Cálculos de Hidraulica en Mechas de Perforación: TFA, HSI

Mechas e Hidráulica aplicada para las Mismas

La Mecha de perforación, también conocida como Broca y Trépano en otros lugares de Latinoamerica, constituye la herramienta de corte en la punta del ensamblaje de fondo con el que se perforan los pozos petroleros. Su selección dependerá de ese tipo de formación a penetrar en sus distintas fases, tal que la misma pueda atravesarlas en el mejor tiempo posible, garantizando la optimización de su velocidad de penetración (ROP). Formaciones mas compresibles requieren del uso de mechas con mejor mecanismo de corte.


TIPOS DE MECHAS:
De Conos: Maquinadas ó de Insertos de Carburo de Tungsteno
De Diamantes Policristalinos (PDC)
De Diamantes Naturales




Mechas de Conos Maquinados ó de Insertos CT
 Descripción General

Cojinetes o Rodamientos

Los rozamientos se diseñan de tal forma que todos los elementos de los cojinetes estén cargados de manera uniforme y se puedan utilizar altos pesos en barrena y velocidades rotarias. Un reservorio sellado de lubricantes es mantenido dentro del cuerpo de la barrena para lubricar los cojinetes o los rodamientos. 
  
OTROS TIPOS DE MECHAS
De Izq a Der: Policristalina de Diamante (PDC), De Diamante Natural, y Bicéntrica.
 
 
MECANISMO DE CORTE:

El mecanismo de corte de una mecha, representa la forma como la misma penetra en la formación y realiza la separación de la corteza en partes pequeñas conocidas como ripios o sólidos
Este mecanismo, esta relacionado con los factores mecánicos aplicados (PSM y RPM) y dependerá del esfuerzo de la matriz de la roca para su vencimiento. De allí, que existen diferentes mecanismos de cortes, dependiendo el tipo de mecha y por ende del tipo de formación






Selección y Evaluación IADC
 
La forma de Selección IADC tradicional de las Mechas de Conos, esta referida a tres dígitos, estos representan lo siguiente:
 
1er Dígito: Distingue el Tipo de Mecha
  • 1 , 2 y 3: Mecha de dientes maquinados
  • 4, 5, 6, 7 y 8: Mecha de insertos de CT
2do Dígito: Distingue el Rango de Dureza o características de la formación
1: Suave –Blanda / 2: Semi –Dura
3: Dura / 4: Extremadamente Dura
3er Dígito: Distingue las características de la Mecha 


 La tabla de clasificación de la IADC para mechas desgastadas permite registrar ocho factores o criterios de evaluación del desgaste. Dicha tabla aplica tanto para mechas de conos como para mechas de cortadores fijos, a pesar de que existen diferentes códigos de desgaste para cada una. 
- Dientes de la Mecha : Distingue el desgaste del diente (T1 hasta T8)

- Conos de la Mecha : Distingue el estado del cono (B1 a B4: Bueno, B5: Duda, B6 a B8: Malo)

- Calibre (Gage) de la Mecha : Distingue el desgaste del calibre o diámetro original de la Mecha (Ingage o Outgage) 
 
 

Selección y Evaluación IADC de Mechas PDC
  En mechas Policristalinas o de cortadores fijos, la IADC dispone de un mecanismp aparte de identificación donde cada dígito expresa un valor o propiedad de la Mecha (ver figura):


  1. Material del Cuerpo:Acero o Matriz.
  2. Densidad del Cortador: PDC: 1 a 4, barrenas de diamante: 6 a 8 (mientras menor sea la cantidad, más ligera será la mecha).
  3. Tamaño de Cortador / Tipo: para cortador PDC, 1 indica >24 mm, 2 está entre 14 y 24 mm, 3 estáentre 8 y 14 mm y 4 es más pequeño que 8.   Para barrenas de diamante, 1 representa diamante natural, 2 es para TSP, 3 es una combinación de diamante natural y TSP y 4 es para impregnada.
  4. Perfil: El último dígito indica el estilo general del cuerpo y varía desde 1 (perfil plano) a 4 (estilo de turbina con flancos largos).

CODIGOS EMPLEADOS PARA EVALUAR DESGASTES EN MECHAS

 
HIDRAULICA APLICADA A MECHAS DE PERFORACION.


Para optimizar la operatividad de la mecha es necesario realizar un diseño hidráulico tal que contribuya al mejoramiento de la tasa de penetración. Es necesario tomar en cuenta los siguientes términos:
- 
FUERZA DE IMPACTO (HSI):  
El cual representa el índice o la fuerza con que la mecha se enfrenta a la formación, contribuyendo al efecto de flotabilidad de la mecha. Se calcula con la siguiente fórmula:

HSI = HHPm / A = hp / pulgs2

donde:
HHPm= Potencia en la Mecha,
hpHHPm= ( ΔPm x Q) / 1714
ΔPm= Caída de Presion en la Mecha
Q= Caudal de Flujo
A = Área del hoyo, pulgs= A = (π/ 4) x Dh. 
Más Informacion: HSI

- 
CAIDA DE PRESION EN LA MECHA:  
Representa la pérdida de presión al pasar el fluido de perforación a través de los chorros de la mecha, debida a la diferencia de diámetro entre la tubería y la parte interna de la mecha a través de los chorros. Se puede calcular por la siguiente fórmula: 
 
Pb = (Q^2 . W) / (12031. A^2)
Donde:
Q = Caudal de Flujo
MW = Densidad del Lodo
An = Area Total de los Chorros 
- 
 
AREA TOTAL DE FLUJO (TFA):
Traducido al inglés sería: Total Flow Area (TFA), representa la sumatoria de las áreas de los chorros de la mecha a través de los cuales pasa el flujo. Para considerar el TFA, se necesita contar con todos los chorros que hay tanto en la mecha como en el ampliador (reamer) en el caso de mechas bicéntricas. Se calcula de la siguiente forma:
 
 
Donde:
N = Diámetro nominal de cada Chorro (area del chorro/32)
Flow Area = TFA, en pulgadas cuadradas
 


-VELOCIDAD DE LOS CHORROS: 
La caída de presión originada en la mecha influye en la velocidad de salida de los chorros, mientras menor diametro tengan estos mayor será la velocidad de salida y la fuerza de impacto, representando con ello una mayor caída de presión. Esta velocidad la podemos calcular por la formula siguiente: 
 
Vjets = Q / (3,12 x TFA) = pie / min
Donde:
Q = Caudal de la bomba en uso, GPM
TFA = Total Fluid Area, de los jets de la broca en uso, pulgs
3,12 = Factor de conversión (NUMERO PI)


Ejemplos Tipicos de Optimizacion de las Operaciones de Mechas 
En la campaña de perforación actual de algunos campos del Sur del Estado Monagas se ha optimizado en gran manera el Programa de Uso de Mechas para cada pozo, de manera que en estos se logre un diseño adecuado y adaptado a las características litológicas atravesadas en cada trayectoria.
FASE SUPERFICIAL:
En la totalidad de las cuales atravesamos la formación superfiial, la cual consta de arenas poco consolidadas. Para la perforación de esta fase se usa una MECHA TRICONICA, generalmente de 17-1/2" ó 12-1/4” en otras operadoras . Para optimizar una buena Rata de Penetración se aplican altas Revoluciones por Minuto (RPM) y galonaje moderado para reducir la fuerza de impacto con la formación, evitando fracturarla, y trabajar al máximo con el efecto de PALEO, propio de las mechas Triconicas.
 
 
FASE INTERMEDIA:
En esta sección se atraviesa en la mayor parte, formaciones intermedias, de arcillas altamente hidratables que han generado serios problemas al bajar Revestidor 7”. Es por esta razón que algunas empresas mixtas en el área han venido aplicando la perforacion con mecha Bicentrica, la cual con sus dos centros de masa (en el piloto y en el ampliador), contribuye a la construcción de un hoyo mas amplio hasta 9-1/2” que garantice una buena corrida del revestidor. 
En algunas ocasiones la fase intermedia se culmina perforando con una mecha PDC 8-1/2” cuando por razones geológicas se están corriendo registros de Densidad y Porosidad (Densidad-Neutrón). Ello debido a que se requiere una lectura más confiable del registro en la formación Oficina, compuesta de arenas e intercalaciones lutíticas.
 
 
FASE HORIZONTAL:
Esta sección esta constituida por arenas consolidadas e impregnadas de hidrocarburos, para lo cual se requiere el empleo de una mecha de diamantes policristalinos (PDC). Se ha logrado optimizar el diseño de estas mechas para cada campo, por ejemplo, hay zonas donde se ha requerido de mechas con matriz reforzada debido a la alta tasa de desgaste observada durante la navegación.
 
 

 

 

Area Total de Flujo (TFA)


Traducido al inglés sería: Total Flow Area (TFA), representa la sumatoria de las áreas de los chorros de la mecha a través de los cuales pasa el flujo. Para considerar el TFA, se necesita contar con todos los chorros que hay tanto en la mecha como en el ampliador (reamer) en el caso de mechas bicéntricas.

Basicamente se puede determinar el área de flujo a través de esta simple fórmula de área de un círculo:


Donde;
Area in pulgadas cuadradas
π es una constante aproximadamente igual a 3.1429.
D es el diametro del chorro en pulgadas

Para facilitar los valores numéricos, normalmente los diámetros de los chorros se reportan en Treintidosavos de pulgadas,es decir, xx/32 pulgadas. Por ejemplo, una mecha puede tener 3 chorros y cada uno mide de diámetro 20/32 pulgadas.

Por la cual la fórmula del circulo se simplifica de la siguiente manera:

Where;
Area in pulgadas cuadradas
N es el diametro del chorro en numero/32 pulgadas

Con el propósito de hallar el area total de Flujo de cada mecha o ampliador, se debe sumar toda área de cada chorro. Suponiendo que se está usando una mecha que tiene un total de 5 chorros. Tres de ellos tienen un diámetro de 10/32 pulgadas y los otros dos son de 12/32 pulgadas de diámetro. Determina el Area Total de Flujo (TFA) de la mecha:
Por definición, se debe sumar cada chorro juntos para obtener el TFA, por lo tanto se aplica la siguiente formula:



TFA = 0.451 PULGADAS CUADRADAS

 

Caballos de Fuerza Hidráulicos (HHP)

Según el Glosario Petrolero de Schlumberger (http://www.glossary.oilfield.slb.com) ésta es una medicion de la energía por unidad de tiempo que se consume a través de los chorros de la mecha. Comúnmente se calcula por la ecuación HHP=P*Q/1714, donde P representa la Presion en Libras por Pulgada cuadrada, Q indica la Tasa de Flujo expresada en Galones por Minuto, y  1714 es un factor de conversión necesario para expresar HHP en unidades de HP o Caballos de Fuerza.

Los fabricantes de mechas a menudo recomiendan que la energia hidráulica del fluido a través de los chorros tenga valores de HHP ubicados entre un rango de 2,0 y 7,0. Ello para garantizar un adecuado funcionamiento de los dientes de la mecha y la limpieza en el fondo del hoy (con el valor mínimo de HHp) y también para evitar la erosión y/o desgaste prematuro de la mecha por sí misma (para ello se tiene un valor máximo de HHP)

(HPP) son las siglas en inglés de Hydraulic Horse Power , y la formula para estimarla es:
HHP= (P x Q) ÷1714
Donde HHP = Caballos de Fuerza Hidráulicos
P = Presión de Circulación, psi
Q = Tasa de Circulación, gpm

Ejemplo : Determine los HHP con la siguiente información:

Presión de Circulacion = 3500 psi
Tasa de Circulacion = 800 gpm
HHP= (3500 x 800) ÷1714
HHP = 1633.6


Descarga la HOJA DE CALCULO DE HHP

Traducido desde http://www.drillingformulas.com/hydraulic-horse-power-calculatin/ 
 
 

Introducción a la HIDRAULICA DE PERFORACION

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La hidráulica de perforación afecta directamente el rendimiento de la perforación y este tema se centrará en el principio básico de la hidráulica de perforación.

Por lo general, el sistema de circulación de la plataforma se compone de bombas de lodo que llevan el lodo de perforación desde los pozos de lodo hasta las mangueras y tuberías hasta el fondo del pozo. El lodo de perforación se mueve un poco hacia el interior del anillo y finalmente se devuelve al equipo de control de sólidos y a los pozos de lodo (se puede ver en el siguiente diagrama).

LEE MAS EN

  http://www.drillingformulas.com/category/hydraulic-formulas/

 








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