Aunque hay muchas ventajas con esta técnica también hay numerosos desafíos, por ejemplo: es más difícil diseñar la operación, y controlar la presión del fondo del pozo el cual necesita que el flujo polifásico pueda ser modelado con precisión.

La tecnología de Petróleo Scandpower está desarrollando modelos de pozos de flujo dinámico de alta precisión y tiene a través del conjunto Drillbench una herramienta excelente para integrarla con la nueva tecnología como el módulo de acarreo de recortes (cuttings).


La limpieza del pozo en UBD

Se requieren más equipos y procedimientos antes, durante y después de la operación UBD (comparada con la perforación tradicional). Además, muy poco se sabe a cerca de las propiedades hidráulicas de los fluidos de UBD y aún menos se sabe de las propiedades para limpiar el pozo. La limpieza es un factor importante que afecta el costo, el tiempo de perforación, la seguridad en la extracción del petróleo y la perforación del pozo gasífero.

Si la limpieza del pozo se realiza de forma incorrecta, ésta puede causar problemas muy caros como por ejemplo: el prematuro desgaste del trépano, el aprisionamiento diferencial, una perforación más lenta, formaciones que se fracturan, alta torsión y arrastre.


Los esfuerzos de la industria

Las empresas petroleras y el departamento de Estados Unidos han patrocinado los proyectos JIP para estudiar los complejos problemas relacionados con la limpieza del pozo en condiciones de UBD. Desde 1999 se ha invertido un total de 5.97 millones de dólares (75% del departamento de Energía y el 25% de la industria petrolera) en la Universidad de Tulsa en el Proyecto de Investigación sobre la Perforación (TUDRP).

Probablemente las instalaciones de circuitos cerrados para simulación sean unas de las más extensas de su tipo en Estados Unidos. La instalación fue diseñada para simular operaciones, en condiciones de pozo (a elevada presión y temperatura), de perforación convencional y de bajo balance. Varios informes se han publicado, los cuales han generado una gran cantidad de información valiosa y modelos mecánicos únicos.


Las predicciones BHP (de la presión del fondo del pozo)

Las evaluaciones de la presión del fondo del pozo es una de las tareas más importantes durante las operaciones de UBD. La predicción exacta del BHP es la clave para una operación exitosa. Sin embargo, los recortes tienden a depositarse y formar una capa estacionaria. Como consecuencia, las concentraciones de recortes en el pozo no es lo mismo que cerca del trépano.

De igual modo no es lo mismo la fracción másica del gas que la inyección de la fracción másica de gas. Dos de los parámetros más importantes en el cálculo de BHP son: la presión de la fricción anular y la densidad de la mezcla .Estas son muy difíciles de evaluar debido al comportamiento del flujo polifásico, donde el gas, los líquidos y los sólidos fluyen simultáneamente a diferentes índices de fluidos.

Al introducir una fase gaseosa en un sistema de fluidos se generan más características dinámicas del acarreo de recortes. La parte líquida de la mezcla provee la capacidad de movimiento a los escombros y asegura que los escombros viajen a la velocidad del líquido si no están en el lecho de escombros.

Los sistemas de circulación polifásicos hidráulicos (como los que tienen las operaciones UBD) pueden ser simplificados a un sistema de fluidos de 2 fases en el cual solo una mezcla del fluido líquido y del gaseoso fluye con o sin lechos de escombros al fondo del espacio anular.

Los regimenes de fluidos más comunes para posibles acarreos de escombros son el flujo tapón y flujo con dispersión de burbujas. Las capas de recortes se forman cuando el índice de flujo del fluido en el espacio anular no puede prevenir que los recortes se acumulen.

Mientras el espesor del lecho aumenta, la velocidad anular y la pérdida de la presión friccional incrementan debido al área de flujo reducido hasta que se alcanza la condición de equilibrio, si las condiciones de la operación no cambiaron (la tasa de bombeo y las propiedades del lodo). La mayoría de los modelos de acarreo de recortes se encuentran establecidos bajo condiciones de equilibrio.


El modelo del acarreo de recortes (cuttings)

Se desarrolló un nuevo modelo de acarreo de recortes que predice la mínima velocidad anular (U min) para limpiar los pozos que están inclinados y horizontales. La U (min) es la velocidad que mantendrá al orificio del pozo casi limpio. El modelo combina 2 fases de ecuaciones hidráulicas, la teoría del estrato límite de turbulencia y el mecanismo de acarreo de partículas. Si la tasa de bombeo es menor que la U (min), los escombros se acumularán en el espacio anular.
El espesor de las capas de los recortes se puede calcular con este modelo. El nuevo modelo mecánico se puede utilizar para evaluar el efecto de la limpieza del pozo del índice del flujo líquido, tasa de inyección de gas, el tamaño de los escombros, la densidad, la temperatura, la presión del fondo del pozo, la inclinación del ángulo y las propiedades reológicas del lodo de la perforación. El modelo fue aprobado a través de información experimental disponible.


El efecto de la inyección del gas

A través de estudios se ha descubierto que la inyección de gas afecta relativamente poco a un sistema de agua/ aire. Para el agua, que es un fluido de baja viscosidad, ya el sistema es lo suficientemente turbulento sin introducir gas en el mismo. Esto puede explicar porque la fase gaseosa posee menor efecto en el acarreo de recortes con agua. Sin embargo, en los sistemas no-Newtonianos de lodo/gas, parece que la inyección de gas juega un papel más importante. La turbulencia creada por la fase gaseosa permite una más rápida redistribución de la fase líquida en el espacio anular (alta velocidad de formación del tapón líquido. El modelo se ha aplicado en un ensayo con un anillo horizontal de 6 x 3.5 pulgadas con aire y ecuación potencial de lodo (power law mud: n = 0.67K, k = 0.335 Pa .s). La U (min) es sensible a las variaciones del índice de inyección de gas y su aumento aparentemente puede ayudar a limpiar el pozo. El efecto de la GLR (relación gas/ líquido) en el acarreo de recortes parece ser sensible también a otros parámetros de flujo y es altamente influenciado por el índice de flujo líquido.

La densidad del lodo y de los recortes

El incremento del peso del lodo tiene un efecto positivo en el acarreo de recortes. La U (min) disminuye mientras que la densidad del lodo aumenta. El incremento de la densidad de los recortes hace que la limpieza del pozo sea más dificultosa. La simulación de un espacio anular de 8 x 4.5 pulgadas, con 45° de inclinación vertical y con k = 0.335 Pa .s y n = 0.67 demuestra que para remover completamente 2.61 sg que es la densidad de los recortes (el promedio del tamaño del diámetro es de 3mm) desde este espacio anular utilizando1.08 sg que es la densidad del lodo, se requiere una tasa de bombeo de casi 500 gal/min.

Se informó que los recortes más largos son más dificultosos para transportar a todos los ángulos de inclinación si se utilizan fluidos de baja viscosidad. Sin embargo, es más fácil transportar recortes a pequeños ángulos (de 0° a 60 vertical) utilizando fluidos de alta viscosidad.

Cuando los escombros disminuyen a 0.5mm y son casi horizontales, es mucho más difícil mover las partículas pequeñas. El modelo demuestra que cuando el tamaño de los recortes es casi de 0.55mm requiere mucha más velocidad (80% más) para remover los recortes comparados con los recortes de 5mm.


El ángulo del pozo

El aumento del ángulo del pozo disminuye significativamente la eficiencia del acarreo de recortes. Se descubrió que los ángulos de 45° a 60° (de inclinación vertical) son los más difíciles de limpiar. Para el lodo con alta y baja viscosidad el aumento de la inclinación vertical requirió un dramático incremento en la velocidad mínima anular para remover los recortes. La máxima concentración se encontró en los ángulos mayores a 45°. Cuando el ángulo del pozo es de 60° a 90°, tiene poco efecto en el acarreo de recortes. Para un espacio anular de 6x 35 pulgadas, el máximo de U (min) ocurre a 60° y cae dramaticmanete cuando el ángulo del pozo se aproxima a la posición vertical. Entre el rango de 150-170 gal/min, los recortes son transportados eficazmente sin importar la inclinación del ángulo.


Presión y temperatura

Como la mayoría de las propiedades de los fluidos son funciones de P (presión) y T (temperatura), los efectos de P y T pueden investigarse a través de los cambios de n, k y de la densidad del lodo y del gas. Como fue descripto anteriormente, la fase gaseosa se comprimirá bajo una alta presión y puede llegar a disolverse en la fase líquida, la cual en efecto provocará que la velocidad superficial de gas en la sección más baja del pozo sea mucho más pequeña que en la parte de arriba.

Como resultado puede causar una disminución en la eficacia del acarreo de recortes. Se informó que su influencia disminuye cuando la temperatura aumenta. Hasta con un incremento del 30% de la fracción del volumen de los recortes en un espacio anular horizontal de 6 x 3.5 pulgadas se mide con precisión mientras que todos los otros parámetros de la operación se mantienen sin cambios. Es importante saber este efecto negativo especialmente cuando se perforan pozos HTHP.

Estos resultados ahora se aplican en nuevos modelos de softwares que pueden ser integradas con aplicaciones UBD en el conjunto Scandpower´s Drillbench.

Como resultado permitirá un mejor diseño y modelo para las operaciones UBD en los pozos horizontales y de alta inclinación.