Diseño Geomecanico Para Pozos

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Gua para la Aplicacin de la Geomecnica en el Diseo de la Perforacin de Pozos CONTENIDO 1. Objetivo 2. Introduccin 3. Conceptos Bsicos de Geomecnica 4. Metodologa para la construccin de un modelo de Geomecnica de un campo

4.1. Acopio de informacin (Perforacin, Geologa, Registros y Ssmica) y anlisis de la perforacin. 4.2. Revisin del modelo estructural (visualizacin 3D del campo con las fallas, las formaciones, y los

pozos con los eventos de perforacin identificados a lo largo de su trayectoria). 4.3. Evaluacin de la sobrecarga y presin de poro. 4.4. Estimacin de los parmetros elsticos y resistencia de la roca. 4.5. Determinacin de la direccin y magnitud de los esfuerzos horizontales. 4.6. Aplicaciones del Modelo de Geomecnica: i) Curvas de estabilidad mecnica (ventana operativa), ii)

Construccin de mapas de perforacin, iii) Seleccin de Barrenas

5. Referencias

La Geomecnica es la disciplina que estudia las caractersticas mecnicas de los materiales geolgicos que conforman las rocas de formacin. Esta disciplina est basada en los conceptos y teoras de mecnica de rocas y mecnica de suelos, que relacionan el comportamiento de la formacin bajo los cambios de esfuerzos producto de las operaciones petroleras de perforacin, terminacin y produccin de pozos.

1. Objetivo Desarrollar una gua de diseo que permita aplicar la Geomecnica, a travs de una metodologa prctica, en la planeacin de intervenciones de pozos, con el fin de mitigar y/o controlar los riesgos originados por la alteracin del estado natural de las formaciones durante el proceso de perforacin. 2. Introduccin Cada vez que se perfora un pozo, el estado natural de esfuerzos de las formaciones atravesadas se altera, causando una redistribucin de stos, alrededor del pozo. La interrogante aqu es saber si las formaciones perforadas pueden soportar esta nueva condicin de esfuerzos, y de esta manera determinar la densidad del fluido de perforacin apropiada para evitar la inestabilidad del agujero y el riesgo de desencadenar los problemas que histricamente conocemos como los ms crticos durante un proceso de perforacin (prdida del agujero perforado por colapso de la formacin o atrapamiento de sartas causado por cierre del agujero o derrumbe y/o prdidas de circulacin). En esta gua de diseo se presentan los fundamentos sobre los esfuerzos a los que estn sometidas las formaciones, las propiedades mecnicas de las rocas, y los modelos de falla, que permitirn determinar la ventana operacional de la densidad del fluido de control y el ngulo y azimut ms apropiados para alcanzar el objetivo geolgico. Con esto se mitigaran los riesgos potenciales de inestabilidad de agujero durante la perforacin. Para la aplicacin de estos conceptos se propone una metodologa prctica para construir un modelo de Geomecnica de un campo o rea, utilizando toda la informacin disponible, el software tcnico, y lo ms importante, el conocimiento terico-prctico de un equipo multidisciplinario. Tambin se presenta el resultado final de la aplicacin de esta metodologa, representado por lo que se denomina mapa de perforacin por cada pozo nuevo a perforar en el campo de estudio; los cuales sirven como instrumentos de comunicacin pro-activa entre todo el personal involucrado en la perforacin del nuevo

pozo, no solo durante las etapas de planeacin y diseo, si no tambin, durante la ejecucin de la perforacin. Como una aplicacin adicional se presenta la seleccin de barrenas a partir de los parmetros geomecnicos. Es importante mencionar que la inestabilidad fsico-qumica, provocada por la interaccin roca-fluido, debe ser tomada en cuenta para la seleccin apropiada del fluido de perforacin. Este punto no es tratado en este documento, pero puede remitirse a la Gua para la Seleccin de Fluidos de Perforacin1. Por tanto, esta gua de diseo presenta inicialmente los conceptos bsicos de Geomecnica que facilitarn el entendimiento del fenmeno que ocurre cuando la barrena altera el estado natural de las rocas al ir perforando y la necesidad de tomar acciones para minimizar esta afectacin. Posteriormente, describe paso a paso la metodologa para la construccin de un modelo de Geomecnica de un campo o rea. 3. Conceptos bsicos de Geomecnica La Geomecnica es la disciplina que estudia las caractersticas mecnicas de los materiales geolgicos que conforman las rocas de formacin. Esta disciplina est basada en los conceptos y teoras de mecnica de rocas y mecnica de suelos, que relacionan el comportamiento de la formacin bajo los cambios de esfuerzos producto de las operaciones petroleras de perforacin, terminacin y produccin de pozos. Los fundamentos de la Geomecnica estn basados en la habilidad elstica de la roca para resistir y recuperarse de una deformacin causada por una fuerza. Los conceptos elementales para describir esta propiedad de la roca se conocen como esfuerzo y deformacin. Esfuerzo. As como las fuerzas son transferidas a travs de los lquidos por la presin, tambin son transferidas a travs de los slidos por los esfuerzos.

Gua para la Aplicacin de la Geomecnica en el Diseo de la Perforacin de Pozos

Gua para la Aplicacin de la Geomecnica en el Diseo de la Perforacin de Pozos 2

Considerando el slido de seccin transversal (rea) A a travs de la cual acta una fuerza F (Figura 1), entonces el esfuerzo es definido como:

( )1 AF=

Una fuerza aplicada perpendicularmente al rea de un slido de longitud L y dimetro d, y hacia afuera del cuerpo donde sta acta, resulta en un esfuerzo de tensin. Un esfuerzo de tensin causa una elongacin del slido L y una reduccin en el dimetro d (Figura 1a). Cuando la fuerza perpendicular acta hacia dentro del cuerpo, resulta en un esfuerzo de compresin que origina una reduccin en la longitud del slido L y un incremento d en el dimetro del mismo (Figura 1b). Si la fuerza se aplica tangencialmente a la seccin transversal del cuerpo (Figura 1c), resulta en un esfuerzo de corte. El esfuerzo de corte causa una deformacin por desplazamiento sin un cambio de volumen. Por otro lado, la orientacin de la seccin transversal relativa a la direccin de la fuerza tambin es importante. En la Figura 2, la fuerza no acta perpendicular a la orientacin del rea, por lo tanto es necesario descomponer la fuerza en sus componentes normal Fn y perpendicular Fp a la seccin transversal. De esta manera podemos definir al esfuerzo normal como:

( )a AFn

n 2 = y al esfuerzo de corte como:

( )b A

Fp 2 = Deformacin. Es el cambio en la longitud y espesor del material bajo la influencia de un esfuerzo de tensin, compresin o corte (Figura 1). Deformaciones resultantes de esfuerzos de tensin y compresin se definen como: deformaciones longitudinales L y transversales T , respectivamente.

( )3 y dd

LL

TL==

La deformacin de corte C es el resultado de un esfuerzo de corte, de la figura 1c.

( )4 tanLL

C ==

Donde es el ngulo de deformacin (figura 1c). Constantes elsticas. Las constantes elsticas describen las propiedades elsticas del material para condiciones donde existe una relacin lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformacin resultante: Mdulo de Young E. Es la relacin (conocida como Ley de Hooke2) entre el esfuerzo de tensin o compresin y la deformacin correspondiente.

( ) ( )LLAFE = o ( )5 =E

Figura 1. Esfuerzos versus deformacin.

F

d

d-dL L+ L

F

a) Slido sometido a un esfuerzo de tensin

F

d

d+d L L- L

F b) Slido sometido a un esfuerzo de compresin

L

F

F

A

c) Slido sometido a un esfuerzo de corte

L


Esta constante elstica es una medida de la dureza de la roca Mdulo de corte G. Describe la relacin entre el esfuerzo de corte y la deformacin de corte. G es una medida de la resistencia de la roca a una deformacin de corte y se define como:

Figura 2. Componentes de una fuerza.

( ) ( )tanAFG p= o ( )6 C

G =

Relacin de Poisson . Es una medida del cambio lateral de un cuerpo con respecto a su respectivo cambio longitudinal, bajo la accin de un esfuerzo. En la tabla 1 se muestran valores caractersticos de la relacin de poisson para diferentes litologas.

( )7 L

T

=

Relacin Poisson-0.020.10 Areniscas0.180.24 Yesos0.27 Calizas Sal0.280.31 Dolomias Areniscas0.33 poco0.35 consolidadas0.370.380.390.400.41 Lutitas0.420.430.430.440.440.450.450.450.46

Tabla 1. Valores caractersticos de Relacin de Poisson3

Mdulo de volumen K. Es una medida de la relacin del esfuerzo hidrosttico (causado por una presin hidrosttica) con respecto a la deformacin volumtrica.

El esfuerzo, o en este caso la presin hidrosttica p, esta relacionado con el cambio de volumen V, por ( ) ( )8 VVpK =

Las constantes elsticas E, G, y K son parmetros dependientes. Cualquiera de estas constantes puede determinarse conociendo el valor de otras dos. Las relaciones ms usadas entre ellas son: ( )[ ] ( )9 12 = EG

( )[ ] ( )10 213 = EK Coeficiente de Biot 4. Es el parmetro que describe la relacin entre la consistencia de la roca y la compresibilidad de la misma. Para fines prcticos se considera igual a uno, o se puede calcular con la siguiente ecuacin:

sKK= 1 (11)

Donde K es el mdulo de volumen del material y Ks es el mdulo de volumen de la matriz de roca. Las propiedades elsticas de las rocas pueden determinarse en forma dinmica y esttica. Las propiedades elsticas estticas son medidas directamente de pruebas de laboratorio, mientras que las dinmicas se calculan a partir de las ecuaciones de propagacin elstica de las ondas acsticas en un medio slido. Por lo tanto, las propiedades elsticas dinmicas se calculan a partir de los valores de densidad de la roca b , tiempo de trnsito compresional dtc y de corte dts, medidos por el registro de densidad y snico dipolar, respectivamente. De esta manera las constantes elsticas dinmicas se calculan con las ecuaciones 12 a 155.

( )12 1

15.02

2

=dtcdts

dtcdts

( ) ( )13 m 1 2 2 += dtsE bdin( )14 m 2 = dtsG bdin

F Fn

FpA

A


( )15 m3

4122

= dtsdtcK bdin

(m, factor de conversin = 100.9833 x 109 para mdulos en [psi]).

Dado que las pruebas de laboratorio no estn siempre disponibles, existe en la literatura o en los programas informticos de Geomecnica, tales como WellCheck, correlaciones para estimar las propiedades elsticas estticas a partir de las dinmicas. Esfuerzos principales. Cualquier estado de esfuerzos en un medio puede ser expresado en funcin de tres esfuerzos perpendiculares (Figura 3), los cuales comnmente se identifican como 1 ,

2 y 3 . Los esfuerzos principales son perpendiculares entre ellos y perpendiculares al plano donde se aplican. La representacin en el sistema de esfuerzos principales permite definir el estado de esfuerzos de las formaciones. El esfuerzo vertical y los esfuerzos horizontales del subsuelo se conocen como esfuerzos principales. Por lo tanto, considerando el hecho de que, en la mayora de las cuencas petroleras en Mxico, se tiene un rgimen normal de esfuerzos ( 321 >> ) se puede asumir que vS=1 , HS=2 y hS=3 . Donde vS representa el esfuerzo vertical (sobrecarga), HS el esfuerzo horizontal mximo y hS el esfuerzo horizontal mnimo (en esta gua se manejara indistintamente esta nomenclatura). Un cuarto parmetro para describir el estado de esfuerzos es la direccin de los esfuerzos horizontales (azimut). Finalmente, por convencin, en Geomecnica se considera a los esfuerzos de compresin como positivos y a los esfuerzos de tensin como negativos.

Figura 3. Esfuerzos principales.

Esfuerzo efectivo y total. La carga resultado de los esfuerzos horizontales y verticales en el subsuelo (esfuerzo total) se comparte entre la matriz de la roca (esfuerzo efectivo) y los fluidos presentes en los poros de la misma (presin de poro). Esta distribucin de cargas se define con el principio de Terzaghi & Peck, 1968 que dice: Esfuerzo total vS = esfuerzo efectivo vS + *presin de poro pP . Donde es el coeficiente de Biot5. En el caso de la sobrecarga, la relacin es: ( )16 * pvv PSS += Esfuerzos in-situ y redistribucin de los esfuerzos alrededor de la pared de un pozo. La perforacin de un pozo crea una perturbacin en el subsuelo, alterando los esfuerzos principales, los cuales se redistribuyen y se concentran alrededor del pozo en tres esfuerzos, denominados esfuerzos in-situ: radial r , tangencial y axial a (Figura 4). La relacin entre los esfuerzos principales y los esfuerzos in-situ es fundamental para un anlisis de geomecnica.

Figura 4 Esfuerzos principales vs esfuerzos in-situ La magnitud de los esfuerzos in-situ o esfuerzos alrededor del pozo, estn controladas por la densidad del fluido de perforacin, los esfuerzos principales del campo y la trayectoria (azimut y desviacin) del pozo, razn por la cual estos esfuerzos controlan la estabilidad del agujero y la efectividad de la perforacin. Para un pozo vertical, un sistema de coordenadas cilndricas describe los esfuerzos in-situ o alrededor del pozo (Figura 4). El esfuerzo radial r acta en direccin perpendicular a la pared del agujero, el esfuerzo tangencial es orientado tangencialmente a la circunferencia del agujero y el esfuerzo axial a en la direccin del eje del agujero.

Principal. Sin Principal. Sin esfuerzos de corteesfuerzos de corte

CorteCorteNormalNormal

RotaciRotacin de n de ejesejes

Principal. Sin Principal. Sin esfuerzos de corteesfuerzos de corte

CorteCorteNormalNormal

RotaciRotacin de n de ejesejes

t

a

r

SHSh

SV Esfuerzos Regionales Vertical Min horizontal Max horizontal

Esfuerzos del pozo Tangencial (t) Axial (a) Radial (r)

t

a

r

SHSh

SV Esfuerzos Regionales Vertical Min horizontal Max horizontal

Esfuerzos del pozo Tangencial (t) Axial (a) Radial (r)


Para un pozo vertical, considerando que la distancia medida desde el centro del pozo hacia fuera es igual al radio del pozo, los esfuerzos efectivos alrededor del pozo se pueden calcular en funcin de los esfuerzos principales del campo, con las siguientes ecuaciones6 (Figura 5): ( )17 pr p= ( ) ( )apSS pHhdireccinS h 18 3 )= ( ) ( )bpSS phHdireccinS H 18 3 )= ( )19 pva pS = Donde el apostrofe () indica esfuerzos efectivos, es la densidad del lodo y es el azimut alrededor del pozo.

Figura 5. Relacin entre esfuerzos principales y los esfuerzos in-situ.

El circulo de MohrCoulomb. El crculo de Mohr es generalmente utilizado para representar un estado de esfuerzos de la roca sobre un plano, en cualquier ngulo desde la direccin del mximo esfuerzo. A continuacin se presenta una breve explicacin debido a que la envolvente de falla de Mohr es utilizada frecuentemente para predecir una ventana operativa de la densidad del fluido de perforacin7. La representacin de MohrCoulomb permite graficar de manera sencilla los esfuerzos normales

n y de corte que actan sobre un plano orientado con un ngulo , resultado de los estados principales vS y hS (Figura 6).

Figura 6. Estado de esfuerzos.

El ingeniero alemn Otto Mohr (1835-1918) desarroll una aproximacin grfica, como la mostrada en la Figura 7. En esta representacin, el eje X muestra los esfuerzos normales y el eje Y los esfuerzos de corte que actan en un plano de la roca. El crculo rojo representa, para cualquier plano orientado con un ngulo , los diferentes valores del esfuerzo normal y de corte, en funcin de los esfuerzos principales, vS y hS . Figura 7. Representacin del estado de esfuerzos en el

crculo de MohrCoulomb.

Resistencia de la roca. Representa la capacidad de sta a resistir la ruptura. Una roca puede romperse cuando se somete a tensin, corte o compresin hidrosttica. La resistencia de la roca depende de su comportamiento cohesivo y friccionante. Los dos parmetros ms utilizados en la industria petrolera para determinar la resistencia de la roca son: La resistencia de compresin sin confinamiento (UCS) y el ngulo de friccin (). La determinacin de estos parmetros en laboratorio consiste en realizar una serie de ensayos tri-axiales a diferentes presiones de confinamiento ( hS Presin de confinamiento). La fuerza de ruptura en el ensayo sin presin de

vh

Esfuerzode corte

Esfuerzonormal

2n vh

Esfuerzode corte

Esfuerzonormal

2n

h

n

v

h

n

v

SH

Sh a = Sv - Pp

= 3Sh - SH - (l- Pp)

= 3SH - Sh - (l- Pp)

Pp

r = l - Pp

l

= - Pp

Sv

SH

Sh a = Sv - Pp

= 3Sh - SH - (l- Pp)

= 3SH - Sh - (l- Pp)

Pp

r = l - Pp

l

= - Pp

Sv


confinamiento ( hS ) corresponde al UCS (Figura 8). La pendiente que forman los diferentes crculos de Mohr para diferentes ensayos con diferentes presiones de confinamiento corresponde al ngulo de friccin de la roca ().

Figura 8. Representacin de MohrColumb de diferentes ensayos tri-axiales.

Criterio de falla o de ruptura de la roca. El criterio de ruptura ms comn, en la disciplina de la Geomecnica aplicada a la industria petrolera, es el criterio de Mohr-Coulomb. Este criterio permite evaluar la resistencia de la roca durante la perforacin de los pozos o la produccin de slidos del yacimiento, durante la explotacin. En la representacin de MohrCoulomb, el criterio de falla o ruptura es una ecuacin lineal: ( )20 * 31 UCSN =

( )21 sin1sin1

+=N

Como se muestra en la Figura 9, el criterio predice ruptura cuando el circulo que representa el estado de esfuerzos, actuando sobre la roca, esta en contacto con la lnea definida por la ecuacin 20.

Figura 9. Representacin de MohrCoulomb al inicio de la ruptura de la roca.

Condiciones de ruptura alrededor del agujero. Los esfuerzos in situ o alrededor del pozo (radial, tangencial y axial), controlan las rupturas alrededor del pozo como fractura inducida y derrumbe, las cuales pueden ser observadas en los registros de imgenes. Ruptura en tensin de la roca (prdida de circulacin). La ruptura en tensin de la roca se observa cuando uno de los esfuerzos in situ del pozo es ms grande que la resistencia a la tensin de la roca (Figura 10). Un mtodo para determinar la resistencia de tensin de la roca consiste en analizar las pruebas de goteo extendidas, de al menos dos ciclos. La diferencia entre la presin mxima de fractura de la roca del primer ciclo (Gradiente de Fractura) y la presin de re-apertura de las fracturas del segundo ciclo corresponde localmente a la fuerza de tensin de la roca (Figura 11). En un pozo vertical, la fractura inducida se ubica en la direccin del esfuerzo horizontal mximo cuando:

( ) ( )22 10

3 UCSpSS p'Hh


( ) GUCSPSS fp'H'h 23 103 =++<

Figura 11. Prueba de goteo de dos ciclos.

Ruptura en compresin de la roca (ovalizacin): La ruptura en compresin de la roca se observa cuando dos de los tres esfuerzos alrededor del pozo cumplen el criterio de falla establecido por la ecuacin 20.

Figura 12. Breakouts detectados con un registro de imgenes

La representacin de este tipo de ruptura se conoce en la industria como breakout u ovalizacin del agujero. Los breakouts ms comunes corresponden a la ruptura de la formacin que ocurre cuando el esfuerzo mximo en compresin es el esfuerzo tangencial y el esfuerzo mnimo en

compresin es el esfuerzo radial (densidad de lodo baja). En un pozo vertical, los derrumbes se ubican en la direccin del esfuerzo horizontal mnimo a 90 grados de la localizacin de las fracturas inducidas (Figura 12).

4. Metodologa para la construccin de un modelo de Geomecnica de un campo8-10 La metodologa que se propone en esta gua, para la construccin de un modelo de Geomecnica y su aplicacin en la perforacin de pozos, se divide bsicamente en los siguientes seis pasos: 1. Acopio de informacin (Perforacin, Geologa,

Registros y Ssmica) y anlisis de la perforacin. 2. Revisin del modelo estructural (visualizacin

3D del campo con las fallas, las formaciones, y los pozos con los eventos de perforacin identificados a lo largo de su trayectoria).

3. Evaluacin de la sobrecarga y presin de poro. 4. Estimacin de los parmetros elsticos y

resistencia de la roca. 5. Determinacin de la direccin y magnitud de los

esfuerzos horizontales. 6. Curvas de estabilidad mecnica (ventana

operativa) y construccin de mapas de perforacin.

La Figura 13 muestra un diagrama que indica el flujo general de trabajo para la construccin de un modelo de Geomecnica.

Figura 13. Flujograma para construir un modelo de Geomecnica.

En azul se muestran los pasos iniciales, en verde los pasos que se realizan de manera independiente y en amarillo los pasos consecutivos.

Acopio de Informacin y Anlisis de Perforacin

Revisin del Modelo Estructural Evaluacin de Sobrecargay Presin de Poro

Estimacin de ParmetrosElsticos y resistencia de la roca

Direccin y Magnitud delos Esfuerzos Horizontales Ventana de Operacin /

Mapas de PerforacinInicialIndependienteRelacionado

Acopio de Informacin y Anlisis de Perforacin

Revisin del Modelo Estructural Evaluacin de Sobrecargay Presin de Poro

Estimacin de ParmetrosElsticos y resistencia de la roca

Direccin y Magnitud delos Esfuerzos Horizontales Ventana de Operacin /

Mapas de PerforacinInicialIndependienteRelacionado

2docclo

Tiempo

PGradiente de Fractura

PresinInstantneade cierre

Cierre de fracturas

Resistencia a la Tensin

GastoApertura

de vlvulas

Sh

2docclo

Tiempo



Cierre de fracturas


GastoApertura

de vlvulas

2docclo

Tiempo



Cierre de fracturas


GastoApertura

de vlvulas



Cierre de fracturas


GastoApertura

de vlvulas

Sh


4.1. Acopio de informacin El primer paso para la construccin de un modelo de Geomecnica consiste en recolectar y analizar los datos disponibles del campo que se esta estudiando. El objetivo es establecer correlaciones iniciales e identificar los datos que faltaran para la construccin del modelo. En este mismo apartado se contempla el diagnstico de la perforacin que tiene como propsito identificar la problemtica de la perforacin de pozos y su correlacin con respecto a los tipos de formacin y a la profundidad. Para la construccin del modelo existen datos que son indispensables y otros que son necesarios, pero no indispensables. La siguiente lista muestra la informacin requerida del campo en estudio para la construccin de su modelo de geomecnica. La informacin en azul indica que sta es indispensable. Datos de perforacin: Reportes diarios de perforacin, estados mecnicos, perfiles de presin de poro y fractura, densidad del fluido de perforacin y direccionales, pruebas de presin (integridad y goteo), informes de perforacin, resumen de registros geofsicos. Datos geolgicos: Columna estratigrfica tipo, mapas mostrando localizaciones de pozos, estructura del rea, ubicacin de fallas, objetivo y marcadores de inters, ensayos de laboratorio realizados a ncleos, informaciones de densidad y litologa tomadas de ncleos incluyendo descripciones geolgicas, registro de lodo e informacin de esfuerzos regionales. Datos de evaluacin de formaciones: Registros geofsicos con cable y LWD incluyendo: resistividad, snico, densidad, rayos gamma, porosidad neutrn calibrador de 1 y dos brazos (orientado), ensayos de presiones como RFT, DST, MDT u otros, registros de imgenes, e interpretaciones de registros, registros de terminacin (permeabilidades, porosidad). Datos ssmicos: Velocidades ssmicas en profundidad, secciones ssmicas a lo largo del rumbo y echado de los pozos propuestos y a travs de los pozos existentes, mallas de las superficies y de las fallas ms importantes, curvas TZ (tiempo vs profundidad), checkshots, y VSP (vertical seismic profile), cubo de velocidades 3D, volmenes de impedancias acsticas y cubos de AVO (anomalas de amplitud). Datos de planeacin y diseo: Programas de diseo de los pozos del campo y, reporte de parmetros de perforacin.

En la siguiente tabla se resumen las principales fuentes de informacin para obtener los parmetros geomecnicos:

Fuentes de Informacin de Geomecnica Esfuerzo Vertical

Sv RHOB, Densidad sinttico de DT y ssmica

Presin de Poro Pp MDTs, registros de porosidad (snico, resistivo), ssmica (Vel. de Intervalo)

Esfuerzo Mnimo

Sh XLOT, LOT, minifrac, prdidas de circulacin

Esfuerzo Mximo

SH Anlisis de falla de agujero

Orientacin de Esfuerzos

Calibracin orientado, registro de imgenes, estructura de fallas geolgicas.

Resistencia de la roca

UCS, Pruebas de ncleos, registros, recortes, anlisis de falla del agujero.

Tabla 2. Fuentes de informacin para clculo de parmetros geomecnicos.

4.1.1 Anlisis de la perforacin. La informacin recopilada debe ser analizada para verificar la calidad y cantidad de la misma. Inicialmente se identifican los registros de: resistividad, snico (Vp y Vs), densidad, rayos gamma, porosidad neutrn, TZ y VSP y velocidad de ssmica. Posteriormente, estos registros son editados (suavizados) y corregidos para eliminar informacin no representativa (Figura 14). Los registros de densidad, se corrigen por descalibre del agujero. Un mtodo para corregir la densidad en los intervalos afectados, es utilizar la ecuacin de Gardner11 para generar un registro sinttico a partir de las lecturas del registro snico. ( )24 * BVA= Donde es la densidad y V la velocidad acstica de compresin. El mtodo consiste en calibrar los parmetros A y B en una zona no afectada por la geometra del pozo para posteriormente corregir y estimar la densidad en las zonas afectado por la geometra del mismo (Figura 15).


Figura 14. Ejemplo de edicin del registro snico.

Figura 15: Correccin del registro de densidad.

Adicionalmente, con el objetivo de construir una correlacin que ayudar a estimar una onda de corte sinttico para los pozos sin esta propiedad, se determina una correlacin entre la onda de velocidad de corte y la velocidad de compresin para las diferentes litologas (Figura 16). Finalmente, si por alguna razn un pozo no se cuenta con registros, o estn incompletos, se generan registros sintticos a travs de la construccin de modelos 3D de propiedades petrofsicas o propagaciones 2D de los registros de un pozo clave con registros completos. Las

propagaciones 2D o 3D deben respetar la geologa estructural y la litologa del campo.

Figura 16. Correlacin de Vp/Vs. 4.1.2 Diagnostico de la perforacin A partir de los reportes diarios de perforacin, registros de fluidos, columnas estratigrficas, y profundidad de contactos geolgicos se identifica la problemtica ocurrida durante la perforacin del (los) pozo(s) de correlacin y se relaciona con la geologa estructural del campo. Cada evento de perforacin identificado se registra en un formato que contiene la siguiente informacin:

Fecha y Da del evento Densidad de lodo Tipo de lodo Profundidad de perforacin Profundidad del evento Tipo del evento Probabilidad de su ocurrencia Severidad del evento Litologa Tipo de operacin Causas probables Mitigacin

Este anlisis permitir, al final del proceso, definir recomendaciones apropiadas para reducir los riesgos de perforacin en pozos futuros, y para calibrar el modelo con eventos de prdida de circulacin, derrumbes, gasificaciones y flujos. Una forma prctica de diagnosticar lo que esta sucediendo durante la perforacin es revisar la forma de los recortes de perforacin, y en su caso los registros en tiempo real. A continuacin se presenta un esquema que muestra la condicin, la causa, las seales y las posibles soluciones a la inestabilidad del agujero, en base a estos parmetros (Figura 17).

RHOB B1

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

3500

PRO

F

Ca li br a c i n

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

ZONAS DONDE SE OBSERVA UN DESCALIBRE

CONSIDERABLE.

POSIBLE AFECTACIN DEL REGISTRO, DISMINUYENDO SUS VALORES EN TODO ESTE INTERVALO.

800

1000

12 00

14 00

16 00

18 00

2000

22 00

24 00

26 00

28 00

3000

32 00

34 00

Mioceno Superior

Falla

1400

1534

Mioceno Inferior 2954

Pleistoceno Reciente

CALIBRACIN PARA EL REGISTRO DE DENSIDAD BOLONTIKU 1

TR 20" @ 825

TR 13 3/8" @ 1894

Mioceno Medio 1600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

Descalibre de agujero

RHOB B1

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

3500

PRO

F

Ca li br a c i n

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200


CONSIDERABLE.


800

1000

12 00

14 00

16 00

18 00

2000

22 00

24 00

26 00

28 00

3000

32 00

34 00

Mioceno Superior

Falla

1400

1534




TR 20" @ 825

TR 13 3/8" @ 1894

Mioceno Medio 1600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400


RHOB B1

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

3500

PRO

F

Ca li br a c i n

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200


CONSIDERABLE.


800

1000

12 00

14 00

16 00

18 00

2000

22 00

24 00

26 00

28 00

3000

32 00

34 00

Mioceno Superior

Falla

1400

1534




TR 20" @ 825

TR 13 3/8" @ 1894

Mioceno Medio 1600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400



4.2. Revisin del modelo estructural El objetivo de esta seccin es encontrar la relacin que puede existir entre los eventos de perforacin y la estructura geolgica del campo. Para esto se deber contar con esquemas de: los pozos perforados, formaciones geolgicas, fallas, zonas de presin anormal identificadas y eventos de perforacin a lo largo de la trayectoria del los pozos perforados (flujos, derrumbes, prdida de circulacin, arrastres, atrapamientos, fricciones y resistencias). El tipo de fallas presente en el campo (normal, inversa, o por deslizamiento) ser analizado para asumir inicialmente el tipo de rgimen del campo.

Normal: hHv SSS >> Inversa: vhH SSS >> Deslizamiento: hvH SSS >>

Como se menciono en la seccin de conceptos bsicos, en la mayora de las cuencas petroleras en Mxico, se tiene un rgimen normal de esfuerzos. Este anlisis permitir explicar las causas de algunos eventos de perforacin.

La Tabla 3 muestra un ejemplo de la correlacin que se puede realizar entre los eventos de perforacin y el contexto estructural del campo.

Evento identificado

Causa posible por Geologa estructural

Prdida de circulacin

1. Fallas o zona fracturada. 2. Fractura inducida. 3. Pobre cementacin.

Gasificaciones 1. Formacin permeable (fallas o zonas fracturadas que comunican a una zona de alta presin). 2. Densidad de lodo inadecuada.

Arrastres y fricciones

1. Formacin de comportamiento plstico 2. Pobre limpieza del agujero 3. Reacciones de la formaciones con el lodo de perforacin 4. Salinidad del lodo de perforacin

Derrumbes 1. Formaciones frgiles 2. Zona fracturadas

Tabla 3: Correlacin de eventos de perforacin vs contexto estructural del campo

Controle crecimiento de la fractura reduciendo el ECD y peso del lodo.Localice la fractura utilizando REMinimice la presin de surgencia en la fracturaSupervise y reduzca la tendencia del volumen y del tiempo del flujo de retorno.Aplique polmeros o materiales de sello al intervalo daado.

Fracturas abiertas debido al incremento de presin cuando el fluido circula. La fractura se cierra cuando se para la circulacin.Fracturamiento

y efecto ballooning

Minimice cambios en el peso del lodo y presin de suaveo y pistoneo.Evite repasos y agitacin mecnica en la zona de perdidas.Monitorear viajes a travs de zonas desestabilizadas.Este atento de avalancha y pegado de tuberas hasta revestir el pozo.

Falla por esfuerzos relacionados de rocas quebradizas. A menudo por campos de esfuerzos de la tierra, especialmente cerca de cuerpos de sal y fallas activas.

Zona de Perdidas

Mantenga limpio el pozoControle y monitoree las presiones de pistoneo y suaveo.Puede usar registros en tiempo real para derivar el peso del lodo ptimo para la estabilidad del agujero.

La presin en el agujero previene el flujo de fluidos de la formacin o colapso del agujero y no excede el gradiente de fractura.

Agujero estable

Baje el ROPIncremente el GastoIncremente el peso del lodo gradualmente hasta que el derrumbe desaparezca

Falla por esfuerzo de corte, ocurre cuando los esfuerzos en la pared reciben insuficiente soporte del peso del lodo; puede ser agravada por cambios en el azimuth e inclinacin del pozo.

Colapso del agujero

Pare la perforacin e incremente la densidad del lodo.Si los derrumbes no pueden ser controlados, asiente una TR para evitar flujo o pegadura de tubera

Falla por tensin a lo largo de la circunferencia del pozo, causada cuando la presin de poro excede la columna hidrosttica del lodo.

Agujero descalibrado

SolucinSignosCausaCondicin

Controle crecimiento de la fractura reduciendo el ECD y peso del lodo.Localice la fractura utilizando REMinimice la presin de surgencia en la fracturaSupervise y reduzca la tendencia del volumen y del tiempo del flujo de retorno.Aplique polmeros o materiales de sello al intervalo daado.

Fracturas abiertas debido al incremento de presin cuando el fluido circula. La fractura se cierra cuando se para la circulacin.Fracturamiento

y efecto ballooning

Minimice cambios en el peso del lodo y presin de suaveo y pistoneo.Evite repasos y agitacin mecnica en la zona de perdidas.Monitorear viajes a travs de zonas desestabilizadas.Este atento de avalancha y pegado de tuberas hasta revestir el pozo.

Falla por esfuerzos relacionados de rocas quebradizas. A menudo por campos de esfuerzos de la tierra, especialmente cerca de cuerpos de sal y fallas activas.

Zona de Perdidas

Mantenga limpio el pozoControle y monitoree las presiones de pistoneo y suaveo.Puede usar registros en tiempo real para derivar el peso del lodo ptimo para la estabilidad del agujero.

La presin en el agujero previene el flujo de fluidos de la formacin o colapso del agujero y no excede el gradiente de fractura.

Agujero estable

Baje el ROPIncremente el GastoIncremente el peso del lodo gradualmente hasta que el derrumbe desaparezca

Falla por esfuerzo de corte, ocurre cuando los esfuerzos en la pared reciben insuficiente soporte del peso del lodo; puede ser agravada por cambios en el azimuth e inclinacin del pozo.

Colapso del agujero

Pare la perforacin e incremente la densidad del lodo.Si los derrumbes no pueden ser controlados, asiente una TR para evitar flujo o pegadura de tubera

Falla por tensin a lo largo de la circunferencia del pozo, causada cuando la presin de poro excede la columna hidrosttica del lodo.

Agujero descalibrado

SolucinSignosCausaCondicin

Figura 17. Diagnstico de la Inestabilidad del Agujero


4.3. Evaluacin de la sobrecarga y presin de poro. Para esta evaluacin se sugiere utilizar la Gua de diseo para la prediccin de geopresiones editada por la Gerencia de Estrategias de Ingeniera y Diseo12 y, en su caso, complementar la evaluacin con la siguiente informacin adicional para la estimacin de los gradientes de formacin aplicado a la construccin de un modelo de geomecnica: Generalmente los registros de densidad no se toman completos en todos los pozos del campo. Por lo tanto, es necesario identificar un pozo en el cual se haya tomado el registro de densidad a lo largo de toda la trayectoria o en su defecto el ms completo. Como se menciono anteriormente, se pueden generar registros sintticos a travs de la construccin de modelos 3D de propiedades petrofsicas o propagaciones 2D de los registros de un pozo clave con registros completo. Las propagaciones 2D o 3D deben respetar la geologa estructural y la litologa del campo. Para el clculo de la presin de poro se recomienda utilizar en primera instancia el registro snico, ya que su comportamiento es ms estable con respecto al registro de resistividad. 4.4. Estimacin de los parmetros elsticos y resistencia de la roca. Como se menciona en la seccin de conceptos bsicos de geomecnica, el parmetro para determinar la resistencia de la roca es el UCS (Resistencia a la compresin sin confinamiento). Para calcular este parmetro existen varias ecuaciones empricas, las cuales dependen de los parmetros elsticos de la roca y de variables petrofsicas (porosidad, velocidad de compresin, velocidad de corte, mdulo de Young esttico, volumen de arcilla y mdulo de corte). Los parmetros elsticos de la roca se determinan con las ecuaciones descritas en la seccin de conceptos bsicos. Como es el caso de los dems parmetros del modelo geomecnico, es recomendable el uso de software especializado (por ejemplo WellCheck de la ca GMI), que utiliza informacin de registros tales como: densidad, rayos gamma, porosidad y snico dipolar. Las propiedades medidas en pruebas de laboratorio deben ser utilizados para calibracin y seleccin de las correlaciones adecuadas. Cuando no existen ensayos de laboratorio en ncleos, una alternativa consiste en seleccionar las correlaciones establecidas para el mismo tipo de formacin que se este analizando y calcular la resistencia de la

roca en el pozo de estudio, para posteriormente comparar la prediccin con las fallas observadas en el pozo (derrumbes, prdidas de circulacin, etc.) en los registros calibracin orientados, o de imgenes. 4.5. Determinacin de la direccin y magnitud de los esfuerzos horizontales. En un campo existen esfuerzos regionales y locales que pueden tener orientaciones diferentes. La direccin de los esfuerzos horizontales regionales se determina, en primera instancia, con el rgimen tectnico del campo (falla normal, inversa o de deslizamiento), Figura 18. Una alternativa es consultar el mapa disponible de las direcciones de los esfuerzos en el mundo (World Stress Map, el cual se puede consultar en la direccin electrnica http://www-gpi.physik.uni-karlsruhe.de/pub/wsm/), figura 19.

Figura 18. Rgimen tectnico de un campo Las direcciones locales de los esfuerzos horizontales se pueden determinar con:

Registro de geometra de pozo (orientado) Registro de imgenes Anisotropa de la formacin a partir del

registro snico dipolar.

Figura 19. World Stress Map

m nim

o

mximo

interm

edio

mximo

mxim

o

int ermedio

interme

dio

mnimo

mnimo

Normal Inversa

Deslizamiento

Modelos de Falla


Anlisis con registros de geometra de pozo (Figura 20). El mtodo para identificar con los registros de calibracin las formaciones donde existe ovalizacin por derrumbes, consiste en seleccionar las zonas donde se cumplan los siguientes 5 criterios: 1. La rotacin de la herramienta termina en zonas

con elongacin. 2. La diferencia entre las mediciones del brazo 1 y

2 es mayor de 0.6 cm. 3. La medida del calibrador, con menor extensin,

debe ser cercana al tamao original del agujero. 4. La zona identificada de derrumbe debe ser

mayor a 30 cm de amplitud. 5. Las zonas donde el azimut de la elongacin

coincide con el azimut del pozo (+/-180 grados) no deben ser consideradas. Estas zonas corresponden a ojos de llave donde los movimientos verticales de la tubera crean una elongacin en la pared del pozo.

Figura 20. Identificacin de derrumbes (breakout) con el

registro de calibracin. Anlisis con registros de imgenes. Como se menciono anteriormente, en un pozo vertical los derrumbes ocurren en el azimut del esfuerzo mnimo (figura 12) mientras que las fracturas inducidas en el azimut del esfuerzo mximo (figura 10). En el caso de un pozo desviado los derrumbes se ubican en el azimut alrededor del pozo donde la compresin es mxima y las fracturas inducidas

ocurren en el azimut alrededor del pozo donde la tensin es mxima. Independientemente de la desviacin del pozo los derrumbes y las fracturas inducidas sern generalmente ortogonales entre s. Esto nos permite determinar la direccin de ambos esfuerzos horizontales, conociendo la ubicacin de uno de ellos (Figura 21).

Figura 21. Anlisis de la direccin del esfuerzo mnimo con registro de imgenes.

Anlisis con registros de anisotropa de las ondas acsticas. Las herramientas que miden las ondas acsticas, como el snico dipolar, permiten evaluar la anisotropa resultado de los esfuerzos horizontales del subsuelo13. En la Figura 22 el azimut de la onda de corte indica el azimut del esfuerzo horizontal mximo.

Figura 22. Azimut del esfuerzo mximo. 4.5.1 Determinacin de la magnitud del esfuerzo mnimo. Este parmetro es fundamental para determinar la densidad equivalente de circulacin (DEC) que permita perforar sin prdida de circulacin. El esfuerzo mnimo (Sh) est en funcin de los siguientes parmetros:

Prof.Eje Mayor Tectonismo

Sur-N

orte

(%)

Oeste-Este (%)

Prof.Eje Mayor Tectonismo

Sur-N

orte

(%)

Oeste-Este (%)

Ojo dellave

Deslavede pozo

Ovalizacin(BREAKOUT)

Agujero en calibre

Ojo dellave

Deslavede pozo

Ovalizacin(BREAKOUT)

Agujero en calibre


1. Propiedades elsticas (Mdulo de Young y

Relacin de Poisson Esttica). 2. Resistencia de la roca (UCS y ngulo de

friccin). 3. Sobrecarga. 4. Presin de poro. Para determinar la magnitud del esfuerzo mnimo, inicialmente se requiere analizar la informacin de pruebas tales como: de goteo, minifrac, fracturas hidrulicas; disponibles en el campo. Asimismo, cuando se presenta una prdida de circulacin en el pozo, se puede estimar la magnitud del Sh, al conocer la densidad del lodo requerida para controlar este evento. Esta informacin permitir determinar adems, el valor de cierre de la fractura y su relacin con los diferentes tipos de litologa. En la Figura 23 se presenta una grfica de una prueba de goteo de dos ciclos donde se determina el esfuerzo mnimo.

Figura 23. Prueba de goteo para la determinacin del esfuerzo mnimo

En color verde se muestra el gasto en la parte de la prueba del periodo de inyeccin, seguido de los periodos de suspensin del bombeo y desfogue de presin (regreso de fluidos). En rojo se muestra el desarrollo de la prueba en tiempo y presin leda en superficie. La presin de cierre de fractura se resalta con un crculo azul que cubre un rango determinado de presin. Con esta informacin, los mtodos para determinar el valor del esfuerzo mnimo consisten en buscar un cambio de pendiente que corresponde al cierre de la fractura14, esto se obtiene al graficar: Presin vs. tiempo y la derivada de la presin

con respecto al tiempo (dp/dt). Presin vs. raz cuadrada del tiempo (Figura

24). Logaritmo de la presin instantnea de cierre

(instantaneous shut in pressure, ISIP) vs. logaritmo del tiempo de cierre (shut in).

Es importante mencionar que el esfuerzo mnimo determinado a partir de pruebas de campo (goteo, minifrac, fractura hidrulica), son puntos de calibracin a la profundidad donde se realiza la prueba. Por lo tanto, para generar un perfil del esfuerzo mnimo se requiere determinar la relacin del esfuerzo mnimo horizontal efectivo y el esfuerzo vertical efectivo ( oK )15 referido a la profundidad de las pruebas de campo.

( )25 pv

ph

v

ho pS

pSSS

K =

=

Donde hS corresponde al esfuerzo mnimo determinado de las pruebas de campo. De esta manera el perfil de esfuerzo mnimo se calcula con: ( )26 )( ppvoh ppSKS +=

Figura 24. Anlisis para determinar esfuerzo mnimo 4.5.2 Magnitud del esfuerzo mximo. Adicional a los parmetros listados en el punto 4.1, para determinar la magnitud del esfuerzo mximo se requiere conocer la magnitud del esfuerzo mnimo. Aun con esto, el esfuerzo mximo es el parmetro ms difcil de obtener porque no se puede estimar en forma directa. Como se menciona en el paso 4.5, dependiendo del tipo de rgimen de falla (normal, inversa o por deslizamiento), para un rgimen normal el esfuerzo mximo horizontal debe ser menor que el vertical ( vH SS < ). Por el contrario, para inversa y deslizante debe ser mayor ( vH SS > ). De esta manera, conociendo la magnitud del esfuerzo vertical y mnimo horizontal, la magnitud del esfuerzo mximo

Bombeo

Paro de bombeo

Regresode fluidos

Bombeo

Compresinelstica

Aperturaestable de fracturas

Aperturainestablefracturas

Lmite de fractura

Cierre de fractura

SPP

UFP FPP

ISIP

FCP

FIP

LP

Primer ciclo de Prueba

FRP

FPP

Compresinelstica



Repeticin de ciclo

Gas

tode

Bom

beo

+0-

Pres

in

de S

uper

ficie

Volumen, Tiempo

Bombeo

Paro de bombeo

Regresode fluidos

Bombeo

Compresinelstica



Lmite de fractura

Cierre de fractura

SPP

UFP FPP

ISIP

FCP

FIP

LP


FRP

FPP

Compresinelstica



Repeticin de ciclo

Gas

tode

Bom

beo

+0-

Pres

in

de S

uper

ficie

Volumen, Tiempo

Bombeo

Paro de bombeo

Regresode fluidos

Bombeo

Compresinelstica



Lmite de fractura

Cierre de fractura

SPP

UFP FPP

ISIP

FCP

FIP

LP


FRP

FPP

Compresinelstica



Repeticin de ciclo

Gas

tode

Bom

beo

+0-

Pres

in

de S

uper

ficie

Volumen, Tiempo

Anlisis de Presin de Cierre

389

300

400

500

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Sqrt(Tiempo) (min)

Pres

in

(psi

)

Shut-In PressureMin. Stress

Anlisis de Presin de Cierre

389

300

400

500

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Sqrt(Tiempo) (min)

Pres

in

(psi

)

Shut-In PressureMin. Stress


se puede determinar ajustando los valores del esfuerzo mximo y la resistencia de la roca, por ensayo y error (figura 25), hasta que se cumplan los siguientes criterios: 1. El modelo debe predecir los derrumbes

identificados con las ovalizaciones o breakouts, del registro de calibracin orientado o de imgenes.

2. El modelo no debe predecir ovalizaciones en zonas donde el registro de calibracin no marque breakouts.

3. El modelo debe predecir los eventos de prdida de circulacin.

Figura 25. Determinacin del SH mximo por ajuste en un rgimen normal.

La relacin entre el esfuerzo mnimo y mximo puede variar dependiendo de la litologa y la tectnica del rea. 4.6. Aplicaciones del Modelo de Geomecnica. La aplicacin de un modelo de Geomecnica de un campo o rea, al diseo de la perforacin de un nuevo, o nuevos pozos, se puede orientar haca diferentes usos especficos; entre las ms importantes se mencionan y describen los siguientes: i) Curvas de Estabilidad Mecnica (Ventana operativa). ii) Construccin de mapas de perforacin. iii) Seleccin de barrenas16-17. 4.6.1 Curvas de Estabilidad (Ventana operativa). Todos los parmetros determinados y calibrados a travs del seguimiento de la metodologa para la

construccin de un modelo de Geomecnica de un campo, se utilizan en el pozo planeado para predecir la ventana operativa segura en la que se debe mantener la densidad del fluido de perforacin, tomando en cuenta las presiones de poro, colapso, esfuerzo mnimo y lmite de prdida total de circulacin o fractura de la formacin (Figura 26).

Figura 26. Ventana operacional

Anlisis de sensibilidad de la ventana operativa con la trayectoria. El software de Geomecnica disponible en la industria (p. ej. WellCheck), permite determinar la desviacin y el azimut ptimos para la perforacin. En las Figuras 27 y 28, un pozo desviado a 50 grados y orientado con un azimut de 30 tiene una ventana operativa mayor (Presin de Colapso=0.61 gr/cc, presin de prdida=3.21 gr/cc) que un pozo horizontal perforado en el azimut 102 grados (presin de colapso=1.06 y presin de prdida= 1.88 gr/cc).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

50001.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3

Regimen Normal Sv>SH>Sh

Gradiente gr/cc

Prof

. m

Sh

SHSv

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

50001.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3

Regimen Normal Sv>SH>Sh

Gradiente gr/cc

Prof

. m

Sh

SHSv


Figura 27: Un pozo horizontal (desviacin=90 grados) y perforado con un azimut de 120 grados, con una densidad menor a 1.06 gr/cc se tendran problemas de derrumbes (Zona roja). Mientras que un pozo perforado con una desviacin de 60 grados y un azimut de 45 grados requerira una densidad mnima de 0.89 gr/cc para evitar derrumbes (Zona azul).

Figura 28: Un pozo horizontal (desviacin=90 grados) y perforado con un azimut de 120 grados necesita una densidad mayor a 1.88 gr/cc para iniciar las prdida de circulacin (zona roja), mientras que un pozo perforado con una desviacin de 50 grados y un azimut de 30 grados necesitara una densidad mayor a 3.25 gr/cc para iniciar las prdidas de circulacin (zona azul).

4.6.2 Mapas de perforacin. Una aplicacin integral del modelo de Geomecnica es el mapa de perforacin. ste integra, en una sola hoja universal que se realiza para cada nuevo pozo del campo, columna geolgica planeada, cimas de formaciones, curvas de estabilidad y densidad de lodo programada (Figura 29), los tipos de fluido de perforacin a usar, el programa direccional, el programa de asentamiento de tuberas de revestimiento, la grafica de avance definida con la metodologa del lmite tcnico, la descripcin de los riesgos potenciales durante la perforacin del pozo planeado mostrando alarmas (verde, amarilla y roja) a lo largo de la trayectoria del pozo que indican la severidad del riesgo. Este mapa de perforacin, tambin indica la probabilidad de que el riesgo o evento no planeado ocurra, las causas probables que originaran su ocurrencia y las consecuencias que ste causara. Finalmente, integra las acciones requeridas para prevenir la ocurrencia de eventos no planeados durante la perforacin del pozo. Toda esta informacin se presenta de una forma visual y practica de fcil lectura e interpretacin para cualquier persona involucrada en la perforacin del pozo nuevo. Adems, el mapa de perforacin tiene la funcin de servir como herramienta de comunicacin entre ingenieros de diseo y operacin y para las reuniones operativas diarias en el equipo. Esto permite desarrollar una actitud pro-activa entre todo el personal involucrado durante la perforacin y terminacin de un pozo para detectar los riesgos antes de que ocurran y estar listos para mitigar los mismos cuando se presenten. 4.6.3 Seleccin de Barrenas17. A partir de los resultados del clculo de la UCS se puede hacer una seleccin de barrenas de tipo tricnicas, de acuerdo a la tabla 2. Para el caso de la seleccin de una barrena de cortadores fijos, se debe calcular la velocidad de transmisin de la onda compresiva en la roca con confinamiento, CCV18. Debido a que la UCS slo relaciona la dureza de la formacin con la dureza de los cortadores (no proporciona informacin para definir el nmero y dimetro de cortadores, nmero de aletas, ni el cuerpo (gauge) de la barrena), no toma en cuenta ni el grado de compactacin de la roca a perforar, ocasionado por la sobrecarga, ni los esfuerzos efectivos de la formacin ocasionados por la presin de poro.

Sensibilidad (Azimut y desviacin) del limite de colapso

Sensibilidad (Azimut y desviacin) del limite de colapso

Sensibilidad (Azimut y desviacin) del lmite de perdida de circulacin

Sensibilidad (Azimut y desviacin) del lmite de perdida de circulacin


Por esta razn, se requiere una seleccin ms rigurosa y se sugiere un mtodo que tome en cuenta las propiedades mecnicas de la roca bajo condiciones de confinamiento. A partir del CCV se calcula el nmero y dimetro de cortadores y el nmero de aletas; como se explica a continuacin: 1. A partir del registro snico dipolar, de los tiempos de trnsito compresional y de corte, para cada intervalo, calcular la velocidad de corte ( Sv ).

SS t

v =1

(27)

2. Calcular la CCV utilizando una de las siguientes ecuaciones: Si la cima del intervalo a perforar est a una profundidad vertical verdadera mayor a 610 m (2000 pies) CIMAH > 610 m, entonces:

1524* CIMAS HvCCV = (28)

Si la cima del intervalo a perforar est a una profundidad vertical verdadera menor a 610 m (2000 pies) CIMAH < 610 m, entonces:

SCIMA vHCCV

+=

15241 (29)

3. Calcular el nmero de cortadores ( nC ). [ ]8.442)ln(967.51 = CCVCn (30) 4. Calcular el dimetro de cortadores a partir de la CCV y el tamao de grano de la formacin (), (Considerar 1= ).

**0002.617.21 CCVCS = (31) 5. Calcular el nmero de aletas ( nB ), en funcin del nmero de cortadores.

0245.11576.00006.0 2 += nnn CCB (32) Para mayor detalle se puede consultar la Gua de Diseo para la Seleccin de Barrenas, publicada por la UPMP17.

md mv

R-1 58 - 205 58-205 baja baja PR Inestabilidad delagujero.

Formacin muy delesnable opoco compacta, con lutitas muyreactivas.

Inestabilidad de agujero por noacondicionar el agujero con lodode perforacin.

Resistencias, repasos e introduccin deTR con bombeo, con el riesgo de noacoplar el Mud Line System (MLS)

Perforar con agua de mar y baches de lodobentonitico salado y acondicionar el agujerocon lodo bentonitico salado para laintroduccin del TC.

R-2 205-1000 205-1000 baja baja PR Falta delimpieza deagujero.

Incremento de densidad,embolamiento de la barrena ypescado por alto torque.

Excesivo recorte por dimetro dela barrena y formaciones noconsolidadas y malascondiciones de operacin.

Incremento de torque y degollamiento desarta de perforacin provocandopezcado.

Supervisar las condiciones operativas deperforacin y mantener una hidrulicaadecuada para una limpieza eficiente delagujero.

R-3 600 - 1000 600 - 1000 Alta Alta PR Atrapamiento Al bajar la TR de 20" se atrap a892 m en el pozo B-13 y a 783 men el B-2

Pegadura por presin diferencialen zonas lutito-arenosaspermeables por alta densidad dellodo.

No bajar el MLS, dejar el agujeroperforado de 26" expuesto para lasiguiente etapa y bajo gradiente depresin de factura para la siguiente etapa.

Perforar agregando material obturante,acondicionar el agujero y bajar la densidadantes de introducir la TR para asegurar laintroduccin de la TR a la profundidadperforada.

R-4 892-1110 892-1110 60 Alta PR Resistencias yperdidad decirculacin

Al reconocer el agujero perforadose observ perdida y resistencias

La TR no baj a la profundidadperforada.

Perdida de circulacin, resistencias ytener que colocar TXC. Perdida de tiempo


R-5 1110-1856 1110-1856 baja alta MS-MM Perdida decirculacin

Perfor con perdida decirculacin agregando materialobturante.

Bajo gradiente en la zapata de20" y perforacin de zonas lutitoarenosas permeables.

Perdida de lodo durante la perforacin,utilizacin de obturantes (Casing Virtual)

Agregar obturante durante la perforacin ymantener una buena limpieza del agujero.

R-6 1900-2250 1900-2250 Medio Medio MM Fricciones, arrastre, atrapamiento desarta, torque,paro de rotara yresistencias.

Al perforar a 2213 m observarrastres y atrapamiento de sartarequiriendo incrementar ladensidad y ampliar los intervalos1882-1885 y 2164-2213 m.

Atravesar la zona de presinanormal con baja densidad.

Incrementar densidad, repasar yconformar las resistencias y reconocer elagujero perforado.

Manajar la mxima densidad permisible dela etapa, tomar todas las precaucionespara perforar 40-50 m por debajo de lacima de la zona de presin anormal conuna ventana presin de poro-fractura muyreducida.

R-7 2550 2550 baja media MM Gasificacin yperdida de lodo

Observ lecturas de gas altas,lodo gasificado y perdida de lodopor incremento de densidad

Perforacin en zona de altapresin, presencia de zonas lutitoarenosas limpias con presenciade gas congenito e incrementoexesivo de densidad.

Perdida de circulacin y ganancia (efectode globo), Contaminacin de aguasalada, alteracin de propiedades dellodo e inestabilidad del agujero, perdidaparcial al introducir y cementar la TR.

Perforar agregando material obturanteagresivo, perforar circulandogasificaciones, no aumentar la densidadexcesivamente, colocar baches pesadospara viaje o registros.

R-8 0-2963 0-2963 Alta Media MI Perdida decirculacin

La TR se corrio y cement conperdida parcial

Alta velocidad de introduccin,alta densidad de las lechadas decemento.

Mala cementacin que originmanifestacin de gas en el espacio anular16"-13 3/8" e inyeccin de cemento paracontrolar flujo. Riesgo de descontrol.

Controlar la velocidad de introduccin deTR y utilizar lechadas de baja densidad.

R-9 3592-3623 3592-3623 Baja Media MI-OS Gasificacin Perforo de 3592 m a 3623 m conmetros controlados, observandogas de fondo durante 5 mindensidad minima de 2.00 gr/cc.

Formaciones impregnadas conagua salada y gas congenito.

Circular para acondicionar lodo eincremento de densidad innecesario.

Como medida preventiva agregar materialobturante durante la perforacin para evitarperdida en formaciones lutito-arenosasimpregnadas con agua salada y gascongenito. Circular gas y trabajar la cabezarotatora durante la perforacin sinincrementar la densidad. Manejar bachespesados en viajes o estaticos largos.

R-10 3846-4200 3846-4225 m Baja Media ES-PS Gasificacin de 3846 m a 4207 m observgasificacin de fondo.




R-11 4200-4700 4225-4750 Media Alta KS-KI Gasificaciones, perdida parcialde circulacin ybajos ROP

El cretacico se perfora congasificaciones, perdidas decirculacin y bajos ritmos depenetracin.

Perforacin de carbotatos(pedernal) y la zona delyacimiento.

Altos tiempos de perforacin por bajosROP, control de perdidas y flujos y viajespara constantes cambios de barrena.

Perforar ligeramente sobre balancetrabajando la cabeza rotatoria y colocarbaches pesados para estaticos largos(viajes o registros). Utilizar turbinas ybarrenas de nueva generacin.

Alta Perforar ligeramente sobre balancetrabajando la cabeza rotatoria y colocarbaches pesados para estaticos largos(viajes o registros). Utilizar barrenas conlos mejores indices y de nueva generacin.

JST-JSK Gasificaciones, perdida parcial de circulacin y

bajos ROP

El JST y JSK se perfora con gasificaciones y perdidas

parciales de circulacin y bajos ritmos de penetracin.

Concecuencias

Perforacin de carbotatos y lazona del yacimiento.

Altos tiempos de perforacin por bajosROP, control de perdidad, flujos y viajes.

R-12 4700-PT 4750-PT Media

RP7 Clave SeveridadRP8 AccionesRP6 Probabilidad FormacinTipo de riesgo DescripcinRP12 RP13RP9 CausaRP10 RP11

Profundidad

Riesgos de perforacin (RP)

RP1

Resumen de riesgos probables en pozo Bolontiku 31

RP2 RP3 RP4 RP5

Programa de TRs (mv vs md)

4,652

4,771

TC 30" a 200 md

TR 20" a 1000 md

TR 16" a 2207 md

TR 13 3/8" a 3000 md

TR 9 7/8" a 4052 md

(4021 mv)

TR 7 5/8" a 4690 md (4652 mv)

TR 5 1/2" a 4800 md

(4771 mv)

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1000

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4000

4500

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Prof

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Columna Geologica (md)

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Mapa de estabilidady densidad propuesta

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4600

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4800

4900

50000 0.4 0.8 1.2 1.6 2

PP - PC - DL - EM - GF

Prof

undi

dad

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Bolontiku 31

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EM

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KM

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1500

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3000

3500

4000

4500

50000 50 100 150Das

Figura 29. Mapa de Perforacin

md mv

R-1 58 - 205 58-205 baja baja PR Inestabilidad delagujero.

Formacin muy delesnable opoco compacta, con lutitas muyreactivas.

Inestabilidad de agujero por noacondicionar el agujero con lodode perforacin.

Resistencias, repasos e introduccin deTR con bombeo, con el riesgo de noacoplar el Mud Line System (MLS)

Perforar con agua de mar y baches de lodobentonitico salado y acondicionar el agujerocon lodo bentonitico salado para laintroduccin del TC.

R-2 205-1000 205-1000 baja baja PR Falta delimpieza deagujero.

Incremento de densidad,embolamiento de la barrena ypescado por alto torque.

Excesivo recorte por dimetro dela barrena y formaciones noconsolidadas y malascondiciones de operacin.

Incremento de torque y degollamiento desarta de perforacin provocandopezcado.

Supervisar las condiciones operativas deperforacin y mantener una hidrulicaadecuada para una limpieza eficiente delagujero.

R-3 600 - 1000 600 - 1000 Alta Alta PR Atrapamiento Al bajar la TR de 20" se atrap a892 m en el pozo B-13 y a 783 men el B-2

Pegadura por presin diferencialen zonas lutito-arenosaspermeables por alta densidad dellodo.

No bajar el MLS, dejar el agujeroperforado de 26" expuesto para lasiguiente etapa y bajo gradiente depresin de factura para la siguiente etapa.


R-4 892-1110 892-1110 60 Alta PR Resistencias yperdidad decirculacin

Al reconocer el agujero perforadose observ perdida y resistencias

La TR no baj a la profundidadperforada.

Perdida de circulacin, resistencias ytener que colocar TXC. Perdida de tiempo


R-5 1110-1856 1110-1856 baja alta MS-MM Perdida decirculacin

Perfor con perdida decirculacin agregando materialobturante.

Bajo gradiente en la zapata de20" y perforacin de zonas lutitoarenosas permeables.

Perdida de lodo durante la perforacin,utilizacin de obturantes (Casing Virtual)

Agregar obturante durante la perforacin ymantener una buena limpieza del agujero.

R-6 1900-2250 1900-2250 Medio Medio MM Fricciones, arrastre, atrapamiento desarta, torque,paro de rotara yresistencias.

Al perforar a 2213 m observarrastres y atrapamiento de sartarequiriendo incrementar ladensidad y ampliar los intervalos1882-1885 y 2164-2213 m.

Atravesar la zona de presinanormal con baja densidad.

Incrementar densidad, repasar yconformar las resistencias y reconocer elagujero perforado.

Manajar la mxima densidad permisible dela etapa, tomar todas las precaucionespara perforar 40-50 m por debajo de lacima de la zona de presin anormal conuna ventana presin de poro-fractura muyreducida.

R-7 2550 2550 baja media MM Gasificacin yperdida de lodo

Observ lecturas de gas altas,lodo gasificado y perdida de lodopor incremento de densidad

Perforacin en zona de altapresin, presencia de zonas lutitoarenosas limpias con presenciade gas congenito e incrementoexesivo de densidad.

Perdida de circulacin y ganancia (efectode globo), Contaminacin de aguasalada, alteracin de propiedades dellodo e inestabilidad del agujero, perdidaparcial al introducir y cementar la TR.

Perforar agregando material obturanteagresivo, perforar circulandogasificaciones, no aumentar la densidadexcesivamente, colocar baches pesadospara viaje o registros.

R-8 0-2963 0-2963 Alta Media MI Perdida decirculacin

La TR se corrio y cement conperdida parcial

Alta velocidad de introduccin,alta densidad de las lechadas decemento.

Mala cementacin que originmanifestacin de gas en el espacio anular16"-13 3/8" e inyeccin de cemento paracontrolar flujo. Riesgo de descontrol.

Controlar la velocidad de introduccin deTR y utilizar lechadas de baja densidad.

R-9 3592-3623 3592-3623 Baja Media MI-OS Gasificacin Perforo de 3592 m a 3623 m conmetros controlados, observandogas de fondo durante 5 mindensidad minima de 2.00 gr/cc.




R-10 3846-4200 3846-4225 m Baja Media ES-PS Gasificacin de 3846 m a 4207 m observgasificacin de fondo.




R-11 4200-4700 4225-4750 Media Alta KS-KI Gasificaciones, perdida parcialde circulacin ybajos ROP

El cretacico se perfora congasificaciones, perdidas decirculacin y bajos ritmos depenetracin.

Perforacin de carbotatos(pedernal) y la zona delyacimiento.

Altos tiempos de perforacin por bajosROP, control de perdidas y flujos y viajespara constantes cambios de barrena.

Perforar ligeramente sobre balancetrabajando la cabeza rotatoria y colocarbaches pesados para estaticos largos(viajes o registros). Utilizar turbinas ybarrenas de nueva generacin.

Alta Perforar ligeramente sobre balancetrabajando la cabeza rotatoria y colocarbaches pesados para estaticos largos(viajes o registros). Utilizar barrenas conlos mejores indices y de nueva generacin.

JST-JSK Gasificaciones, perdida parcial de circulacin y

bajos ROP

El JST y JSK se perfora con gasificaciones y perdidas

parciales de circulacin y bajos ritmos de penetracin.

Concecuencias

Perforacin de carbotatos y lazona del yacimiento.

Altos tiempos de perforacin por bajosROP, control de perdidad, flujos y viajes.

R-12 4700-PT 4750-PT Media

RP7 Clave SeveridadRP8 AccionesRP6 Probabilidad FormacinTipo de riesgo DescripcinRP12 RP13RP9 CausaRP10 RP11

Profundidad

Riesgos de perforacin (RP)

RP1

Resumen de riesgos probables en pozo Bolontiku 31

RP2 RP3 RP4 RP5

Programa de TRs (mv vs md)

4,652

4,771

TC 30" a 200 md

TR 20" a 1000 md

TR 16" a 2207 md

TR 13 3/8" a 3000 md

TR 9 7/8" a 4052 md

(4021 mv)

TR 7 5/8" a 4690 md (4652 mv)

TR 5 1/2" a 4800 md

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Columna Geologica (md)

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Mapa de estabilidady densidad propuesta

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Figura 29. Mapa de Perforacin


Tipo de litologa Resistencia

a la compre-sin UCS

(psi)

Cdigo IADC / API

Formaciones muy dbiles - Alta plasticidad con baja resistencia (margas y arcillas)

< 1500 111 - 117 / 415 - 427

Formaciones dbiles - Baja resistencia (margas, evaporitas y lutitas)

1500 3000 121 - 127 / 435 - 527

Formaciones dbiles a medianamente dbiles - baja resistencia, interlaminadas con secuencias de alta resistencia (lutitas, pizarras, lignitos)

3500 7500 131 - 137 / 537 - 547

Formaciones medianamente duras - alta densidad, alta resistencia, pero sin lentes abrasivos (lutitas, areniscas y carbonatos)

7500 15000 211 - 221 / 617 - 637

Formaciones duras - alta resistencia, con lentes abrasivos (areniscas, limolitas y dolomitas)

15000 30000

316 - 347 / 732 - 737

Formaciones extremadamente duras - resistencia muy alta, muy abrasivas (rocas gneas y metamrficas)

> 30000 832 - 837

Tabla 4. Seleccin de Barrenas Tricnicas 5. Referencias 1. Gua de Diseo para la Seleccin del Fluido de

Perforacin UPMP-2004. (http://spmp.dpep.pep.pemex.com/paginas_upmp/guias.aspx).

2. Zaki Bassiouni, Theory, Measurement, and interpretation of Well Logs, SPE Textbook Series Vol. 4, Richardson, TX 1994.

3. Gary Mavko, The Rock Physics Handbook, 2003, Cambridge Press.

4. Greenberg, M.L. and Castagna, J.P., 1992, Shear-wave velocity estimation in porous rocks: theoretical formulation, preliminary verification, and applications: Geophs. Prosp., 40, 195-209.

5. Biot M.A., - Theory of Elastic Waves in a Fluid Saturated Porous Solid, Journ. Acoust. Soc. Am. 28, 1956.

6. Rock Mechanics: Volume 1 - Theoretical Fundamentals Charlez P.A. Editions Technip; 1997.

7. John Mitchell, Perforando sin Problemas, 2004, Drilbert Engineering Inc.

8. Plumb, R.A., Edwards, S., Pidcock, G. and Lee, D. (2000) The Mechanical Earth Model and its application to high-risk well construction projects, IADC/SPE 59128.

9. Aldred, W., Plumb, R., Cook, J., et al (1999) Managing Drilling Risk, Oilfield Review, Summer 1999 pages 2-19.

10. Bratton, T., Fuller, J., Goraya, S., Harrold, T., Holt J., et al (2001) Avoiding Drilling Problems, Oilfield Review, Summer 2001 pages 33-51.

11. Gardner, G.H.F. Gardner, L.W., and Gregory, A.R., 1974, Formation Velocity and Density, Geophysics, Volume 39, Number 6, pp 2085-2095.

12. Gua de Diseo para la determinacin de Geopresiones UPMP-2004. (http://spmp.dpep.pep.pemex.com/paginas_upmp/guias.aspx).

13. Plumb and HickMan Stress Induced Borehole Elongation 1983).

14. Raaen A.M., Horsrud P., Kjorholt H. y Okland D (2006) - Improved routine estimation of the minimum horizontal stress component from extended leak off tests. - International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 43, pp. 37 - 48.

15. E.Fjaer, RM Holt, etc. "Petroleum Related Rock Mechanics.

16. Gua de Diseo para la Seleccin de Barrenas. UPMP-2004.

17. OHare J. and Aigbekaen, O.A.: Design Index: A Systematic Method of PDC Drill-Bit Selection, IADC/SPE paper 59112, presented at the IADC/SPE Drilling Conference, Louisiana, February 2000.

Esta gua fue elaborada por: Jorge Alberto Mancilla Castillo Carlos Prez Tllez Camilo Ernesto Libreros Muoz Juan Jos Lpez Mata y revisada por: Plcido Gerardo Reyes Reza Claudio Snchez Montalvo

Junio de 2006.

Diseño Geomecanico Para Pozos

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