Hola amigos y amantes de la ciencia, ingeniería, tecnología y matemática, en general a los amantes del contenido STEM.
En esta oportunidad quiero compartir con ustedes la importancia de conocer y entender los principios básicos de presión, sobre todo en el caso de las presiones encontradas en un pozo de petróleo.
En un pozo de petróleo existen presiones en el fondo que son muy peligrosas y por ende es necesario que se tenga control de estas presiones, a la final si tenemos el control de dichas presiones, tendremos el control del pozo.
Clásicamente a todos los que estudiamos alguna ingeniería y desde que vimos física en el bachillerato se nos dijo que presión es la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área:
Como principio básico está muy bien el poder entender un concepto de presión de esta forma, sin embargo las presiones con las que tratamos en la industria petrolera y en especial en un pozo de petróleo incluyen presiones generadas por fluidos, estos fluidos son diversos y van desde fluidos de perforación, fluidos de la formación como petróleo, agua y gas, también se genera fricción entre componentes como la mecha de perforación con los elementos rocosos de la formación, razón por la cual se requiere de un estricto control de estas presiones en el pozo.
Presión de un fluido
Un fluido simplemente es materia que no es sólida y que puede fluir, en el caso de la industria petrolera y en especial en la perforación de pozos son fluidos encontrados en estas actividades el agua, petróleo y gas natural que está disuelto en el petróleo.
Es muy probable que existan yacimientos que solo albergan materia fluido en el fondo, ya que al estar sometidos a temperaturas y presiones extremas, casi todo lo encontrado es fluido, pero para el estudio y entendimiento de la perforación de un pozo solo vamos a considerar fluidos al petróleo, gas y agua.
Para el caso de la industria petrolera y en especial el de un pozo de petróleo los fluidos ejercen presión, por ejemplo el fluido de perforación de forma estática ejerce una presión sobre las paredes del pozo, tal y como lo haría el agua en un recipiente cilíndrico:
Si cambiamos el enfoque tradicional del concepto de presión, ya que para este caso no es un sólido el que está ejerciendo presión, sino que es un fluido el que ejerce presión, entonces debemos saber que la presión que ejercen los fluidos es el resultado de la densidad del fluido por la altura de la columna de fluido.
Si tomamos el ejemplo de que el recipiente cilíndrico está lleno de agua y ocupa una altura de la columna de fluido de 3 metros, entonces podríamos calcular la presión de la siguiente manera:
Lógicamente el fluido, en este caso agua está en condiciones estáticas, por lo que está bajo la acción de la gravedad, para ello aplicamos la ecuación para calcular la presión hidrostática:
Si calculamos la presión hidrostática que ejerce los 3 metros de columna de agua sobre el recipiente cilíndrico nos queda que:
Empleando las unidades de medida del sistema internacional de medidas, sustituimos la densidad del agua que es de 1000 kilogramo sobre metro cúbico por la gravedad que es 9,8 metros sobre segundos al cuadrado por la longitud de la columna de agua que son 3 metros.
Los metros cúbicos que se encuentran en el denominador cancelan un solo metro que se encuentra en el numerador, quedando así 1 kilogramo por metro sobre segundo al cuadrado (Newton) entre metros al cuadrado, por lo que sabemos del concepto de presión 1 Newton dividido entre 1 metro al cuadrado es igual a 1 pascal.
La presión que ejerce el agua sobre todas las paredes del recipiente es igual a 29400 pascales.
Conclusión
Los conceptos acerca de los principios básicos de presión nos hace concluir que la presión que ejerce un sólido es muy distinto que l presión que ejerce un fluido, y por lo tanto las ecuaciones involucradas también.
En el caso de la presión hidrostática se tiene que está influenciada por la densidad del fluido, la gravedad y la longitud de la columna de fluido, lo que nos lleva a concluir que un fluido bajo las mismas condiciones de gravedad y la misma longitud de columna que otro fluido que tenga la misma condiciones solo puede variar su presión si tienen densidades diferentes.
Para el caso que explicamos en el que se calculó la presión hidrostática que ejerce el agua en un recipiente cilíndrico en donde el agua ocupa 3 metros de columna de fluido, en ese mismo espacio podemos tener un petróleo entre 800 a 900 Kilogramos sobre metro cúbico, lo que significa que el petróleo bajo las mismas condiciones de gravedad y con la misma columna de fluido tendría menor presión hidrostática.
Es importante mencionar que la densidad de los fluidos va a depender de las condiciones de presión y temperatura a las que se encuentren, en el caso del agua aplicamos la densidad de 1000 kilogramo sobre metro cúbico que eso es condiciones normales de presión y temperatura, para el caso del petróleo en condiciones de una temperatura de 15 grados Celsius lo podemos encontrar entre 800 a 900 Kilogramo sobre metro cúbico, también va a depender de los grados API, mientras mayor son los grados API más liviano es el petróleo por lo tanto su densidad es mayor, y si los grados API son menores de 45 grados entonces el petróleo no es ligero, por lo que su densidad es mayor.
Referencia Bibliográfica consultada y recomendada
Manual de control de pozos. WELL CONTROL SCHOOL (WCS). Harvey, Louisiana. Año 2003.
Nota: Todas las imágenes y ecuaciones son de mi autoría y fueron elaboradas empleando las herramientas de Microsoft PowerPoint 2010.