¿Cómo se calcula un fondo arriba en la perforación de pozos de petróleo?

in StemSocial2 months ago (edited)

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Hola amigos y amantes del contenido STEM.

En esta ocasión quiero explicarles la forma de calcular un fondo arriba en la perforación de pozos de petróleo, pero antes de dicha explicación les explicaré someramente el objetivo de la perforación de pozos y qué es un fondo arriba.

El objetivo básico de la perforación de pozos es el de establecer un medio de comunicación con los fluidos que se encuentran en el subsuelo a una profundidad determinada como gas y petróleo y la superficie.

Mediante dicha perforación se construye lo que se conoce como un pozo o agujero, este pozo debe ser completado con una serie de accesorios como tubería de revestimiento que luego será cubierto por cemento entre las paredes del hoyo y la tubería, también lleva válvulas, niples, empacaduras, mangas de circulación, puede llevar bombas electrosumergibles, entre otros equipos más que faciliten la producción de petróleo y gas natural.

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Autor de la imagen: @carlos84 empleando las herramientas de diseño de Microsoft PowerPoint

¿Porqué es importante el cálculo del fondo arriba en la perforación de pozos de petróleo?

Es importante ya que un fondo arriba se define como el tiempo que se tarda en circular el fluido de perforación desde los tanques de lodo hasta la profundidad final del pozo y sacarlos hasta la superficie.

Al poder calcular este tiempo podemos estimar el tiempo que nos podemos llevar bombeando por ejemplo una píldora de barrido, una píldora de barrido es un tipo de fluido de perforación preparado con agentes químicos especiales que ayudan a levantar el ripio de perforación desde el fondo hasta superficie.

Por ejemplo imaginémonos que estamos perforando a cierta profundidad determinada y el programa de perforación nos pide bombear una píldora de barrido, entonces es importante que calculemos el tiempo en el que vamos a limpiar esos recortes en el pozo, y eso se hace es con el cálculo del fondo arriba, con este evitamos invertir tiempo de circulación demás.

Ahora bien para el cálculo del fondo arriba es importante que sepamos que existen dos variables que hacen que el cálculo del fondo arriba pueda variar, estas son la velocidad de la bomba y la profundidad del pozo.

Si el pozo va adquiriendo mayor profundidad el tiempo para sacar el ripio del fondo del pozo va siendo cada vez mayor, y si la velocidad de la bomba es cada vez mayor, entonces se va disminuyendo el tiempo para obtener el fondo arriba.

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Autor de la imagen: @carlos84 empleando las herramientas de diseño de Microsoft PowerPoint

Para calcular el tiempo del fondo arriba simplemente aplicamos lógica ingenieril, es decir sabemos que caudal es igual a volumen entre tiempo.

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Como se muestra anteriormente la Q es el caudal de la bomba de lodo, y v es el volumen del espacio anular del pozo, como queremos calcular es el tiempo de circulación despejamos el tiempo t:

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Generalmente en el panel de la consola del perforador se puede tomar lectura del caudal de la bomba de lodo, sin embargo este valor está medido en galones/minuto, por lo que hay que realizar un factor de conversión y llevarlo a barriles/minuto.

En referencia al cálculo del volumen del espacio anular del pozo a hoyo abierto, es decir sin haber introducido tubería de revestimiento se puede consultar en catálogos cual es la capacidad volumétrica del hoyo a un diámetro de hoyo determinado en diferentes partes del hoyo, es decir existe una capacidad volumétrica por ejemplo para un hoyo de 8 pulgadas de diámetro para las barras, tubería de perforación, mecha, entre otros componentes de la sarta de perforación.

Para simplificar cálculo vamos a realizar una estimación de datos para que pueden ver cómo se calcula el fondo arriba:

Ejercicio del fondo arriba:

Supongamos que estamos perforando un pozo a la profundidad de 500 pies de profundidad con un diámetro del hoyo de 26 pulgadas de diámetro y vamos a suponer que solo estamos perforando con tubería de perforación de 8 pulgadas de diámetro externo, con un caudal de bomba de 19 barriles/minuto.

[1] Lo primero que vamos a hacer es calcular la capacidad volumétrica del espacio anular con la siguiente ecuación:

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Es importante recordar que el diámetro del hoyo y el de la tubería de perforación deben estar en pulgadas, para el caso del ejemplo planteado la capacidad volumétrica del espacio anular considerando un hoyo de 26 pulgadas de diámetro y que solo se está perforando con tubería de perforación de 8 pulgadas es de 0,59 Barriles/pie.

[2] Para obtener el volumen del espacio anular simplemente multiplicamos la capacidad volumétrica anular por la profundidad del pozo:

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Nos da que existe un volumen en el espacio anular de esos 500 pies de hoyo abierto un total de 295 barriles.

[3] Calculamos el tiempo de circulación del fondo arriba tomando en cuenta el volumen del espacio anular previamente calculado y el caudal de bomba de lodo de 19 barriles por minuto:

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Conclusión y análisis de los resultados

Cuando somos ingenieros y llegamos a una locación donde existe una plataforma de perforación se nos dice que estos cálculos no hacen falta porque ya están tabulados, es un error asumirlos de esa forma, porque ciertamente si los valores de caudal de bomba no llegan a variar y las tuberías de perforación, lastrabarrenas, tubería de transición y mecha de perforación no varían en su diámetro lógicamente que el valor del fondo arriba no va a variar, sin embargo es importante para nosotros como ingeniero de perforación mantener la cultura de los cálculos para evitarnos complicaciones en los errores que puedan surgir por estarnos confiando y acoplando a los vicios de no cálculo en una plataforma de perforación.

Para el caso del ejemplo presentado en este post el tiempo del fondo arriba no es muy alto debido a que estamos perforando a poca profundidad y con un buen caudal de bomba, a medida que profundicemos en la longitud del pozo el tiempo del fondo arriba será más elevado.

Referencia recomendada para ampliar la lectura y el conocimiento

Volumen, Capacidad y Desplazamiento de la Sarta de Perforación

Formulas y calculos para operaciones de perforación y rehabilitación

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