Cálculo del Área Total de Flujo (TFA) de Chorros ( Toberas / Jets)

El Área Total de Flujo ($\text{TFA}$, por sus siglas en inglés) es una propiedad hidráulica crítica de la broca de perforación que determina el rendimiento de la hidráulica de fondo de pozo y, por extensión, la eficiencia de la perforación.

Definición y Cálculo

El $\text{TFA}$ es simplemente la suma de las áreas de la sección transversal de todas las toberas (boquillas) instaladas en la broca. La mayoría de las brocas utilizan de tres a seis toberas para dirigir el flujo de lodo.

• Fórmula: Se calcula utilizando el diámetro de las toberas. Si todas las toberas son del mismo tamaño, la fórmula es:

  $$\text{TFA}=N\times \left(\frac{\pi \times d^2}{4}\right)$$

  Donde: $N$ es el número de toberas, y $d$ es el diámetro de la tobera.

 

Importancia Hidráulica

El valor del $\text{TFA}$ es crucial porque determina dos parámetros hidráulicos fundamentales:

1. Caída de Presión en la Broca ($\Delta P_{bit}$): Una $\text{TFA}$ pequeña causa una alta caída de presión, mientras que una $\text{TFA}$ grande causa una baja caída de presión.

2. Velocidad del Chorro (Jet Velocity): El lodo debe salir de las toberas a una velocidad muy alta para impactar y limpiar la formación. Una $\text{TFA}$ pequeña genera una velocidad de chorro elevada.

 

Optimización del Rendimiento

El objetivo de la ingeniería hidráulica es maximizar la Potencia Hidráulica en la Broca ($\text{HHP}$, Hydraulic Horsepower) o la Fuerza de Impacto del Chorro ($\text{JIF}$, Jet Impact Force) en el fondo del pozo.

• HHP: Se maximiza cuando la caída de presión en la broca es aproximadamente el $65\%$ de la presión disponible en la bomba (para lodos a base de agua).

• JIF: Es directamente responsable de eliminar los recortes y evitar la "remolienda" (regrinding) de la roca, lo que incrementa la $\text{ROP}$ (Tasa de Penetración).

Ajustar el $\text{TFA}$ es un ejercicio de equilibrio:

• Un $\text{TFA}$ pequeño genera la fuerza de impacto necesaria para formaciones duras, pero limita el caudal y exige más potencia de las bombas.

• Un $\text{TFA}$ grande reduce la presión de la bomba, permitiendo un mayor caudal para transportar recortes grandes, pero puede no limpiar el fondo de pozo adecuadamente. La selección del tamaño de la tobera (y por lo tanto el $\text{TFA}$) debe ser precisa para optimizar la $\text{ROP}$ sin exceder los límites de presión de la bomba.

 

Por ejemplo, una broca de perforación tiene cinco boquillas de chorro. 3 x 10/32 en y 2 x 12/32 pulgadas. Para calcular el área de flujo total de la broca de perforación, usaremos esta ecuación para cada tamaño de boquilla y luego haremos una suma para todas ellas.

Area de Flujo = N^2  / 1303.8

Área de flujo total = ( 10^2 +10^2 +10^2 + 12^2+ 12^2 ) / 1303.8

 

 

This drilling software/ spreadsheet calculates it for a selection of up to 11 nozzle sizes.

Para leer mas

• ¿Qué Es La Boquilla De Chorro De Broca?
• ¿Por Qué Son Necesarias Estas Boquillas De Chorro De Perforación?
• ¿Cuál es la definición de área de flujo total (TFA)?
• ¿Cómo Realizar El Cálculo De TFA Sin Gráfico?
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