3. REOLOGÍAS
3.4. TIPOS DE COMPORTAMIENTOS DE FLUJOS
3.4.1. REGÍMENES DE FLUJO
Los fluidos del pozo están sometidos a una variedad de configuraciones del flujo durante el proceso de perforación de un pozo. Estas configuraciones del flujo pueden definirse como diferentes etapas de flujo, de la manera ilustrada en la Figura 22.
Figura 22. Etapas de flujo
59 Etapa 1 – Ningún flujo. . La mayoría de los fluidos de perforación resisten con fuerza suficiente al flujo, de manera que es necesario aplicar una presión para iniciarlo. El valor máximo de esta fuerza constituye el esfuerzo de cedencia verdadero del fluido. En un pozo, el esfuerzo de cedencia verdadero está relacionado con la fuerza necesaria para “romper la circulación”.
Etapa 2 – Flujo tapón. Cuando se excede el esfuerzo de cedencia verdadero, el flujo comienza en la forma de un tapón sólido. En el flujo tapón, la velocidad es la misma a través del diámetro de la tubería o del espacio anular, excepto para la capa de fluido que está contra la pared del conducto. Muchas veces se hace referencia al flujo de la pasta dentífrica dentro del tubo para describir un ejemplo de flujo tapón. El perfil de velocidad del flujo tapón es plano.
Etapa 3 – Transición de flujo tapón a flujo laminar. A medida que el caudal aumenta, los efectos de corte comenzarán a afectar las capas dentro del fluido y a reducir el tamaño del tapón en el centro del flujo. La velocidad aumentará desde el pozo hasta el borde del tapón central. El perfil de velocidad es plano a través del tapón que tiene la mayor velocidad, y decae o disminuye a cero en la pared del conducto.
Etapa 4 – Flujo laminar. A medida que se aumenta el caudal, los efectos del caudal y de la pared sobre el fluido siguen aumentando. A cierto punto, el tapón central dejará de existir. A este punto, la velocidad alcanzará su nivel más alto en el centro del flujo y disminuirá a cero en la pared del conducto. El perfil de velocidad tiene la forma de una parábola. La velocidad del fluido está relacionada con la distancia a partir del espacio anular o de la pared de la tubería. Dentro de una tubería, se puede describir al flujo como una serie de capas telescópicas cuya velocidad aumenta de capa en capa hacia el centro. Todo el fluido através de la tubería o del espacio anular se moverá en la dirección de flujo, pero a diferentes velocidades. Esta etapa de flujo
60 regular se llama laminar debido a las capas o láminas formadas por las diferentes velocidades.
Etapa 5 – Transición de flujo laminar a flujo turbulento. A medida que el caudal aumenta, el flujo regular comienza a descomponerse.
Etapa 6 – Flujo turbulento. Cuando el caudal sigue aumentando, el flujo regular se decompone totalmente y el fluido tiene un flujo vorticial y turbulento. El movimiento del fluido total sigue siendo a lo largo del espacio anular o de la tubería en una dirección, pero la dirección del movimiento será imprevisible en cualquier punto dentro de la masa del fluido. Bajo estas condiciones, el flujo es turbulento. Una vez que estas condiciones han sido alcanzadas, cualquier aumento del caudal producirá simplemente un aumento de la turbulencia.
Estas etapas de flujo tienen varias implicaciones diferentes. La presión requerida para bombear un fluido dentro de un flujo turbulento es considerablemente más alta que la presión requerida para bombear el mismo fluido dentro de un flujo laminar. Una vez que el flujo es turbulento, los aumentos del caudal aumentan geométricamente la presión de circulación. En el flujo turbulento, cuando se duplica el caudal, la presión se multiplica por cuatro (22). Cuando se multiplica el caudal por tres, la pérdida de presión se multiplica por ocho (23).
Las pérdidas de presión asociadas con el flujo turbulento dentro del espacio anular pueden ser críticas cuando la Densidad Equivalente de Circulación (ECD) se aproxima al gradiente de fractura. Además, el flujo turbulento dentro del espacio anular está asociado con la erosión del pozo y los socavamientos en muchas formaciones. En las zonas propensas a la erosión, el diámetro del pozo se desgastará de tal manera que el flujo vuelva a ser un flujo laminar. Al perforar estas zonas, el caudal y las propiedades reológicas del lodo deberían ser controlados para impedir el flujo turbulento.
61
RESULTADOS Y
DISCUSIÓN
62
CAPÍTULO IV
4. SOFTWARE Displace 3D
4.1.
DESCRIPCIÓN
En este capítulo se presenta el simulador computacional de fluidos en estado dinámico que sirve para modelar aspectos múltiples del desplazamiento del lodo durante la cementación. En el año 2001, Crook describió los ochos pasos para realizar trabajos de cementación exitosos. Los cinco primeros pasos se relacionan directamente con la colocación exitosa de la lechada de cemento, y nunca antes un simulador había sido capaz de modelar todos los cinco pasos en conjunto. El simulador CFD modela dinámicamente en tres dimensiones (3D), la intermezcla de los fluidos del pozo dentro de la tubería y del anular con el movimiento del casing durante la limpieza del hueco y la colocación de la lechada de cemento.
El verdadero valor que tiene este proceso de simulación es que el usuario puede practicar con el simulador antes de ir al pozo. Ya que los procesos no ocurren en dos dimensiones, este simulador 3D puede ayudar a los ingenieros y operadores a tomar las mejores decisiones para evitar trabajos de cementación fallidos, mejorar la integridad del pozo y controlar los costos de taladro asociados con las cementaciones remediales. El menú interactivo del programa 3D permite visualizar al usuario diferentes escenarios y le ayuda a crear el mejor diseño de una vez, para evitar costosos trabajos remediales posteriores.
63 En la completación de un pozo de petróleo y gas, las operaciones de cementación se emplean para proporcionar aislamiento zonal. El factor quizás más importante que los ingenieros y operadores deben considerar para el éxito de un trabajo de cementación es la remoción adecuada del fluido de perforación. El desplazamiento efectivo del lodo es el factor más importante que ayuda a asegurar un trabajo de cementación exitoso. Para ayudar a optimizar la remoción de lodo, la técnica principal usada es bombear un fluido espaciador con una reología modificada que crea una favorable interfase fluido - fluido para mejorar el desplazamiento del lodo. En la mayoría de casos, es muy deseable monitorear cómo evoluciona esta interfase en el tiempo.
La intermitencia de un fluido podría inhibir la capacidad de ese fluido para cumplir el objetivo deseado, por ejemplo, intermezclando el fluido espaciador con la lechada de cemento podría provocar una contaminación del cemento. Esta contaminación podría causar una falla no deseada de la cementación y consecuentemente un incremento significativo debido al tiempo de espera o a trabajos remediales.
Algunos otros factores que directamente impactan el desplazamiento del lodo son la geometría del pozo, las características del lodo, el movimiento del casing mediante reciprocación y rotación, centralización del casing y la tasa de bombeo optimizada. Sin embargo, a menudo se desconoce la influencia de cómo estas variables afectan el desplazamiento del lodo, especialmente cuando se aplican en combinación con otro fluido.
Aun una operación relativamente bien ejecutada puede rápidamente convertirse en un escenario complicado por múltiples variables. En la industria se han llevado a cabo numerosos estudios físicos a gran escala en los últimos 50 años para evaluar empíricamente la importancia de estos factores en la eficiencia del desplazamiento.
64 Más recientemente, sin embargo, varios estudios han recogido la ventaja de los métodos numéricos computacionales para describir los diferentes aspectos del proceso del desplazamiento del lodo en las geometrías anulares. Tehrani discutió estudios combinados teóricos experimentales de desplazamiento laminar en anulares inclinados excéntricos mediante un acoplamiento adecuado de la ecuación del momentum con la ecuación de concentración sugerida inicialmente por Landau y Lifshitz. Varios autores posteriormente condujeron estudios de flujo helicoidal, flujo viscoso helicoidal para un solo fluido no newtoniano, flujo a través de espacios anulares en tubo excéntricos y también el flujo de un solo fluido entre dos placas paralelas para describir el comportamiento de desplazamiento del cemento.
Mientras un significativo trabajo experimental fue realizado en el pasado, los investigadores actuales han construido modelos comprensivos, por ejemplo el CFD que toma en consideración todos los parámetros físicos que afectan el fenómeno de desplazamiento, a los ajustes a las tasas de bombeo, a la intermezcla y difusión de fluido - fluido, a la excentricidad del casing respecto al hueco, a las geometrías anormales del pozo, a la reología de los fluidos, a la desviación del pozo, a la reciprocación y rotación del casing. Por lo tanto, se ha desarrollado un simulador de tres dimensiones para modelar estos escenarios. El sistema computacional esta formulado en un sistema de coordenadas curvilíneas cuyas fronteras pueden incluir hasta huecos irregulares tales como aquellos con zonas erosionadas por la circulación. Los modelos existentes antes de estos modelos computacionales estaban limitados a un anular excéntrico muy pequeño y sin movimiento del casing; el simulador actual maneja efectos reales múltiples y realiza eficientemente estudios que pueden facilitar la realización de trabajos de cementación más económicos y efectivos mientras se asegura la vida productiva del pozo.
Actualmente en la industria hay diversos Sofware de cementación que permiten simular las hidráulicas y centralización entre las principales
65 características, pero recientes investigaciones tecnológicas en base al movimiento, compatibilidad y temperatura de fluidos con visualización en 3 dimensiones proporcionan información más certera de la posición final de los fluidos expresado en eficiencia de desplazamiento. Adicional a esto mediante un análisis de elementos finitos se evalúa la integridad del cemento durante la vida del pozo sometiéndolo a esfuerzos extremos.
En la figura 23 se observa el menú típico de un software integrado que proporciona la capacidad de simular hidráulicas, desplazamiento en 3D, análisis de esfuerzos, entre las más importantes.
Figura 23. Menú superior del Software Integrado
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4.2.
APLICACIONES
Como se mencionó anteriormente en base en la dinámica computacional de fluidos y análisis de elementos finitos un software integrado puede evaluar y monitorear las variables específicas antes y después de un trabajo de cementación, y en tiempo real durante las operaciones. Una amplia variedad de modelos integrales se pueden ejecutar de manera iterativa para evaluar las variables que afectan el desplazamiento del lodo de perforación, la colocación de cemento y la integridad del cemento a lo largo de la vida útil del pozo.
Estas variables pueden ser evaluadas individual y colectivamente para una cementación primaria, un trabajo de circulación inversa, un trabajo obturador, o una investigación después de la operación de cementación en
66 un trabajo irregular por nombrar sólo algunos. Diferentes resultados se pueden realizar de forma simultánea para una evaluación vigorosa. Esto permite el análisis de las probables causas de las fallas, así como información para ayudar a optimizar los diseños actuales y futuros.
Un software integrado ofrece un completo conjunto de capacidades de modelamiento hidráulico para la simulación en las operaciones de cementación. La remoción del lodo y la erodabilidad proporcionan un medio para cuantificar la fuerza necesaria para erosionar la costra de lodo, tomando en cuenta la geometría y la centralización de una sarta de revestimiento.
Es un modelado avanzado de propiedades reológicas - perfiles de viscosidad en función de la temperatura para la simulación más precisa. Los datos de laboratorio pueden incluir FYSA, o un reómetro personalizable, varios modelos de reología para cubrir los diferentes tipos de fluidos: fluido plástico de Bingham, fluidos que siguen la ley exponencial, fluidos Newtonianos, fluidos Herschel-Bulkley. Otros servicios como el “gas flow potencial”.
Permite realizar complejos diseños en tierra y costa afuera, ajuste automático de la velocidad de bombeo para mantenerse por debajo del gradiente de fractura.
4.3.
SIMULACIONES
EL Software integrado presenta 3 módulos de simulación que permiten realizar un análisis de ingeniería preciso de la cementación, como se presenta en la Figura 24.
Hidráulicas en 2D Visualización en 3D Análisis de Esfuerzos
67 Figura 24. Menú de simulaciones del Software Integrado
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4.3.1. HIDRAULICAS 2D
La figura 25 muestra la máxima presión hidrostática que ejercen los fluidos en la zona de interés, la línea roja nos indica la presión incluida la presión de superficie, en cambio la línea verde es simplemente la presión hidrostática.
Figura 25. Presión de circulación y densidad equivalente en las zonas de fractura y de reservorio
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En la figura 26 se indica una comparación de los caudales de entrada vs. Los caudales de salida durante el proceso de cementación, la línea roja es el caudal de entrada y la línea verde indica el caudal de salida, este último no debe superar el caudal de salida para que no ejerza desestabilidad al hoyo.
68 Figura 26. Comparación entre caudales de entrada y de salida
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La figura 27 muestra la presión de superficie esperada durante el trabajo, la línea roja es la presión de cabeza y la línea verde es la presión de bombeo en el camión de cementación, o sea esta presión está incluyendo las fricciones generadas desde el camión al cabezal del pozo. Al final las presiones incrementan debido a que el cemento entra al anular, luego disminuye debido a que el caudal es bajado para chequear el asentamiento del tapón
Figura 27. Presión superficial calculada
69 En la siguiente grafica 28 se indica la presión que se obtiene durante la circulación del pozo previo a la cementación, este dato es muy importante para verificar el tamaño del hoyo y la limpieza del mismo, por ejemplo si la presión real es mayor a la presión de diseño significa que el hoyo está más pequeño y puede ser que los topes de cemento planificados no alcancen lo esperado.
Figura 28. Circulación del pozo: Presión vs. Caudal
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La gráfica 29 mostrada a continuación presenta la densidad equivalente de circulación vs la profundidad, hay un indicativo especial en la profundidad del zapato previo. Para esto es necesario ingresar datos del leak off test a diferentes profundidades para hacer simulaciones más precisas con respecto a la ECD.
70 Figura 29. Densidad equivalente de circulación (ECD)
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4.3.2. DESPLAZAMIENTO EN 3D
La simulación en 3D es una herramienta novedosa y de última tecnología en software de cementación, así la figura 30 es una gráfica dinámica que muestra cómo se van posicionando los fluidos en el anular, esta simulación toma en cuenta compatibilidad de fluidos así como la facilidad que tienen a mezclarse los fluidos en base a un índice de miscibilidad. Con esta simulación se tiene un dato más exacto de los topes reales de cemento.
Figura 30. Desplazamiento en 3D
71 La eficiencia de desplazamiento también es un dato dinámico, la figura 31 es un grafica obtenida de conjugar todas las practicas de cementación, al final de aplicar todas ellas se tiene un porcentaje el cual indica que tan desplazado quedo uno u otro fluido, este dato es muy importante para verificar la eficiencia de desplazamiento en un punto dato de profundidad.
Figura 31. Eficiencia de desplazamiento
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4.3.3. ANÁLISIS DE ESFUERZOS
Mediante el estudio de análisis de esfuerzos o análisis de estrés el software integrado permite simular el comportamiento que tendrá el sello de cemento bajo diferentes cargas a lo largo del tiempo.
Las propiedades mecánicas del cemento es un factor crítico al momento de evaluar si la lechada de cemento soportaría o no las cargas durante la vida productiva del pozo. La gráfica 32 muestra la remanencia del cemento después de ser sometido a diversos eventos como son el curado o evento de estimulación, y en la gráfica de la derecha indica el tipo de falla ya sea por crack, deformación, etc., así se puede saber el porcentaje de remanencia que tendría el cemento.
72 Figura 32. Remanencia del cemento después de ser sometido a diversas
cargas durante las etapas de completación, curado y producción.
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4.3.4. CALCULADORES
Además el Software integrado es capaz de realizar cálculos precisos adicionales de torque, stand off, reología y surge & swab, como se muestra en la figura 33.
Figura 33. Menú superior de cálculos adicionales
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El Displace 3D presenta los siguientes Calculadores: Torque y arrastre de la tubería
73 Jerarquía reológica
Surgencia y Swabeo
4.3.4.1. TORQUE Y ARRASTRE
La figura 34 muestra el torque ejercido sobre la tubería, este dato depende mucho de las condiciones del hoyo y con esta curva se puede determinar si es factible o no rotar la tubería. Básicamente es el torque que se obtendría en superficie que como se ve va creciendo mientras se va profundizando. Con esta información se determina si podríamos rotar o no una tubería o si necesitaríamos o no usar anillos de torque en las cuplas.
Figura 34. Torque generado
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La figura 35 muestra el arrastre que genera la tubería mientras esta es bajada por el hoyo abierto y hueco entubado. El arrastre incrementa respecto a la profundidad toma en cuenta un factor de fricción que se le da al hueco y tubo. Este es un dato muy importante para verificar si los centralizadores ejercen más arrastre durante la bajada del casing.
Tenemos la línea azul que es el arrastre estático, este equivale prácticamente al peso de toda la tubería, la línea roja es el peso bajando la tubería y la línea verde es el peso sacando la tubería.
74 Figura 35. Arrastre generado
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4.3.4.2. STAND OFF
El stand off es una medida de la excentricidad de la tubería respecto al hoyo, en este caso la grafica 36 simula el stand off en función del número de centralizadores que se ubicaron. Tenemos la línea verde que representa el stand off en el punto medio entre los dos centralizadores, y la línea roja corresponde al stand off en el centralizador. A la derecha las líneas cortas rojas representan los centralizadores.
Figura 36. Medida de Stand Off (cuan excéntrica queda la tubería con los centralizadores ubicados)
75 La gráfica 37 muestra en forma tabular a la profundidad de cada centralizador el stand off y la fuerza de restauración del fleje del centralizador. Esta información se la usa cuando se desea mas detalle de información, también al lado derecho tenemos el diagrama de la trayectoria del pozo en 3D.
Figura 37. Valor de Stand Off a diferentes profundidades
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4.3.4.3. JERARQUÍA REOLÓGICA
La gráfica 38 muestra la jerarquía reológica de todos los fluidos que se planea bombear al pozo, aquí se simula las caídas de presión vs el caudal de bombeo. Por ejemplo en el recuadro lila esta resaltado los caudales a los cuales se desplazara, en este caso tenemos una buena jerarquía ya que el lodo (lila) será desplazado por la lechada lead (verde) y este será desplazado por la lechada tail (amarillo).
Measured Depth (ft) Restoring Force (lbf) Standoff at Centralizer (%) 9,940.0 27,276 40.7 9,960.0 148 45.2 9,980.0 145 68.9 10,000.0 118 78.1 10,013.3 93 78.6 10,026.7 90 82.9 10,040.0 85 83.0 10,053.3 84 83.0 10,066.7 83 83.0 10,080.0 290 78.6 10,160.0 292 44.1 10,180.0 115 82.1 10,200.0 205 80.2 10,256.7 178 80.7 10,270.0 66 83.1 10,283.3 66 83.1 10,296.7 66 83.1 10,310.0 70 83.0 10,323.3 72 83.0 10,336.7 71 83.0 10,350.0 60 83.2 10,360.0 76 82.9 10,380.0 98 40.5 10,400.0 94 65.4 10,420.0 91 65.5 10,440.0 43 83.9
76 Figura 38. Orden jerárquico de los fluidos (el fluido más pesado y viscoso
desplaza al menos pesado y viscoso
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4.3.4.4. SURGE Y SWAB
La figura 39 muestra las presiones de Swab y Surge, la presión de swab (verde) es el decremento de presión debido al movimiento de la tubería hacia arriba en cambio Surge (rojo) es la presión adicional que se obtiene