TECNICA DE LA PERFORACION ROTATIVA

Cuando se describe el sistema de perforación rotativo, que es el usado para la perforación petrolera, se hace referencia a que la acción realizada es aplicar carga y rotación al trépano, haciendo al mismo tiempo circular un fluido cuyas funciones básicas son la limpieza de los recortes que produce el trépano, refrigerar la herramienta y asegurar que los fluidos contenidos en las formaciones no ingresen al pozo.La velocidad de perforación (penetración) es, desde el punto de vista del perforador, la medida de la efectividad de su trabajo, conjuntamente con la reducción a su mínimo valor de los tiempos improductivos.El mayor o menor grado de penetración es la resultante de la óptima combinación entre el peso sobre el trépano, la velocidad de rotación y los parámetros hidráulicos de la perforación. Estos parámetros son, dentro de ciertos límites, perfectamente controlables. Los parámetros hidráulicos están referidos a la eficiente remoción de las partículas de terreno cortados por el trépano de manera que no sean reperforadas al no haber sido removidas del fondo del pozo.Con un peso y revoluciones determinados el aumento de penetración crece con una hidráulica dada hasta el punto en que se vuelve incompleta la limpieza del frente de avance. El efecto de las propiedades del fluido circulante está muy ligado con la hidráulica de la perforación, pues cuando es necesario aumentar la densidad o la viscosidad se incrementa el contenido de sólidos y la penetración disminuye.Se ha demostrado en ensayos de laboratorio que no se produce el reperforado de partículas de terreno con caudal de 3 gal/mín (11 lts/mín) empleando agua, pero se produce tal reperforación aún con 11 gal/mín (40 lts/mín) cuando se emplea lodo. Esto demuestra que la limpieza del fondo del pozo depende del contenido de sólidos del lodo. Por lo tanto para obtener la penetración máxima, al mínimo costo, es necesario perforar con inyecciones de la más baja densidad y viscosidad posible, con el mínimo de sólidos en suspensión y un alto grado de filtración, siempre que por esto las paredes del pozo no desmoronen y no haya riesgo de daño a las formaciones de interés. Es oportuno destacar que para poder programar correctamente los parámetros a usar, es necesario contar con la más verídica y completa información de los pozos ya perforados en la zona. Con ello se evitará repetir errores. Por ejemplo, si se han presentado problemas de desmoronamientos y/o aprisionamientos por no haber empleado la técnica adecuada, antes de encarar la ejecución de un nuevo pozo deben analizarse las causas de estos problemas. Teniendo en cuenta que el mayor tiempo invertido magnifica los problemas a pozo abierto en la perforación, es importante reducirlos. En este tipo de obra, lo que sucede mas terminantemente que en otras de ingeniería, la reducción de tiempo no sólo reduce el costo sino que disminuye el riesgo de ocurrencia de problemas. Dado que el objetivo de la perforación de cualquier pozo es perforar el pozo con el mínimo costo posible, es necesario analizar los factores específicos que permitan alcanzar los mejores rendimientos.

1. Características óptimas del lodo en el sentido de obtener la máxima penetración, manteniendo al mismo tiempo la estabilidad de las paredes del pozo, dentro de las condiciones dadas de peso sobre el trépano, revoluciones de la mesa rotativa, etc.

2. El grado de penetración disminuye al incrementar al peso de la columna hidrostática, lo cual es particularmente importante en pozos profundos donde es necesario además utilizar altas densidades para mantener controlado el pozo y así evitar surgencias. La magnitud en la disminución del grado de penetración depende de la diferencia entre la presión hidrostática y la presión de la formación. (FIGURA 1).

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3. Selección o determinación del peso sobre el trépano y revoluciones óptimas, en el entendimiento que en cada caso se ha seleccionado el trépano adecuado.

4. Optimizar 1a potencia hidráulica o el impacto hidráulico que aseguren la limpieza del fondo del pozo, evitando que haya exceso o defecto de hidráulica.

El costo del metro perforado en todos los casos depende no solo de los mencionados factores inherentes a la perforación en sí, sino también de otros directamente vinculados al equipo perforador que es necesario considerar para obtener el costo mínimo. Para poder determinar cada uno de ellos y balancearlos entre sí, dentro de sus valores óptimos, es necesario contar con un equipo de perforación que lo permita, y operando con personal de suficiente capacidad y experiencia. De esta forma el tiempo puede ser aprovechado en su total capacidad y los tiempos perdidos reducirse al mínimo.El peso sobre el trépano como las revoluciones de la mesa rotativa son parámetros perfectamente controlables por medio de instrumental adecuado, el primero provee el empuje axial para hincar el diente del trépano en el terreno y el segundo produce la acción de corte en cada revolución. Estos dos factores mecánicos tienen efecto significativo en el grado de penetración, especialmente el primero. Analizaremos en particular cada una de las variables indicadas:

A - PESO SOBRE EL TREPANO

Probablemente la más importante de las variables mecánicas es el peso que se aplica sobre el trépano cuando se perfora. El peso aplicado es suministrado por los portamechas colocados inmediatamente sobre el trépano. La práctica corriente es perforar con suficientes portamechas para tener en ellos un adicional del peso que se desea aplicar sobre el trépano, teniendo en cuenta la flotabilidad debida a la inyección. En los ensayos de laboratorio y en las propias perforaciones se ha empleado como criterio para determinar el peso sobre el trépano la unidad de libras por pulgadas de diámetro. Esta forma no es exacta ya que la capacidad del cojinete de un trépano decrece rápidamente en relación a la disminución de su diámetro, y el volumen de acero del trépano disminuye más que lo que disminuye el área del fondo del pozo, lo que hace que los trépanos de diámetros menores sean menos resistentes que los de diámetros grandes. Sin embargo dentro de los diámetros más comunes de pozos, es decir, entre 6 1/8" a 12 1/4", el peso óptimo por pulgada de diámetro de trépano varía muy poco y por ello se puede aceptar esa unidad como suficientemente aproximada. El grado de penetración varía proporcionalmente con el peso aplicado sobre el trépano. En teoría cualquier formación puede ser penetrada con la misma velocidad si se aplica suficiente peso en relación a la resistencia a la compresión de la misma. En la práctica no es posible, pues el trépano no resistiría pesos mas allá de su resistencia mecánica y además sería necesario emplear una columna de portamechas de tal longitud que resultaría poco práctica o imposible su empleo. No siempre puede aplicarse el peso máximo sobre el trépano. Si hay tendencia del pozo a desviarse de la vertical o si se está perforando un pozo dirigido, se deben utilizar conjuntos de fondo y aplicar el peso sobre el trépano necesario para que el conjunto actúe manteniendo la trayectoria deseada. Otro caso es cuando se producen pérdidas de circulación, en cuyo caso se reduce el peso sobre el trépano para disminuir el grado de penetración de manera que la acumulación de cuttings en el espacio anular incremente la densidad del lodo empeorando las condiciones de pérdida y también para que los materiales que se adicionan a la inyección para eliminar la pérdida tengan tiempo de actuar a medida que se perfora.

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Para determinar el peso más apropiado que debe soportar el trépano, deben considerarse cuatro puntos principales:

1. - El peso que puede ser trasmitido por la columna de portamechas.

Está en relación con el diámetro, longitud y peso de la columna, el tipo de trépano y la naturaleza de la formación a perforar. Desde el punto de vista de la eficiencia de la perforación no siempre se emplean los diámetros suficientes de portamechas, particularmente en pozos profundos. Columnas de portamechas de diámetros mayores, especialmente en las zonas donde las perforaciones tienden a desviarse, darán mayor rigidez al sistema y van a contribuir a evitar variaciones bruscas de la trayectoria.

2. -Peso que debe cargarse para mantener el pozo dentro del grado de desviación fijado respecto de la vertical.

Está limitado por el tipo de trépano que se emplea, y la naturaleza de las formaciones, la velocidad de rotación, el peso y diámetro exterior de los portamechas y el conjunto de estabilización que se emplea. Las formaciones con capas horizontales de cualquier carácter tienen menos posibilidad de causar desviaciones de la vertical que las que tienen distintos grados de buzamiento y de durezas no homogéneas. Cuanto más pronunciado sea el buzamiento mayor será la tendencia del trépano a dejar la vertical, y si además las formaciones son más duras, mayor será el efecto de desviación. La alternancia de estratos duros y blandos crean las mayores dificultades para la perforación de un pozo derecho. Probablemente el principal factor determinante para una perforación vertical es la concentración de peso inmediatamente sobre el trépano.

Hay un límite práctico en la longitud de la columna de portamechas, porque si es muy larga y se transmite mucha carga, el tramo inferior de la misma estará sujeto a pandeo. Por otra parte si el tramo inferior de la columna no está correctamente estabilizada, se forzará al trépano a salir de la trayectoria prevista. Por otra parte, un exceso de carga, puede hacer que las conexiones sufran una solicitación por sobre su capacidad resistente. Para dar una idea de la máxima longitud de portamechas que usualmente se hacen trabajar sin inconvenientes, empleando la técnica adecuada, en formaciones de poco buzamiento, oscila entre 750 a 900 pies (225/270 m). La columna ideal de portamechas debería tener su diámetro mayor y por consiguiente el peso máximo inmediatamente sobre el trépano, y luego ir decreciendo gradualmente hasta el diámetro de las barras de sondeo. Esta geometría se aproxima en algunos casos con columnas de portamechas telescópicas.En los trabajos de rectificación de pozos, la carga no debe ser excesiva sino aquella que ejerza una presión suficiente contra las paredes del pozo a rectificar.

3.- El peso máximo que se puede cargar en relación a la capacidad del cojinete.

Otro factor que limita el peso máximo que se puede cargar sobre el trépano, en el caso de los trépanos de conos, es la capacidad del cojinete del mismo el cual varía con la medida del trépano. Así un trépano tricono de 12 1/4" puede soportar una carga varias veces mayor que un trépano de 6", a pesar que su diámetro es solo el doble.

4. –El peso a aplicar en relación a la máxima penetración.

Hay que aplicar suficiente peso sobre el trépano para que los dientes penetren y fracturen la formación. El impacto de los dientes puede fracturar la formación aún si el peso aplicado es

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menor que el requerido para vencer su resistencia y penetrar en el terreno, pero en tal caso el grado de penetración será menor que el máximo.

El análisis correcto de estos cuatro puntos conducen a la máxima penetración, siempre que las características y el caudal de lodo sean los más apropiados para las formaciones que se perforan. Es muy difícil establecer el balance exacto de estos valores definidos, debido a la falta de uniformidad de las formaciones que se perforan y al desgaste progresivo del trépano, pero pueden aplicarse dentro de límites razonables. La longitud de la columna de portamechas se calcula en relación al peso que se desea aplicar y depende de las características de la formación, pues se carga más peso por pulgada de trépano en terrenos duros que en los blandos. Además del peso correcto con que debe cargarse el trépano, es igualmente importante que aquel se mantenga uniforme. De otra manera en los momentos en que el peso es excesivo, se producirá fatiga en la columna de portamechas y tendencia a perforar un pozo torcido y si es menor al necesario, se reducirá la penetración. La colocación de un sistema de estabilización hace que el peso a cargarse sobre el trépano pueda ser aumentado. El perforador debe comenzar en general con poco peso e ir incrementándolo gradualmente, y no lo contrario. Un recurso aconsejable para determinar los pesos correctos a aplicar sobre el trépano, bajo condiciones dadas de perforación, es por medio de ensayos de campo y de laboratorio. Veremos ahora algunos resultados de ensayos de laboratorio. En la (FIGURA 2) se aprecia el aumento notorio de penetración que se logra cuando la carga sobrepasa la resistencia a la compresión de la formación. En la (FIGURA 3) se presenta un gráfico que muestra resultados de ensayos de laboratorio sobre el efecto del peso sobre el trépano en el grado de penetración, para cinco tipos de terrenos desde arenisca blanda hasta cuarcita rosada la que tiene un índice de perforabilidad aproximadamente igual al del pedernal. La conclusión más importante que puede sacarse de este gráfico es que la relación entre el peso sobre el trépano y la penetración es una función lineal, a partir de la carga que corresponde a la resistencia a la compresión del terreno. Remitiéndonos a la (FIGURA 3) vemos que en una cuarcita si prolongamos la curva correspondiente a dicha formación (parte punteada) hasta cortar la abcisa encontramos la resistencia a la compresión de este terreno en las condiciones del ensayo. En este caso la cuarcita debe ser cargada con un peso de 21.500 lbs.(9.700 kg). para ser fracturada. Puede verse también que en la dolomita, por ejemplo, si el peso sobre el trépano se duplica desde 10.000 lbs. a 20.000 lbs. (4,5 a 9 ton.), el grado de penetración aumenta de 1,4 a 3,5 pies/hora, o sea una relación de 2,5. Por lo tanto el aumento en el peso sobre el trépano aumenta notoriamente el grado de penetración. En la (FIGURA 4) se presentan resultados de ensayos en pozos para ser comparados con los resultados de laboratorio consignados en (FIGURA 3). Tanto la curva correspondiente a la arcilla blanda como la de la caliza medianamente dura, muestran un incremento en la penetración respondiendo a un aumento del peso sobre el trépano hasta un punto dado, después del cual el grado de penetración disminuye. Esta reducción a medida que se incrementa el peso sobre el trépano, después de tal punto crítico, se debe a que los "cuttings" no son removidos por la inyección con la suficiente rapidez, o sea que se ha llegado al "punto de empastamiento" del trépano. Sabemos que hay otros factores que tienen relación con este "punto de embotamiento" tales como el largo de los cortadores del trépano, la naturaleza de la formación que se perfora, la velocidad de rotación, las características y el caudal de la inyección que circula. En ciertas

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formaciones y para trépanos a conos, si este "punto de embotado" sobrepasa la capacidad de carga del trépano, los cojinetes se gastarán en corto tiempo. En cualquier caso el grado de penetración óptimo generalmente será alcanzado cargando sobre el trépano un peso que se aproxima al “punto de embotado" cuando no se dispone de suficiente hidráulica. Dado que resulta difícil calcular o determinar la limpieza óptima del frente de avance del trépano se recomienda su determinación mediante ensayos en los pozos de avanzada.En la (FIGURA 5) puede verse el efecto del peso sobre el trépano antes de desbastarse. Esta curva corresponde a ensayos de laboratorio con un trépano común perforando arenisca dura. Puede comprobarse que los metros perforados aumentaron a incrementarse el peso sobre el trépano. Esto confirma generalmente los resultados de ensayos en los pozos, lo cual nos induce a expresar que cuando se carga insuficiente peso sobre el trépano, el terreno desgasta al trépano en mayor medida en que el trépano lo hace con el terreno. Con relación a la resistencia a la compresión de las rocas, las mismas varían desde la arcilla blanda y arenosa no consolidada, al extremo de los pedernales y otros. El orden de dureza o penetrabilidad (de menor a mayor) puede clasificarse, según su composición, en:

a) Arcillasb) Arenasc) Limosd) Arcillas esquistosas o esquistos arcillosose) Tiza o cretaf) Gravag) Areniscash) Conglomeradosi) Calcáreosj) Anhidritask) Dolositasl) Cuarcitas.

Son diferentes los grados de dureza en cada una de ellas y por lo tanto varía su grado de permeabilidad o compactación así como su resistencia a la comprensión. La gran variedad de formaciones y su diferentes grados de dureza hacen que los valores y la relación de los diferentes factores que influyen para obtener la máxima penetración sean distintos, por lo que a se ha limitado la clasificación de las formaciones a la enunciada más arriba, que ofrecen distinto grado de dureza, abrasión y penetrabilidad. Además las propiedades físicas de las rocas varían cuando están sujetas a altas presiones. Cuando se hallan a 3.000 m. (10.000') de profundidad bajo la presión de las formaciones de más arriba tienen distintas características físicas que cuando son traídos a la superficie y se hallan a presión atmosférica. Se efectuaron ensayos en los Laboratorios de Hughes Tool Co. conducentes a determinar cómo responden ciertas formaciones a presión atmosférica, comparado su comportamiento con el que tienen bajo altas presiones. Se empleó una bolilla de carburo de tungsteno de 5 milímetros de diámetro como "penetrador" y se le cargó un peso muerto a la probeta y ello hizo posible observar la reacción de algunos terrenos bajo presión atmosférica. Para comparar el comportamiento de la misma formación bajo altas presiones se crearon en lo posible las condiciones reales del fondo de un pozo de ambiente de petróleo, bajo una presión de 5.000 lbs/pul2, (350 Kg/cm). Tales probetas fueron previamente cubiertas con un plástico para evitar que el petróleo entrara en los poros de la misma, pues quitaría presión en la superficie.

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Los ensayos se hicieron en recipientes especiales y el peso aplicado al "penetrador" fue el mismo empleado en el ensayo a presión atmosférica. Tales ensayos se efectuaron en cuarcita rosada, granito, varios calcáreos y dolomitas.

Durante la aplicación del peso, bajo presión atmosférica, algunas probetas sufrieron una serie de roturas sonoras, acompañadas por pequeñas fisuras que podían verse a simple vista. A medida que el peso aumentaba el material debajo del "penetrador" se proyectó de repente en forma de pequeñas astillas y roca pulverizada, dejando un orificio en el lugar donde el material fue removido, este tipo de rotura de la formación es indicativa de cómo responde la misma a la acción de la fractura o resquebrajado por el trépano. Ahora bien, cuando algunas de tales probetas se ensayaron bajo presiones de 5,000 lb/pulg2, (350 Kg/cm2) la respuesta de las mismas fue totalmente distinta pues presentó sólo una marca de dureza Brinell muy clara como aparecería en un acero blando. Quedó una depresión de la forma del "penetrador" en la probeta con material expelido y acumulado en su alrededor. La (FIGURA 6) muestra los resultados de ensayos efectuados en un testigo de arenisca de Rusk Springs (Estados Unidos de N. América). Las dos fracturas de la izquierda fueron obtenidas a presión atmosférica, las indicaciones A 1.600 y A 2.200 corresponden a los pesos en libras, empleados para producir tales impresiones. Las astillas acumuladas a pesar de estar fijas, fueron fácilmente removidas. Las dos marcas de la derecha fueron obtenidas bajo presión de 5.000 lbs/puIg2, (350 Kg/cm2) bajo ambiente de petróleo y las indicaciones H 4.000 y H 3.500 indican las cargas necesarias para producir tales impresiones. El material parecería fluir para formar tales marcas semiesféricas. Este material expulsado no fue removido fácilmente. El halo obscuro alrededor de tales marcas eran granos de roca que estaban fijados firmemente en su lugar por lo que para ser removidas debió emplearse un instrumento filoso con un considerable esfuerzo. No todas las formaciones mostraron este cambio en sus características. Algunas, como la cuarcita, el granito, y las dolomitas mostraron el mismo tipo de fractura tanto bajo alta presión como a presión atmosférica. A pesar de ello en cada caso, se comprobó que el peso requerido para producir la fractura bajo altas presiones fue de 50 a 400% más alto que a presión atmosférica.

B - VELOCIDAD DE ROTACION

La velocidad de rotación, si bien tiene una influencia menor en la penetración que el peso sobre el trépano, es sin embargo un factor que también la afecta. En la (FIGURA 7) pueden verse un ensayo de laboratorio y otro de campo:Como puede observarse, en ambos casos para un peso constante la penetración aumentó al incrementarse la velocidad de giro del trépano.En ambos gráficos la parte punteada de las curvas son extrapolaciones de los valores medidos.De igual forma que en el caso del peso, las relaciones fueron establecidas para condiciones hidráulicas constantes.

RELACION DE LOS PARAMETROS MECÁNICOS (PESO Y ROTACION)

Como se ha visto anteriormente, existe una relación entre la penetración y la carga que se aplica sobre el trépano y también de la penetración con respecto a la velocidad de rotación. El incremento del valor del peso y rotación producirán incrementos en el avance del trépano dentro de ciertos límites, pero ¿es posible relacionar estos tres valores en una única ecuación? Los estudiosos del tema han efectuado aproximaciones al problema, que es muy complejo debido a la cantidad de factores que intervienen y a la condición aleatoria de algunos de estos factores. No siempre es posible conocer de antemano las características de las formaciones a atravesar, las cuales a su vez difieren con la profundidad y presentan espesores diversos; por otra parte en

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todo cálculo teórico se tiende a tomar cada formación como homogénea (isótropa), cuando en realidad en la mayor parte de los casos existen direcciones preferenciales de mayor y menor resistencia (anisotropía).Además, el trépano sufre desgaste a medida que avanza, lo cual significa que va modificando la geometría de sus cortadores y debido a ello es posible que modifique las necesidades de peso y revoluciones de las que originalmente se asumieron.Varios autores han propuesto ecuaciones para la penetración aplicables a los trépanos de conos. La aproximación mas usual considera a los factores intervinientes en forma independiente y se los relaciona con una expresión de la penetración R del siguiente tipo:

R = (f1) (f2) (f3) ... (fn)

Donde (f1) a (fn) son funciones de los diferentes factores que intervienen y afectan a la penetración.Bourgoyne y Young proponen ocho funciones en su modelo, con expresiones que a su vez cada una de ellas dependen de ocho exponentes a1 hasta a 8. Estos exponentes deben calcularse experimentalmente a partir de pozos ya perforados. La función f1 por ejemplo responde a la siguiente expresión:

f1 = e 2,303 a1 = K que representa la influencia en la penetración de la resistencia de la roca y del tipo de trépano, como así también del lodo usado.

En este esquema la función f5 tiene en cuenta el efecto del peso sobre el trépano en la penetración y la función f6 la velocidad de rotación. Estas funciones dependen a su vez de los exponentes a5 y a6.Dada la complejidad de modelos de este tipo, que requieren la determinación experimental de gran cantidad de valores, otros autores han propuesto formas simplificadas donde intervienen los parámetros de mayor influencia en la velocidad de perforación.Maurer propuso la ecuación:

R = K / S2 . W / d b – ( W0 / d b ) 2 x N

Donde, K: constante de proporcionalidad

S: resistencia a la compresión de la roca

W: Peso aplicado sobre el trépano

W0: Peso sobre el trépano necesario para iniciar la rotura de la roca

d b: Diámetro del trépano

N: velocidad de rotación

Como se ve, en este caso el exponente a5 es igual a 2 y a6 es igual a 1.

Bingham propuso a su vez una ecuación mas simplificada:

R = K . W / d b a5 . N (donde

a5 = d, luego hayque determinar el dc = d corregido (intervienen los valores del lodo)

Donde, K: constante de proporcionalidad que incluye en este caso la resistencia de la roca

W, d b y N: igual que en el caso anterior.

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Como puede verse, Bingham asume también a6 = 1 y considera despreciable el valor de W0.Sin embargo los resultados de experiencias reales han mostrado que el exponente de la velocidad de rotación tiene valores diferentes de 1. Debido a ello parece mas realista asumir una expresión donde se consideren tanto a5 como a6, lo que da como resultado:

R = K . W / d b a5 . N

a6

De cualquier modo los valores de K, a5 y a6 deberán encontrarse experimentalmente para cada caso particular. En base a esas experiencias, se ha determinado que la variación del valor de estos dos exponentes se encuentra dentro de los siguientes rangos:

0,6 < a5 < 2,0 y 0,4 < a6 < 0,9

Ambos exponentes pueden calcularse para cada caso particular mediante un ensayo de perforabilidad o drilloff test (DOT).Este ensayo consiste en aplicar un alto peso inicial al trépano dejando el freno colocado, de modo que el avance del trépano se efectúa a expensas de la elasticidad de la columna perforadora y con una velocidad de rotación constante, registrándose las reducciones en la carga en función del tiempo. Puesto que el avance se produce por estiramiento de la columna, puede aplicarse la ley de Hooke:

= E x que para nuestro caso toma la forma:W / A = E . L / L de donde: L = ( L / E . A ) x WLa penetración es: R = L / t = (L / E . A ) . W / t

Donde: L = estiramiento de las barras de sondeoL = Longitud de las barras de sondeoE = Modulo de elasticidad del acero (Young) 30x106 psi.A = Area neta de acero de las barrasW = Reducción del peso en el intervalo consideradot = Intervalo de tiempo considerado

No se toma en cuenta el estiramiento de los portamechas por ser prácticamente despreciable frente al de las barras de sondeo. Por otra parte considerando que las uniones de las barras de sondeo por su mayor espesor tampoco contribuirán apreciablemente al estiramiento de la columna, se reduce la longitud de barras en un 5%. Con estas consideraciones, la expresión para la penetración resulta:

R = 0,95 . (L / E . A) . (W / t)

Procedimiento para correr un "drilloff test"

1. Seleccionar la profundidad a la cual hacer el "drilloff test, la litología esperada debe ser uniforme. (preferentemente lutitas)

2. Perforando con el peso usual poner el freno y determinar el tiempo requerido para reducir 10% el peso. este será el "tiempo característico"

3. Incrementar el peso al valor inicial del drilloff test, debe ser al menos 20% por encima del usado corrientemente.

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4. Perforar con este peso lo suficiente como para establecer el nuevo ritmo del trépano. esto significa un tiempo usualmente de un tiempo característico por cada 10% de incremento en el peso. ejemplo: para un 20% de incremento se usaran 2 "tiempos característicos".

5. Poner el freno y mantener una velocidad constante de rotación. registrar el tiempo por cada intervalo constante de disminución de peso. si el peso fluctúa, tomar el punto medio de las fluctuaciones. El test se continua hasta que se ha relevado un 50% del peso.

6. Graficar en papel logarítmico (t2 - t1) en función de W o "R" función de "W" el resultado debe ser una recta cuya pendiente es "a". Pueden ocurrir desviaciones de la recta para pesos altos si el trepano zapatea en el fondo.

7. Si es posible se debe repetir el test para otra velocidad de rotación. Si se observó la tendencia a desviar de la recta (zapateo), usar una velocidad menor, en caso contrario usar una mayor.

Ejemplo de Drilloff TestSupongamos que se ha efectuado un registro de DOT para 80 y 120 rpm, con una carga inicial de 80.000lbs y tomando tiempos cada 4.000 lbs de decrecimiento del peso. Las barras de sondeo son de 4 ½ pulg. 16,6 lb/pie (A = 4,414 pulg2) y su longitud es: L = 12.000 pies. El diámetro del pozo es de 8 ½¨.Aplicando la expresión para obtener R:

R = (0,95*12.000*4.000 / 30*106*4,414) * ( 1 / t ) = 0,344 (ft/seg)/t o R = 1.240/t (ft/h)

Los valores resultantes pueden verse en la tabla siguiente:

PESOPESO

PROMEDION = 120 rpm N = 80 rpm

Tiempo t1 – t2 R Tiempo t1 – t2 R(x1.000

lb)(x1.000 lb) (seg) (seg) (pies/hora) (seg) (seg) (pies/hora)

80 0 078 104 11.9 108 11.5

76 104 10874 106 11.7 120 10.3

72 210 22870 110 11.3 132 9.4

68 320 36066 116 10.7 146 8.5

64 436 50662 126 9.8 162 7.7

60 562 66858 142 8.7 180 6.9

56 704 84854 160 7.7 202 6.1

52 864 105050 181 6.8

48 1045

Si se grafican los valores del peso (W) en función de la penetración R en un gráfico log-log para ambos casos, 80 y 120 rpm, se obtendrán dos líneas paralelas y cuya pendiente es el valor del exponente a5 en el área de alineamiento rectilíneo de los puntos. En nuestro caso este valor resulta ser: a5 = 1,5

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Vamos a calcular ahora a6:Tomando un valor del peso ubicado en la parte central de la tabla, a fin de evitar distorsiones en los extremos de la recta, por ejemplo W = 66.000 lbs, anotamos la penetración para N1=120 rpm que es: R1= 10,7 pies/hora, y para N2=80 rpm es R2 = 8,5 pies/min.Podemos entonces decir que:

R1 = C x N1a 6 y R2 =C x N2

a 6 donde C incluye todos los otros valoresque son constantes.

Dividiendo miembro a miembro: R1 / R2 = N1 / N2 a 6

Por lo tanto: a6 = 0,57Si aplicamos los valores hallados para obtener el de la constante de proporcionalidad K, tomando un valor de R en la sección recta de la curva logR-logW, por ejemplo R= 10.7 pies/hora para un peso W= 66.000 lb y rotación de N= 120 rpm, entonces es:

K = R / (W/db)1.48 * Na6 = 10.7 / (66.000/8.5)1.48*(120 0.57)*12 (pulg/pie) / 60

(min/hora)

K = 2,44 * 10 -7

Si aplicamos este valor de K a la ecuación básica: R = K x W / d b a5 x N

a6

podemos establecer, para nuestro caso, un cuadro de penetraciones probables para diferentes cargas sobre el trépano y velocidades de rotación, como se muestra a continuación:

N (rpm) W (libras)

20,000 25,000 30,000 35,000 40,000 45,000 50,000 55,000 60,000 65,000 70,000

40 0.98 1.36 1.78 2.23 2.72 3.24 3.79 4.36 4.96 5.59 6.23

50 1.11 1.54 2.02 2.54 3.09 3.68 4.30 4.95 5.64 6.34 7.08

60 1.23 1.71 2.24 2.82 3.43 4.08 4.77 5.50 6.25 7.04 7.85

70 1.34 1.87 2.45 3.07 3.75 4.46 5.21 6.00 6.83 7.68 8.58

80 1.45 2.02 2.64 3.32 4.04 4.81 5.62 6.48 7.37 8.29 9.25

90 1.55 2.16 2.82 3.55 4.32 5.15 6.01 6.93 7.88 8.87 9.90

100 1.65 2.29 3.00 3.77 4.59 5.46 6.39 7.35 8.37 9.42 10.51

110 1.74 2.42 3.17 3.98 4.85 5.77 6.74 7.77 8.83 9.94 11.10

120 1.83 2.54 3.33 4.18 5.09 6.06 7.09 8.16 9.28 10.45 11.66

130 1.91 2.66 3.48 4.38 5.33 6.35 7.42 8.54 9.71 10.94 12.20

Este cuadro de valores permite ubicar para un trépano dado el rango de penetraciones posibles. Si se tratara de un trépano código IADC 6-2-7, para el cual se recomiendan cargas de 4.300 a 6.000 lb/pulg de diámetro y velocidades de 40 a 60 rpm, las penetraciones estarían aproximadamente entre 2,2 y 5,5 pies/hora.Resulta evidente que si se incrementan el peso y la velocidad de rotación, también se incrementará el desgaste del trépano y por lo tanto se reducirá su permanencia en el fondo, de modo que la mayor penetración no significará necesariamente el menor costo por metro. Para encontrar el peso y velocidad óptimos, se debe introducir en el cálculo teórico algunos de los criterio de desgaste de los dientes y cojinetes del trépano. Cualquiera de los criterios no obstante, requiere de datos obtenidos a partir de experiencias de campo en áreas o pozos similares.

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CALCULO DEL COSTO METRICO

Una de las formas prácticas de determinar el tiempo óptimo de permanencia del trépano en el fondo, es el cálculo del costo métrico. Este valor se establece por la expresión:

Cm = Ct + Ceq * (Tr + Tc + Tv) / L Donde: Ct = costo del trépanoCeq = costo horario del equipoTr = tiempo de rotaciónTc = tiempo de conexiónTv = tiempo de viajeL = longitud perforada

Calculando el valor de Cm a intervalos regulares a medida que avanza la perforación, se advierte que inicialmente el costo por metro es extremadamente alto y desciende a medida que el trépano avanza. Sin embargo, dado que el trépano se desgasta y por lo tanto la penetración disminuye, el ritmo de decrecimiento del costo disminuirá y finalmente en algún momento comenzará a incrementarse. El punto de costo mínimo representa el tiempo óptimo para retirar el trépano.El método es válido en la medida en que la formación que se está perforando permanezca constante, ya que un cambio en la penetración y su consecuente incidencia en el costo métrico puede también estar determinada por un cambio en las condiciones litológicas. Por este motivo es práctico cuando se sigue este método, asegurarse sobre las condiciones de la formación antes de sacar el trépano.

Ejemplo de costo métrico

Supongamos que se corre un trépano con las siguientes condiciones:

Profundidad de inicio de la carrera: L = 1.350 mTiempo de viaje (para 1350m): Tv = 8 horasIncremento del tiempo de viaje: Tv = 10 min. cada 200mTiempo de conexión: Tc = 1 min. por barraCosto del equipo: Ceq. = 390,00 $/horaCosto del trépano: Ct = $ 7.800

Aplicando la expresión para el costo métrico a las profundidades alcanzadas por el trépano en intervalos de 5 horas, podemos observar que el mínimo costo de 69,31 $/m se produce para un tiempo de 50 horas con 444 m perforados. Mas allá de ese tiempo el costo se incrementará.

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Tr Prof. L R Tv Tc Cm(hrs) (m) (m/hr) (hrs) (hrs) ($/m)

0 1350 0 0.0 0.00 0.00 0.005 1407 57 11.5 8.005 0.11 225.25

10 1462 112 11.2 8.009 0.21 132.9715 1514 164 10.9 8.014 0.30 102.9020 1563 213 10.7 8.018 0.40 88.4425 1610 260 10.4 8.022 0.48 80.2930 1653 303 10.1 8.025 0.56 75.3535 1693 343 9.8 8.029 0.64 72.2940 1730 380 9.5 8.032 0.70 70.4845 1764 414 9.2 8.034 0.77 69.5550 1794 444 8.9 8.037 0.82 69.3155 1820 470 8.5 8.039 0.87 69.6460 1842 492 8.2 8.041 0.91 70.4865 1860 510 7.9 8.043 0.95 71.81

PREDICCION DE LOS TIEMPOS DE PERFORACION

El presente método de cálculo está extraído del libro “Applies Drilling Technology” de A.T.Bourgoyne, M.E.Chenevert, K.Milheim y F.S.Young Jr. - publicado por el SPE Textbooks series Volumen 2.

Normalmente es necesario estimar cual será el costo de la perforación en una nueva locación.

Este costo dependerá fundamentalmente del tiempo total que demande la ejecución del pozo. Ese tiempo total depende a su vez de una cantidad de factores que podríamos agrupar en factores geográficos y litológicos. Los geográficos incidirán sobre la locación, transportes y mantenimiento del equipo. Los litológicos están relacionados con la profundidad y dificultades a encontrar en el subsuelo, incluida la resistencia de los terrenos a atravesar.La velocidad de perforación dependerá de esa resistencia a la compresión y al corte de las formaciones y, en general, disminuirá con la profundidad ya que a mayor profundidad la resistencia de las rocas aumenta.

Si no hay otra información disponible, se puede considerar que la velocidad de penetración del trépano decrece logarítmicamente con la profundidad. De esta forma la penetración puede calcularse mediante la siguiente expresión:

dL/dtr = K x e-aL Donde: L= profundidad (m) tr= tiempo de rotación (horas) K= constante (n/hora) a= constante (1/m)

integrando entre 0 y t, y 0 y L se obtiene: t LK dt = e-aL dL

0 0tr = (1 / K . a) .(e-aL - 1) (1)

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Cuando un área ya tiene ciertos datos de perforación, la predicción puede mejorarse para los futuros pozos sobre la base de los tiempos reales consumidos, a los que se afectará de la ganancia que puede obtenerse por mejoramiento de las técnicas y métodos de ejecución.El tiempo necesario para efectuar los cambios de trépanos depende fundamentalmente de la profundidad, de la velocidad de izaje del equipo y de la habilidad de la cuadrilla de perforación para efectuar este tipo de maniobre.Este tiempo puede estimarse conociendo o asumiendo un valor razonable para el tiempo necesario para sacar cada tiro de barras y portamechas y sabiendo la longitud de cada tiro, siempre y cuando se tenga una idea bastante aproximada de la cantidad de trépanos que se pueden llegar a usar.En efecto, en este caso el tiempo total de maniobra para sacar y bajar los n trépanos será:

tm = 2 x (t1 + t2 + t3 + ----- + tn) Donde: t1, t2 ---- tn son los tiempos para bajar o sacar cada trépano.

Pero: t1 = (L1/lt) x tt Donde: L1, L2, ---- Ln son las profundidades a las cuales set2 = (L2/lt) x tt cambia trépano.------------------------- lt: longitud de un tirotn = (Ln/lt) x tt tt: tiempo para sacar o bajar un tiro.

Reemplazando:tm = 2 x [(L1/lt) x tt + (L2/lt) x tt + ---- + (Ln/lt) x tt ]

n

tm = 2 x (tt / lt ) x Li (2) 1

Cuando el intervalo perforado Li no es conocido, se puede estimar mediante la ecuación:

Li = (1/a) x ln (a x K x ti + eaLi – 1) Se obtiene integrando la expresión (2)

Donde: ti: tiempo de rotación total correspondiente al intervalo Li que seconsidera.

Li-1: profundidad final alcanzada por el trépano anterior.

Cuando no existen datos suficientes hay que estimar el tiempo de rotación ti, el que se irá corrigiendo a medida que se vaya obteniendo mayor información.

Además de calcular el tiempo de rotación necesario para un pozo a perforar, también se deben estimar los tiempos requeridos para otras operaciones auxiliares. Normalmente estas operaciones pueden subdividirse en los siguientes grandes ítems:

1) Preparación de la locación y camino de acceso.2) Traslado y montaje del equipo.3) Evaluación de las formaciones (perfilajes, testigos y ensayos a pozo abierto)4) Entubación, cementación y períodos de frague de cemento)5) Tiempo para completar el pozo (terminación)6) Problemas de la perforación que puedan preverse.

La preparación de la locación y el camino de acceso dependen de la geografía del lugar donde se perforará el pozo. En un lugar llano y libre de obstáculos naturales, como es en general nuestra región patagónica, puede insumirse un tiempo relativamente breve. En cambio en zonas muy accidentadas, como el noroeste de salta, con cerros y selva, hay que hacer cortes, desmontes y caminos difíciles que pueden demorar largo tiempo.

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El traslado y montaje del equipo también dependerá en parte de los factores geográficos y en parte del tipo de equipo que se use y de su tamaño.

Los perfilajes, obtención de testigos y ensayos insumirán un tiempo tanto mayor cuanto mayor sea la cantidad de información qué se desea obtener del pozo; esto dependerá del tipo de pozos, exploración o desarrollo, y del uso futuro que se piense dar a esa información.

La entubación, cementación y fragüe del cemento, insumirán un tiempo directamente relacionado con el número de cañerías y su profundidad de colocación.

El tiempo de terminación o completamiento puede ser muy variable y está relacionado con el número de capas a ensayar, el conocimiento correcto sobre el comportamiento de las zonas productivas necesidad de estimulación y sistema de producción a colocar.

Por último hay algunos problemas frecuentes en la perforación, variando según las áreas de trabajo, como por ejemplo pérdidas de circulación, roturas de herramientas de perforación, desvío de pozos, etc. Estos problemas no son predecibles con ninguna certeza y en muchos casos no ocurrirán, pero sin embargo es conveniente prever un cierto tiempo que cubra estos posibles inconvenientes. EJEMPLOSe trata de determinar teóricamente el tiempo de perforación de un pozo en un área de Neuquen. Se tienen los registros de trépanos de dos pozos cercanos, que llamaremos Ref.1 y Ref.2.

Pozo Ref.1

NÚMERO DE ORDEN

DIAMETRO PROFUNDIDADDE EXTRACCION

PENETRACION(M/HORA)

1 17.5 106 11.452 12.25 785 25.143 12.25 1009 17.924 8.5 1258 14.865 8.5 1900 12.656 8.5 2336 3.687 8.5 2843 3.848 8.5 3105 2.98

Pozo Ref.2

NÚMERO DE ORDEN

DIAMETRO PROFUNDIDADDE EXTRACCION

PENETRACION(M/HORA)

1 17.5 106 20.192 12.25 826 30.633 12.25 1006 18.944 8.5 1252 13.475 8.5 1952 13.146 8.5 2336 4.037 8.5 2933 4.618 8.5 3190 3.16

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Si graficamos los puntos de penetración de ambos pozos en función de la profundidad, obtenemos el gráfico que se muestra a continuación. Se ha trazado la recta promedio de los valores de ambos pozos.

Del gráfico obtenemos:

K= 40

2,303 x a= 2,303/1750= 0.00121

Aplicando la expresión (1): tr = (1 / 2,303 . K . a) . (e-2,303aL - 1)

El factor 2.303 es para convertir los logaritmos neperianos a decimales.

El valor: 1 / (2,303 x K x a) = 16,5

El tiempo de rotación tr será: tr = 0.00031 x 2,718 0,00121 x L – 1

Aplicando esta expresión se calculó la tabla y gráfico siguientes:

18

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1 10 100

Log RP

rof.

Ref.1

Ref.2

20 30 40 50

Es decir que el tiempo de Rotación total es: 781,2 horas

Para calcular los tiempos de maniobra, emplearemos la expresión (2): n

tm = 2 x (tt / lt ) x Li

1

Donde: tt = 3 min= 0,0583 horas, lt = 27m

Y de acuerdo a los pozos de referencia, tomaremos 8 intervalos a las siguientes profundidades promedio:

Por lo tanto será:

tm = 2 x (0,0583/27) x 13.476tm = 57,3 horas

Debemos estimar ahora los otros tiempos insumidos en la ejecución

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L tr(m) (horas) (días)0 0.0 0.0

200 4.5 0.2400 10.3 0.4600 17.6 0.7800 27.0 1.11000 38.9 1.61200 54.2 2.31400 73.5 3.11600 98.2 4.11800 129.7 5.42000 169.8 7.12200 220.9 9.22400 286.0 11.92600 369.0 15.42800 474.7 19.83000 609.5 25.43200 781.2 32.5

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 200 400 600 800 1000

Tiempo (días)

Pro

fun

did

ad

(m

)

L1= 106

L2= 800

L3= 1000

L4= 1250

L5= 1930

L6= 2340

L7= 2900

L8= 3150

del pozo:

Montaje, desmontaje y transporte: 65 horasEntubaciones, cementaciones y frague: 72 horasEvaluaciones del pozo: 18 horasMantenimiento del equipo: 20 horas Total: 175 horas

En resumen el tiempo total para la perforación del pozo (excluida la terminación) es:

Tiempo de rotación: 781,2 horasTiempo de maniobras: 57,3 horasOtros: 175 horas Tiempo total: 1013,5 horas

42 días

El tiempo real de un pozo de la misma área, a la misma profundidad es de alrededor de 37 días como promedio de pozos normales.

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