de perforación.

Propiedades Físicas y sus Efectos

Las propiedades físicas que intervienen en la interacción entre el lodo y los recortes son la densidad y la

forma de los recortes y la densidad, viscosidad y resistencia de geles del fluido de perforación. El efecto

de la densidad sobre la capacidad de carga es bastante obvio; diferencia de alta densidad entre recortes y

fluido resulta en una fuerza de flotación baja y por lo tanto disminuye la capacidad de acarreo. El efecto

de la forma de los recortes es menos evidente. Aunque la velocidad de la caída a través de fluidos

newtonianos en reposo para partículas de formas regulares puede ser calculada a partir de ecuaciones

conocidas, hay poca información disponible en cuanto a formas irregulares cayendo en los fluidos NO

newtonianos, tales como el del lodo de perforación.

Las características no newtonianas de la mayoría de los fluidos de perforación complican severamente la

predicción del efecto de la viscosidad, medida normalmente como la capacidad de carga del fluido. Si el

razonamiento de la hidrodinámica fuera aplicable, sería de esperar que mayores viscosidades resulten en

menores velocidades de decantación y, por tanto, en una mayor capacidad de acarreo.

El efecto de la fuerza de gel en la capacidad de carga ha recibido poca atención en la literatura.


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Determinación experimental de los Factores

En la realización de experimentos diseñados para recavar información en la capacidad de carga, se hizo un

intento para determinar la velocidad mínima anular suficiente para quitar los recortes, para obtener la

correlación entre las propiedades medibles del lodo y la capacidad de carga, y para poner a prueba la

validez de varias ecuaciones aplicadas al deslizamiento de las partículas sólidas en fluidos. Los

experimentos se llevaron a cabo en dos fases distintas; una de campo y otra de laboratorio.

EXPERIMENTOS DE CAMPO

Equipos y Materiales

La fase de campo de los experimentos se llevó a cabo en un pozo experimental de 500-pies en Pierce

Junction, Texas. El pozo fue entubado hasta el fondo con un casing de 7” y conectado en el fondo para

poder circular. El diseño inicial no incluía disposiciones para rotación de la tubería de perforación, ni

tampoco se buscó centrar la tubería en el casing. Inicialmente se utilizó una tubería de 2,5” para simular

la sarta de perforación. Guías de centrado se instalaron más tarde en el tubo interno para evitar la

canalización del lodo. Posteriormente, los tubos de 2,5” se retiraron, introduciéndose en su lugar una

tubería de perforación de 2 7/8”, la cual pendía suspendida desde la mesa rotary para permitir efectuar el

ensayo aplicando rotación a la “barra de

sondeo”.

Se adoptaron disposiciones para la inserción

de recortes simulados en la tubería de

perforación y para la recuperación de los

mismos en superficie. Las partículas usadas

para simular recortes eran esferas de vidrio,

chips de cerámica y discos de aluminio.

Esferas de cristal y chips de cerámica fueron

insatisfactorios debido a su fragilidad, por lo

que la mayoría de los ensayos se realizaron

con tres tamaños de discos de aluminio que

fueron martillados ligeramente para darles

una forma similar a recortes reales. Estos tres

tamaños de discos serán llamados como

pequeños, medios, y grandes. El tipo de

partículas utilizados y sus características se

dan en la Tabla I.


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Tabla I-Propiedades de Partículas Usadas para Simular Cuttings (Experimento de Campo)

Tipo de Particula Material Diametro Espesor Densidad

Notas in. in. ppg

Esfera Vidrio 1.00 21,25 Todos los discos fueron martillados para poner

asperas sus superficies y darles forma similar a recortes de cutting.

Varias formas y espesores equivaentes a los regortes generados

por el trépano.

Esfera Vidrio 0.73 21,25





Disco*1 Aluminio 0.750 0.250 22,46

Disco*2 Aluminio 0.750 0.125 22,46

Disco Aluminio 0.625 0.125 22,46



Disco*3 Aluminio 0.500 0.125 22,46

Chips de Cerámica Ceramica Rota 20,05-21,38 *Estos tres tamaños de discos fueron utilizados para obtener la mayor parte de la información

1-Discos Grandes o Partículas Grandes

2-Discos o Partículas Medianas

3-Discos o Partículas Pequeñas

Veintitrés fluidos se ensayaron como medios de transporte. Las densidades de los fluidos variaron de 8,33

ppg (agua) a 14,8 ppg; viscosidades variaron de 1 a 200 centipoises; y geles iniciales oscilaron de 0 a 90

gramos Stormer. Las propiedades de algunos de los fluidos se enumeran en la Tabla II.

Tabla II - Propiedades de Lodos usados en experimentos de Campo

Viscosidad

Marsh Tensión de Gel Inicial

Densidad del Lodo

Notas Lodo Nº.

Funnel Stormer

Sec cps @ 600 rpm gms - Stormer ppg

7 41 23 3 10.4 8 63 56 35 10.4 9 72 65 40 10.4 Mismo lodo que muestra 8 pero 1 día más viejo.

10 107 97 90 12.3 11 67 88 6 12.5 Tratado con Fosfato. 12 99 144 6 14.8 Tratado con Fosfato. 13 255 >200 (570gms) 12 14.8 Muy Grueso. Tratado con Fosfato. 14 49 34 2 12.3 Tratado con Fosfato. 15 70 83 3 12.2 Tratado con Fosfato. 16 111 138 10 12.3 Tratado con Fosfato. 17 31 4 2- 9.4 Lodo de Campo de Bassett-Blakely C-3, Danbury Field, Jan. 3, 1949 18 37 23 36 9.6 Arcilla El Paso añadida a lodo No. 17- (15 Ib arcilla por bbl de lodo Nº 17). 19 34 10 2- 9.6 Lodo Nº 18 después del tratamiento 50-50 solución cáustica-quebracho. 21 28 1 0 8.33 Agua. 22 44 30 2- 12.4 Lodo de campo Liverpool Gas Unit No.1, Danbury Field, Jan. 21, 1949. 23 35 11 0 12.4 to 11.6 Lodo No. 22 disuelto con agua y luego densificado con Barita (Baritina). 24 41 13.5 0 9.4 jarabe espeso, obtenido a partir de azúcar en bruto durante el proceso de refinación.

Procedimiento

El procedimiento general seguido en Pierce Junction fue insertar un número dado de recortes simulados

en la tubería de perforación y bombearlos lentamente a la parte inferior. Cuando los cuttings llegaban al

fondo, se establecía la tasa de circulación deseada, y se anotaba el tiempo y número de recortes


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recuperados. Cada fluido diferente se sometió al mismo procedimiento. Cuando las corridas se realizaron

con rotación de tubería de perforación, se estableció una velocidad fija de 110 rpm y una velocidad de

circulación fija. La velocidad de circulación reportada es el promedio a través de la sección anular

transversal, obtenida dividiendo el desplazamiento volumétrico de la bomba por el área de la sección

transversal del anular.

RESULTADOS Evaluación de los Datos

Los datos obtenidos en Pierce Junction se representaron como recuperación de partícula vs tiempo de

circulación. La recuperación de partículas se expresó como el porcentaje de partículas recuperado en la

superficie, basado en el número añadido. Las pendientes de las curvas de recuperación-tiempo son una

indicación de la capacidad del fluido para levantar los recortes (acarreo); pendientes pronunciadas, es

decir, alto cociente porcentaje/tiempo, indican alta capacidad de acarreo, mientras que las pendientes

graduales indican baja capacidad de acarreo.

Efectos de la Rotación de las Barras de Sondeo en el Acarreo

En las pruebas iniciales en Pierce Junction, antes de centrar o rotar la tubería, porcentajes muy bajos de

pequeñas esferas y partículas planas fueron devueltos a la superficie. Debido a que la misma prueba

efectuada con agua demostró una superior capacidad de acarreo se concluyó que las partículas se

perdieron en el pozo por efecto de la canalización del espacio anular y posterior estancamiento en las

secciones gelificadas, cosa que no sucedió con el agua.

Posteriormente cuando se centró la barra de sondeo y se repitió el ensayo, se observó un incremento en

la cantidad de recortes recuperados, y luego al efectuar el ensayo agregando la rotación fue aún mayor el

incremento en la cantidad de cutting recuperado.

Aunque la rotación de las barras de sondeo es normal en la perforación de pozos, su importancia en la

remoción de cutting debe ser tenida muy en cuenta.

La curva de porcentaje de recuperación en función del tiempo de circulación dado en la Fig. 1 es una

excelente ilustración del efecto de la tubería de perforación en rotación. Durante los períodos sin

rotación, casi ninguna partícula apareció en superficie. Durante la rotación, las partículas fueron

eliminadas rápidamente del pozo. Este efecto fue más pronunciado en lodos de alta viscosidad y alta

resistencia del gel. Variación de la velocidad de rotación de aproximadamente 35 a 150 rpm no produjo

un cambio apreciable en la recuperación de partículas. Curvas mostradas en las Figs. 2, 3 y 4 se

obtuvieron con la tubería de perforación rotando a 110 rpm. Al parecer, las velocidades de rotación

normales de perforación de pozos son suficientes para tomar ventaja de este efecto.

Efecto de la Densidad

El aumento de la densidad de un fluido mientras se mantienen sus otras propiedades lo más constante

posible resultaron en un aumento de la capacidad de carga. Esto se ilustra en la Fig. 2.


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Efectos de la Viscosidad y el Gel

Al llevar a cabo los experimentos en Pierce

Junction, numerosos intentos se hicieron

para correlacionar la resistencia del gel y la

viscosidad con la capacidad de acarreo del

lodo. Estos esfuerzos fracasaron al no

encontrar ninguna correlación definida

entre viscosidades y resistencias de gel,

(medidas por los viscosímetros embudo

Stormer o Marsh) y la capacidad del fluido

para levantar recortes del pozo. Sin

embargo, se observaron algunas relaciones

generales.

Antes de que los efectos de viscosidad y

resistencia de gel sean discutidos, debería

aclararse que la viscosidad y la resistencia

de gel tal como se miden por los

instrumentos utilizados en perforación no

son fácilmente separables. Por ejemplo, un

lodo con alta resistencia de gel será en

general bastante viscoso, pero lo contrario

no es necesariamente cierto. Una alta

viscosidad de lodo tendrá alta resistencia

del gel, si su viscosidad es debido a las

arcillas altamente dispersas, pero tendrá

poca o ninguna resistencia de gel si la

viscosidad es causada por un alto

contenido de sólidos relativamente

inertes. Por estas razones, los lodos aquí

discutidos generalmente serán tratados

como lodos de alta viscosidad y alta

resistencia de gel y lodos de baja viscosidad y baja resistencia de gel. Para los propósitos de esta

discusión, alta resistencia de gel se considerará seis gramos de gel inicial sobre el viscosímetro Stormer o

más, y alta viscosidad más de 15 centipoises a 600 rpm Stormer. Estos valores, sin embargo, no pueden

considerarse representativos de propiedades físicas exactas de los fluidos.


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En general, se encontró que los fluidos de

baja viscosidad- bajo gel fueron superiores a

fluidos de alta viscosidad-alto gel en la

eliminación de recortes. Este punto está

bien ilustrado por los datos presentados en

las Figs. 3 y 4. Las curvas muestran que no

sólo los fluidos de baja viscosidad-bajo gel

pudieron llevar los recortes a la superficie

con mayor rapidez que los fluidos de alta

viscosidad-alto gel, sino que también

acarrearon a superficie porcentajes más

grandes de partículas a tasas más bajas de la

circulación. Una excepción a esto puede

observarse en la Fig. 3, donde la alta

viscosidad-alto gel del lodo devuelve un

porcentaje mayor de las partículas de gran

tamaño. Sin embargo, este lodo no logró

eliminar eficazmente las partículas más

pequeñas. La alta capacidad de acarreo del

lodo de baja viscosidad-bajo gel es

particularmente notable en la limpieza de

partículas de tamaño mediano, las cuales

representan particularmente el tamaño de

los recortes que genera el trépano.

Lodos de baja viscosidad-bajo gel se parecen

mucho a fluidos Newtonianos en su

comportamiento, y el comportamiento de

las partículas sólidas en ellas se puede

calcular con cierto grado de exactitud

utilizando ecuaciones ordinarias de

velocidad de deslizamiento. La velocidad a la

que un recorte se limpia del pozo es, por

supuesto, la diferencia entre la velocidad

anular del fluido y la velocidad de

deslizamiento de la partícula.

Las ecuaciones de la velocidad de

deslizamiento no se pueden utilizar con

ninguna expectativa de buenos resultados si

el fluido es muy viscoso y tiene alta

resistencia de gel. Este hecho se ilustra en la


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parte inferior de la Fig. 3. Las partículas grandes aparecieron en la superficie primero, mientras que los

cálculos de velocidad de deslizamiento indican que deberían aparecer por último tal como lo hicieron

cuando se utilizó un fluido poco viscoso y sin resistencia de gel como el agua. Este efecto de orden inverso

no pudo explicarse en base a la información recabada en Pierce Junction.

Otro fenómeno de interés difícil de explicar sobre la base de ecuaciones de velocidad de deslizamiento

fue encontrado cuando se circuló en el pozo lodo de alta viscosidad-alto gel, ya que las primeras

partículas devueltas a la superficie viajaron a velocidades más altas que la velocidad promedio del lodo.

Este efecto se asumió fue causa de una distribución de velocidades presentes en el anular, una suposición

que fue posteriormente verificada en la fase de laboratorio del experimento.

Posibilidad de Reducción de Velocidad Anular

Figs. 2, 3 y 4 muestran que velocidades de lodo

mucho menores a 200 ft/min, fueron

suficientes para quitar los recortes del pozo en

Pierce Junction. Cuando el agua circulaba a 124

ft/min, las partículas más lentas salieron

aproximadamente a 10 ft/min.

Estos datos indican que puede ser posible

efectuar una reducción apreciable en las

velocidades del flujo anular actualmente

utilizadas en campo y aun así mantener una

eficiente eliminación de recortes.

EXPERIMENTOS EN

LABORATORIO

Ciertos fenómenos observados en Pierce

Junction no podían explicarse sobre la base de

consideraciones teóricas, por lo cual se inició

una investigación de las fuerzas primordiales

que actúan sobre las partículas en el acarreo a

superficie. Dicha información como también

los efectos de la distribución de la velocidad en

el transporte de partículas, la ubicación de las

partículas durante el acarreo (parte preferida

del anillo), el comportamiento de las partículas

durante el transporte, el efecto de rotación de

la tubería de perforación en el acarreo de


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partículas, la distribución de velocidades en los fluidos no newtonianos, y numerosos otros hechos eran

necesarios para completar el proyecto.

Equipos y Materiales

Para obtener la información indicada más arriba, se construyó un laboratorio modelando el espacio

anular del pozo. El espacio anular fue el espacio entre una columna exterior transparente y el tubo

central. La columna transparente fue de 5 pies de largo y tenía un diámetro interior de 4 pulgadas. El tubo

central tenía un diámetro exterior de 1 pulgada.

El equipo fue diseñado de manera que la rotación de la tubería de perforación pudiera simularse, y la

distribución de viscosidad/velocidad y tipo de flujo pudieran observarse. De esta manera podían verse las

partículas durante el acarreo.

Fluidos utilizados en este aparato incluían agua, glicerina y una suspensión de bentonita. La suspensión de

bentonita era un fluido transparente que poseía tixotropía y resistencia de gel similares a las que

presentan la mayoría de los fluidos de perforación. Las partículas usadas para simular recortes en el

aparato de laboratorio incluían esferas de vidrio, esferas de aluminio, discos de aluminio, y algunos

recortes reales de cutting. Las propiedades de las partículas se dan en la Tabla III. Los discos de aluminio

incluyeron los mismos tres tamaños como los utilizados en la fase experimental de Pierce Junction. Estos

discos no fueron golpeados, ya que pruebas realizadas no mostraron ninguna diferencia esencial entre el

rendimiento de estos discos y las partículas utilizadas en Pierce Junction.

Procedimiento

El procedimiento seguido fue establecer un caudal suficiente para levantar la partícula a estudiar, insertar

la partícula en la columna y hacer la observación visual o fotográfica de la partícula mientras era

transportada por el espacio anular. Las distribuciones de velocidades de flujo se obtuvieron mediante la

inyección de tintas a través de diez agujas separadas radialmente en la base de la columna y midiendo el

tiempo de desplazamiento del colorante en una distancia especificada a través de la columna. Se hicieron

registros de video grabando el comportamiento de las diversas partículas durante el transporte en el

espacio anular.

RESULTADOS Validez de las Ecuaciones de Velocidad de Deslizamiento Aplicado al Transporte de Partículas en un

Espacio Anular.

La investigación inicial sobre los datos relevados de velocidades de deslizamiento en esferas de cristal,

esferas de aluminio, y discos de aluminio indicaron que existió considerable desviación entre las

velocidades de deslizamiento medidas en fluidos en reposo y aquellas medidas al suspender una partícula

en un espacio anular y ajustar la velocidad de flujo. Se encontró que cuando el líquido en la columna

estaba fluyendo en régimen turbulento una ecuación empírica podría ser utilizada para predecir la

velocidad de deslizamiento de una partícula transportada. Esta ecuación (aplicable sólo a flujo turbulento)


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hace correcciones para las dimensiones finitas del espacio anular y por lo tanto realmente corrige para

distribuciones de velocidad en el flujo turbulento.

Dd

VcVs

1

Vs: Velocidad de Deslizamiento (Slip Velocity)

d: Diámetro de la partícula

D: Diámetro equivalente del anular (4 veces el radio hidráulico)

f

fpgd

d

tVc

)(35,1

para la caída plana de un disco

f

fpgd

d

tVc

)(18

para la caída de canto de un disco

f

fpgdVc

)(74,1

para esferas

g: Fuerza de Gravedad

ρf: Densidad del fluido

ρp: Densidad de la partícula

Una comparación de las velocidades calculadas a partir de esta ecuación con las observadas en el

experimento se muestra en la Tabla III. Un intento de obtener el mismo tipo de corrección para las

partículas transportadas en un fluido viscoso (glicerina) no obtuvo resultados satisfactorios para las

partículas planas, principalmente porque la distribución de velocidades en flujo laminar (o flujo viscoso)

ejerce un par de giro en tales partículas. El efecto de giro ejercido por el fluido les provocaba una fuerza

que las ponía de canto conforme se acercaban a las paredes del pozo, por lo que sus velocidades de

deslizamiento cambiaban continuamente hasta que alcanzaban las paredes.

Distribuciones de Velocidad en Flujos Laminares y Turbulentos y Sus Efectos Sobre la Capacidad de

Acarreo

Durante mucho tiempo se ha sabido que dos tipos de flujo se pueden encontrar en el movimiento de

fluidos. Debido a la naturaleza de los flujos, se han clasificado como laminar y turbulento

respectivamente. En el flujo turbulento los elementos de fluido se mueven en innumerables remolinos,

llamados "giros o turbs". En flujo laminar los elementos de fluido fluyen siguiendo las líneas de corriente.

La distribución de las velocidades de punto a través del anular en los dos tipos de flujo es claramente

diferente. Esta diferencia se ilustra en la Fig. 6. Las velocidades puntuales en flujo turbulento representan

un vector promedio estadístico de todas las velocidades de los elementos del fluido. El fluido presenta

vectores de velocidad que están en una sola dirección solamente cuando el fluido está en flujo laminar;

por lo tanto las velocidades de punto son las velocidades unidireccionales de elementos que componen la

línea de corriente en ese punto.


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El comportamiento de las partículas

(discos de aluminio) en los dos tipos

de flujo no es igual. Bajo condiciones

de flujo turbulento, cuando se usó

agua como fluido de transporte, los

discos fueron transportados en orden

pequeño, mediano, grande, sin

tendencia a ponerse de canto o a

posicionarse contra las paredes.

Mientras eran acarreados, todos los

discos exhibieron un balanceo o

movimiento oscilatorio característico

de una hoja que cae en el aire. La Fig.

7 representa el acarreo de los discos

en una distribución turbulenta con el

tubo central quieto sin rotación.

Bajo condiciones de flujo laminar,

cuando se utilizó glicerina como fluido

de transporte, el comportamiento de

los discos dependió de sus

dimensiones. El disco grande se

trasladó de manera ascendente por el espacio anular sin tendencia aparente a girarse en el borde o

trasladarse a las paredes. El disco medio se giró de canto ya sea contra el tubo central o la pared exterior,

donde cayó una distancia considerable de costado antes de levantarse de nuevo. El disco pequeño se giró

de canto en el borde ya sea contra la pared exterior o el tubo central, donde cayó solo una distancia muy

corta, luego se levantó de nuevo. En algunos casos los discos medianos y pequeños quedaron contra las

paredes y no pudieron ser removidos sin aumentar considerablemente la velocidad del fluido. Las Figs. 8,

9 y 10 ilustran el comportamiento de los tres discos acarreados por glicerina en flujo laminar con el tubo

central quieto.

Las partículas son transportadas de manera más eficiente y la capacidad de acarreo es mayor cuando las

partículas poseen una mayor superficie perpendicular a la dirección de transporte. Esta es la posición

normal de caída. Un disco que cae en deslizamiento viscoso cae 1,5 veces más rápido de canto de lo que

lo hace en la posición normal; en deslizamiento turbulento el factor es 13. Se debe observar que es

posible para una partícula caer en deslizamiento turbulento mientras que el fluido está en flujo laminar.

Por estas razones, es ventajoso mantener las partículas distanciadas de las paredes y planas dentro de la

corriente. Esto puede lograrse manteniendo la condición de flujo turbulento en el espacio anular.

(Laminar)


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Tabla III - Propiedades y Velocidades de Deslizamiento de las Partículas Utilizadas en los Experimentos de Laboratorio

Tipo de Densidad Diametro Espesor Vc Vo Vs

Partícula Material ppg in. in. d/D ft/min ft/min ft/min

Esfera Vidrio 21,7 0.940 0.313 210 148.5 160

Esfera Aluminio 23,2 0.753 0.251 198.5 160.5 158.7

Esfera Vidrio 20,1 0.687 0.229 168.5 139.0 137.0

Esfera Acero-Niquel 73,9 0.187 0.0624 208.0 179.0 195.7

Esfera Bronce 71,1 0.312 0.104 262.0 225.0 237.0

Esfera Acero 63,2 0.281 0.0937 233.0 201.0 213.0

Esfera Aluminio 22,8 0.187 0.0624 97.7 90.3 91.8

Disco Aluminio 22,4 0.625 0.126 0.209 61.2 47.6 50.7

Esfera Aluminio 23,5 0.875 0.292 216.3 170.0 167.3

Esfera Acero 64,8 0.156 0.052 176.0 164.0 167.0

Esfera Vidrio 20,6 0.173 0.0577 86.4 78.0 81.5

Disco Aluminio 22,3 0.630 0.067 0.210 44.9 40.5 37.1

Disco* Aluminio 22,5 0.750 0.250 0.250 86.5 71.0 69.2

Disco* Aluminio 22,5 0.750 0.125 0.250 61.5 45.0 49.1

Disco* Aluminio 22,5 0.500 0.125 0.167 61.0 4.3.0 52.3

*Estos tres tamaños de discos fueron utilizados para obtener la mayor parte de la información.

Vc: Velocidad de deslizamiento calculada a partir de ecuaciones convencionales de flujo turbulento Vo: Velocidad de deslizamiento observada en laboratorio bajo flujo turbulento y caída turbulenta d: Diámetro de la partícula

D: Diámetro equivalente del anular

Dd

VcVs

1

=Velocidad de deslizamiento calculada por la ecuación corrigiendo por distribución de velocidad y “efecto pared”

El Efecto de Rotación y su Relación con Capacidad de Acarreo.

El efecto de giro se ha mencionado anteriormente como la causa de los discos que se dan vuelta en el

borde, si se transportan por los fluidos con flujo laminar. En consideración de algunos conceptos

hidráulicos se puede explicar la causa del torque de giro ejercido sobre la partícula por el fluido.

El flujo laminar puede ser considerado como el movimiento del fluido en un grupo de cilindros

concéntricos de espesor infinitesimal; los cilindros a su vez se componen de líneas de corriente

individuales. Estas líneas de corriente pueden considerarse como canales de fluido individuales que no se

mezclan unos con otros. La fuerza ejercida sobre una placa perpendicular a un chorro de líquido está dada

por F proporcional a W.V / g, en la que F es la fuerza sobre la placa, W el peso del fluido golpeando la

placa por unidad de tiempo, V la velocidad del fluido, y g la fuerza de gravedad. Un aumento en la

velocidad aumenta la fuerza.

Referencia a la distribución de velocidades en flujo laminar se muestra en la Fig.11 donde se observa que

la velocidad aumenta desde cero en las paredes a un máximo cerca del centro de la corriente de flujo (la

velocidad máxima en el centro es 2 veces la velocidad promedio). Puesto que la fuerza ejercida por el

fluido sobre la partícula es directamente proporcional a la velocidad del fluido, la fuerza también aumenta

desde cero en las paredes hasta un máximo cerca del centro. Como se mencionó anteriormente, el

comportamiento natural para partículas planas que caen en un fluido estático es horizontal, es decir,


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su dimensión más grande es perpendicular a la dirección de caída. Este mismo comportamiento se

adoptaría en un fluido ascendente si no fuera por la distribución de velocidades generadas por las

dimensiones finitas del sistema. Una partícula

en la posición plana natural se proyecta entre

las regiones de diferentes velocidades. Como

se muestra en la Fig. 11, F4 es mayor que F2

porque V4 es mayor que V2. Un par de giro

sobre el centro de gravedad de la partícula

aparece por la acción de estas fuerzas

desiguales. Este par de torsión tiende a girar

la partícula hacia el exterior de la corriente de

flujo.

A medida que la partícula se va inclinando, la

componente de la fuerza FH se convierte

efectiva. La combinación de componentes de

par y fuerza empuja la partícula contra la

pared del borde. Después alcanzar una

posición de canto contra la pared, la partícula

comienza a deslizarse. Si el gradiente de

velocidad en el la pared es suficientemente

grande, la partícula será devuelta de regresó a

la corriente, repitiéndose el ciclo una y otra

vez. Una ilustración de este ciclo se da en la

Fig. 9. Si la partícula es delgada y las fuerzas

que la sostienen contra la pared son

suficientemente grandes, la partícula seguirá

deslizándose, o se pegará contra la pared.

Al analizar la distribución de la velocidad turbulenta en la Fig. 6 se observa que el efecto de torsión será

mucho menor en flujo turbulento que en flujo laminar. Sobre gran parte del anular, las diferencias en la

velocidad de flujo turbulento son relativamente pequeñas. Esto provoca una disminución

correspondiente en el la desigualdad de las fuerzas que causan el par de giro de las partículas. Además,

los remolinos existentes en la corriente tienden a evitar que las partículas se adhieran a las paredes. Dado

que el efecto de torsión disminuye la capacidad de acarreo, su minimización es deseable. Esto puede

conseguirse si mantenemos un flujo turbulento en el espacio anular.


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Relación entre el Espesor y Diámetro de las Partículas y su Efecto en la Capacidad de Acarreo

El hecho de que el comportamiento de los discos acarreados por un fluido laminar dependió de las

dimensiones de los discos, se impulsó una investigación para estudiar la respuesta al acarreo en función

de la forma de cada partícula. Se encontró que el comportamiento de los discos se podía predecir

bastante bien si su relación espesor/diámetro era conocida.

Se realizó una investigación de discos de aluminio de ¾ pulgadas y ½ pulgada de diámetro y de varios

espesores para determinar el valor crítico de relación espesor/diámetro por debajo del cual el efecto de

torque en una distribución laminar haría voltear de canto los discos. Se encontró que los discos

generalmente se volteaban si su relación espesor/diámetro era de menos de 0,3. Fue También

encontrado que la gama de tamaños de discos con relación espesor/diámetro mayor que

aproximadamente 0,8 se mantuvo continuamente de canto durante el acarreo. Este último punto es

comprensible si se recuerda que cuando se pasa un plano a través del centro de un disco o cilindro

paralelo al eje de disco y la relación de espesor a diámetro es mayor que 0,78, el área del plano

interceptado por el disco es mayor que el área de una cara circular. Como se mencionó anteriormente, las

partículas caen de manera que el área mayor es normal a la dirección de caída. Los resultados de la

investigación indican que los discos con relación espesor/diámetro que varía de 0,3 a aproximadamente

0,8 normalmente se transportan en posición horizontal.

Las partículas con relaciones espesor/diámetro inferior a 0,3 son difíciles de eliminar del pozo. Cuando

tales partículas se encuentran, la capacidad de acarreo del fluido de perforación con respecto a ellas

disminuye a menos que el fluido se mantenga en circulación turbulenta.

Efecto de Rotación de la Tubería en el Centro en la Capacidad de Acarreo

La rotación del tubo central aumentó la capacidad de acarreo en flujo laminar mediante la prevención de

que las partículas pequeñas y medianas resbalaran por la pared de la tubería central. Las fuerzas

centrífugas establecidas por la rotación lanzó los discos en las regiones de alta velocidad existente en el

centro del espacio anular del pozo donde fueron fácilmente transportadas. Fig. 12 ilustra el efecto de la

tubería central rotando durante el transporte de las partículas medianas. El efecto de la rotación no fue

tan pronunciado para los fluidos con flujo turbulento como lo fue para aquellos en flujo laminar.

Transporte de Recortes

Observaciones de recortes transportados en flujo laminar y turbulento demostró que los mismos

principios que se aplicaron a los discos también son aplicables a los recortes. La mayoría de los recortes se

giraron de canto y fueron forzados contra las paredes cuando el flujo fue laminar. Los recortes fueron

fácilmente transportados cuando el flujo fue turbulento. Aunque no se hizo ningún intento de determinar

los valores exactos de la relación espesor/diámetro para los recortes, las estimaciones de esta relación

indican que muy pocos de los recortes tuvieron proporciones espesor/diámetro mayores que el valor

crítico de 0.3. Esto se cree que es típico en la mayoría recortes generados por el trépano.


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CORRELACIÓN ENTRE RESULTADOS DE

LABORATORIO Y EL CAMPO

A la luz de la información obtenida en el laboratorio, los

resultados obtenidos en Pierce Junction pueden ser

comprendidos con mayor facilidad.

Transporte de Discos Medianos y Efecto de Orden

Inverso.

La dificultad que se encontró en el Pierce Junction en la

eliminación las partículas medianas del pozo fue causada

por su baja relación de espesor/diámetro (0.167), lo que

les provocó girar de canto. Una vez de canto se deslizaron

por el borde de modo que tuvieron que ser acarreadas

varias veces a través de la misma distancia. Que este

efecto fuera más notable en lodos de alta viscosidad era

de esperarse en vista del mayor momento de giro

ejercido a las partículas por tales lodos. Esto también

explica el llamado efecto orden inverso.

Dado que las partículas del medio tuvieron que ser

transportados a través de una distancia mayor que

cualquiera de las partículas grandes o pequeñas, era de

esperarse que alcanzaran la superficie en un tiempo

mayor. La razón espesor/diámetro de las partículas

pequeñas era 0,250; de la partícula grande 0.333. Debido

a la magnitud de estas proporciones, el momento de giro

ejercido sobre estas partículas por los lodos viscosos era

menor que el ejercido sobre las partículas medianas.

Debido a esto, las partículas grandes eran a menudo

eliminadas más fácilmente del pozo.

Efectividad de Rotación de la Sarta en el Acarreo de

Cuttings

La eficacia de rotación de la sarta de perforación en el

aumento de la capacidad de acarreo es causada en parte

por el hecho de que ayuda a crear turbulencia, y en parte

por el hecho de que ayuda a prevenir la existencia de


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estancamiento en bolsillos gelificados entre la sarta y la pared del pozo. Las fuerzas centrífugas

establecidas por la rotación también ayudar a aumentar la capacidad de carga debido que tienden a

proyectar las partículas lejos de la tubería en regiones de mayor velocidad, donde son transportadas más

fácilmente.

CONCLUSIONES

Las conclusiones alcanzadas a partir de la evaluación de la información obtenida en el laboratorio y en

Pierce Junction puede ser resumida en lo siguiente:

1. El flujo turbulento en el espacio anular del pozo es más deseable desde el punto de vista de la

eliminación de recortes.

2. Baja viscosidad y baja resistencia de gel son ventajosos en la eliminación de recortes.

3. Aumento de la densidad del lodo es eficaz en el aumento de capacidad de acarreo de cuttings.

4. La rotación de la sarta de perforación aumenta la capacidad de acarreo.

5. Si el flujo turbulento se puede mantener, una velocidad anular ligeramente mayor que la velocidad de

deslizamiento de los recortes más grandes a ser acarreados debería mantener el pozo limpio. Esto implica

velocidades de 100 a 125 pies por minuto, en lugar de la actualmente utilizada de 175 a 225 pies por

minuto.

Limpieza de pozo

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