Operaciones de disparos: Cuando la falla esel objetivo

4 Oilfield Review

Operaciones de disparos: Cuando la falla es el objetivo

Los operadores ejecutan las operaciones de disparos con una presión dentro del

pozo inferior a la del yacimiento. Esta condición de bajo balance estático facilita la

remoción de la roca dañada y los detritos. Los investigadores observaron que esta

técnica a menudo conduce a un desempeño de pozos decepcionante debido a una

limpieza inadecuada. Estudios recientes proporcionaron más detalles sobre los

efectos transitorios que ocurren durante la detonación de las cargas huecas.

Los ingenieros están explotando la condición de bajo balance dinámico para crear

túneles de disparos más limpios. Los pozos disparados con estas nuevas técnicas

habitualmente exhiben un mejor desempeño que los pozos que se disparan utilizando

los métodos tradicionales.

Dennis BaxterHarouge Oil Operations (Petro-Canada)Trípoli, Libia

Larry BehrmannBrenden Grove Harvey WilliamsRosharon, Texas, EUA

Juliane HeilandLuanda, Angola

Lian Ji Hong CACT Operators GroupShenzhen, Guangdong, China

Chee Kin KhongShenzhen, Guangdong, China

Andy MartinCambridge, Inglaterra

Vinay K. MishraCalgary, Alberta, Canadá

Jock MunroAberdeen, Escocia

Italo PizzolanteVICO Operating CompanyYakarta, Indonesia

Norhisham Safiin Raja Rajeswary Suppiah PETRONAS CarigaliKuala Lumpur, Malasia

Traducción del artículo publicado en inglés en Oilfield Review Otoño de 2009: 21, no. 3.Copyright © 2009 Schlumberger.Por su colaboración en la preparación de este artículo, se agradece a Adil Al Busaidy, Trípoli, Libia; Daniel Pastor, Rosharon; y Martin Isaacs y Steve Pepin, Sugar Land, Texas.Enerjet, PowerJet, PowerJet Omega, PURE, SPAN y TRUST son marcas de Schlumberger.Excel es marca de Microsoft.

La terminación de un pozo de petróleo o gas es la culminación del trabajo conjunto de varias disciplinas. Los geólogos, geofísicos y petrofísicos analizan las formaciones y seleccionan los objeti-vos de perforación. Los ingenieros posicionan el pozo, bajan la tubería de revestimiento y luego la cementan en su lugar. Los petrofísicos interpre-tan los registros de pozos e identifican las zonas productivas. Estos esfuerzos conducen a un momento decisivo: las pistolas de disparos perfo-ran agujeros a través de la tubería de revestimiento, el cemento y la roca, estableciendo la comunica-ción entre el yacimiento y el pozo. Fallar durante la operación de disparos no es una opción. Pero para una práctica conocida como técnica de dis-paros en condiciones de bajo balance dinámico, la falla no sólo es una opción sino que representa el objetivo operacional.

La operación de disparo (cañoneo o punzado) consiste en disparar una pistola (cañón) cargada con cargas explosivas huecas (premoldeadas). En unas pocas decenas de microsegundos, las cargas huecas son detonadas y las partículas flui-dizadas son expulsadas, formando un chorro de alta velocidad que se desplaza a velocidades de

hasta 8,000 m/s [26,250 pies/s] y creando una onda de presión que ejerce una presión de 41 GPa [6 millones de lpc] sobre la tubería de revesti-miento y de 6.9 GPa [1 millón de lpc] sobre la formación. El resultado inmediato es la formación de un túnel dejado por el disparo (en adelante, túnel de disparo), revestido con una capa de roca dañada por las vibraciones y rellena con detritos. A menos que sea removida, la roca dañada impide el flujo de fluido, y los detritos—roca pulverizada y restos de cargas—pueden taponar el túnel y obturar las gargantas de poros.

El estándar industrial para la limpieza de los túneles de disparos recién formados ha consistido en utilizar un enfoque de tipo bajo balance está-tico. Habitualmente, las pistolas de disparos son desplegadas en pozos entubados que contienen algo de fluido. La columna de fluido crea una pre-sión hidrostática estática que es una función de la altura de la columna de fluido y de la densidad del fluido. Si la presión hidrostática es menor que la presión del yacimiento, existe una condición de bajo balance estático; contrariamente, si la presión es mayor, el pozo se encuentra en una condición de sobre balance. Los operadores efectúan los dispa-

1. RP 19B, Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators, 2da edición. Washington, DC: Instituto Americano del Petróleo, 2006.

Volumen 21, no. 3 5

ros en condiciones de bajo balance estático con la esperanza de que la diferencia de presión negativa genere un influjo inmediato de los fluidos de yaci-miento y remueva los detritos de los disparos. No obstante, la producción que resulta de la utiliza-ción de este enfoque a menudo es decepcionante.

Un nuevo método—disparos en condiciones de bajo balance dinámico (DUB)—explota la información resultante de la investigación de los esfuerzos transitorios que tienen lugar en el sis-tema de pistolas, el pozo y el yacimiento durante la ejecución de los disparos. La roca triturada presente en la zona dañada por las fuerzas de la explosión de las cargas huecas es removida, y el flujo de los fluidos de yacimiento barre la roca triturada y otros detritos de los disparos hacia el interior del pozo. Un beneficio adicional del método DUB es que estos efectos pueden ser creados en pozos que inicialmente se encuentran en condiciones de bajo balance, balance o incluso sobre balance. Los resultados son disparos más limpios y un mejor desempeño de los pozos.

En el pasado, los ingenieros de diseño habi-tualmente se concentraban en crear cargas que produjeran pozos más limpios, más grandes y más profundos. Por el contrario, el método DUB demuestra que, si bien estas características son importantes, el logro de un grado de productivi-dad máxima requiere algo más que mejores cargas huecas. La explotación de los fenómenos transitorios que se producen en los túneles de disparos durante y después de la detonación mejora la geometría de los disparos y la efectivi-dad del flujo, lo que incide directamente en el desempeño del pozo.

El desempeño de los disparos en los ambien-tes de fondo de pozo depende de muchos factores, de manera que la predicción de la profundidad de penetración y del tamaño del pozo de entrada tal vez no sea posible con las pruebas de superfi-cie. No obstante, los operadores utilizan los datos de pruebas estandarizadas para comparar las diferentes cargas huecas. Los programas de simulación también emplean los datos de prue-

bas para pronosticar el desempeño de las cargas en base a las propiedades de las rocas y las condi-ciones de fondo de pozo. En el año 2000, el Instituto Americano del Petróleo (API) publicó un docu-mento conocido como Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators, RP 19B, para pro-porcionar directrices y procedimientos orientados a calificar las cargas de diferentes proveedores.1 El procedimiento API RP 19B reemplazó a la norma RP 43. Además, el API ofrece ahora el programa Perforator Witnessing para conferir más credibili-dad a los resultados de las pruebas.

Este artículo explica la teoría del método DUB y examina las aplicaciones recientes en Canadá y China. Los resultados de las pruebas de Malasia demuestran un sistema de disparos para pozos empacados con grava, que evolucionó a partir de la investigación llevada a cabo en mate-ria de dinámica de pozos. Una visión general de las prácticas recomendadas API RP 19B provee información básica de utilidad.

El proceso PUREDurante muchos años, la investigación de las operaciones de disparos se centró en el desarro-llo de cargas huecas que producen agujeros de entrada grandes y de penetración profunda en la tubería de revestimiento y detritos limitados en los túneles de disparos (véase “API RP 19B—Estandarización de las pruebas de disparos,” próxima página). Estos criterios son importan-tes pero no constituyen los únicos factores que inciden en los resultados de los disparos. En última instancia, el desempeño de los pozos es la medida cuantitativa más crítica.

Los chorros de alta velocidad y las presiones extremadamente altas generadas por las cargas huecas pueden penetrar más allá de la zona dañada durante las operaciones de perforación e ingresar en la roca virgen. En el proceso de crea-ción del túnel de disparo, el chorro fractura los granos de la matriz y altera las propiedades mecánicas de la roca que rodea el túnel. Un corte obtenido a través del túnel de disparo revela tres zonas independientes: una zona de relleno suelto compuesto por arena no consolidada y los detri-tos de las cargas, la roca dañada mecánicamente

Bajo balance dinámico

Bajo balance estático

Sobre balance

(continúa en la página 8)

Muchos factores inciden en la creación de los túneles de disparos. Es prácticamente imposible reproducir el desempeño de las cargas de fondo de pozo utilizando las pruebas efectuadas en la superficie. No obstante, una norma objetiva para evaluar el desempeño de las cargas puede constituir una forma de comparar las cargas y proporcio-nar un punto de partida para el modelado de programas que predicen la geometría de penetración y el comportamiento del pozo.

En noviembre de 2000 el Instituto Americano del Petróleo (API) publicó la norma RP 19B, Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators, que reemplaza a la norma RP 43. La segunda edición, publicada en septiembre de 2006, proporciona a los fabricantes cinco secciones que describen concisamente procedimientos de pruebas específicos. La letra “B” designa las prácticas recomendadas en lugar de las especificaciones prescriptas; sin embargo, el API registra el desempeño de las cargas sólo si los fabricantes cumplen con estas recomendaciones.1

Las dos actualizaciones más significativas de la norma RP 19B son un programa de testi-gos independientes y un cambio relacionado con la arena de fracturamiento de malla 16/30 del API para el agregado de concreto utilizado en los objetivos de la prueba de la Sección I.2 El programa Perforator Witnessing está diseñado para proporcionar mayor credi-bilidad a los resultados de las pruebas. Previa solicitud del fabricante, el API proporcionará testigos aprobados para que revisen y certi-fiquen los procedimientos de pruebas. Dado que se observaron diferencias de penetración significativas utilizando los objetivos de con-creto hechos de arena en los extremos de la especificación previa, la nueva norma controla en forma más rigurosa la mineralogía acep-table y la granulometría de la arena.3

Sección ILa prueba de la Sección I, efectuada a temperatura ambiente y a presión atmosférica, evalúa el sistema básico de disparos y es la única prueba completa del sistema de pistolas reconocida por el API (izquierda). Las compañías de servicios preparan los objetivos mediante la cementación de una sección de tubería de revestimiento dentro de un conducto de acero. Las briquetas provenientes del agregado de concreto utilizado para construir los objetivos, obtenidas durante la porción intermedia de su vertido, se prueban para determinar la resistencia a la compresión antes de efectuar la prueba.

Las cargas de prueba deben provenir de una corrida de fabricación de al menos 1,000, salvo las cargas de alta temperatura, que pueden provenir de una corrida mínima de 300. La posición de la pistola, la densidad de disparo, la fase y el número de cargas de la pistola se indican en la planilla de datos. La interferencia entre las cargas, la fase, el equipo de disparos y la densidad de disparo pueden alterar el desempeño, de modo que la prueba del sistema de pistolas no siempre se reproduce en las pruebas de un solo disparo. La prueba requiere un mínimo de 12 disparos y el sistema de pistolas debe ser verificado como un equipo de campo estándar.

El agujero de entrada en la tubería de revestimiento y la penetración se miden e indican en la planilla de datos.

Si bien la penetración total del concreto constituye una medición relevante, no refleja la penetración real de las rocas de la forma-ción. Si se conocen las propiedades mecánicas de la formación, el software de modelado, tal como el programa de análisis de operaciones de disparos SPAN, puede estimar el desem-peño en el fondo del pozo.

Sección IIPara la prueba correspondiente a la Sección II, las cargas son detonadas en los objetivos de arenisca Berea, sometidos a esfuerzos a temperatura ambiente.4 Estas pruebas de un solo disparo se llevan a cabo en un dispositivo de laboratorio (abajo). Tanto el esfuerzo de confinamiento como la presión del pozo se fijan inicialmente en 3,000 lpc [20.7 MPa], y cualquier presión de poro inducida se ventea a la atmósfera. Si bien esta prueba no reproduce las condiciones de un yacimiento en particular, la roca sometida a esfuerzos constituye una mejora cualitativa significativa en cuanto a realismo respecto del objetivo de concreto no sometido a esfuerzos de la Sección I.

6 Oilfield Review

API RP 19B: Estandarización de las pruebas de disparos

>Norma API RP 19B; prueba correspondiente a la Sección I. El diámetro del agujero de entrada de las cargas huecas y la profundi-dad de penetración son determinados después de una prueba que utiliza equipos de pozo estándar para disparar un objetivo de concreto. El concreto, vertido alrededor de una sección de tubería de revestimiento colocada en un conducto de acero, debe satisfacer los requerimientos de resistencia a la compresión, tiempo y composición del agregado. Las briquetas, obtenidas del agregado, se utilizan para validar la resis-tencia a la compresión del objetivo.

Oilfield ReviewAutumn 09Pure Fig. Sidebar fig 1ORAUT09-PURE SDBR Fig. 1

Tubería derevestimiento Pistola

AguaBriquetade prueba

Conductode acero

Concretode 28 días

>Norma API RP 19B; dispositivo para la prueba de la Sección II. Las pruebas de un solo disparo se efectúan en objetivos de arenisca Berea sometida a esfuerzos.

Carga hueca

Fluido anular

Placa del objetivo

Camisa de caucho

Núcleo de4 o 7 pulgadasde diámetro

Ventilación delnúcleo

Entrada de fluido


Sección IIILa prueba calórica de la Sección III evalúa la degradación del desempeño de un sistema de pistolas, como resultado de los efectos de la temperatura. Un mínimo de seis cargas son disparadas para penetrar las placas de acero soldadas al cuerpo de la pistola, desde un sistema de pistolas calentado. La penetración y el diámetro del agujero de entrada, resul-tante de las pistolas detonadas a temperaturas elevadas, son comparados con los obtenidos utilizando pistolas disparadas en condiciones ambiente (arriba, a la izquierda).

Sección IVLa prueba de la Sección IV evalúa el desempeño del flujo, disparando una muestra de roca confinada en un módulo de pistolas de laboratorio de un solo disparo (arriba. a la derecha). El recipiente para la prueba consta de tres partes esenciales: una cámara de confinamiento que imparte el esfuerzo de los estratos de sobrecarga sobre el núcleo de roca, un sistema que presuriza el fluido de poro y simula la respuesta del yacimiento de campo lejano, y una cámara de pozo presuri-zada. Esta prueba proporciona una medición de la eficiencia de flujo en los núcleos (CFE).5 El parámetro CFE puede relacionarse con el daño mecánico de un solo disparo y utilizarse para cuantificar las características esenciales

de la zona triturada del disparo. En la práctica, muy pocos investigadores realizan las pruebas de la Sección IV “según las reglas.” Esto se debe principalmente a la necesidad que tiene el operador de pronosti-car lo que sucederá en un yacimiento en particular, o bien evaluar la técnica de disparos óptima para una aplicación dada.

Sección VLa Sección V provee un procedimiento para cuantificar el volumen de detritos que sale de una pistola de disparos después de la detonación y la recuperación.

Observaciones sobre las nuevas pruebas Las normas API RP 19B fueron publicadas en el año 2000, y muchas pruebas efectuadas según las normas API RP 43 han sido

re-certificadas utilizando las nuevas. Las diferencias observadas en los resultados oscilan entre insignificantes y significativas. Por ejemplo, se observó una reducción de la penetración total del 14% en las nuevas pruebas de la carga PowerJet de Schlumberger.6 Pero la diferencia del 0.07% en la medición de la penetración de la carga Enerjet III de 5.4 cm [21/8 pulgadas] fue insignificante.

Las pruebas efectuadas en objetivos de concreto quizás no representen con precisión el desempeño de las cargas en condiciones de fondo de pozo; sin embargo, proporcionan a la industria un punto de referencia para la comparación de las cargas de diferentes proveedores. Las directrices más estrictas de la norma API RP 19B, junto con el programa de atestiguamiento, generan más confianza en la fiabilidad de los resultados publicados de las pruebas.

Volumen 21, no. 3 7

1. ParaverlosresultadosdelAPImedianteCertificación,consulte,http://compositelist.api.org/FacilitiesList.ASP?Fac=Yes&CertificationStandard=API-19B(Seaccedióel1ºdejuniode2009).

2. LasespecificacionesestablecidasporelAPIparaeltamañodelosgranosdelaarenadefracturamientoabarcaneltamañodegrano,laesfericidad,laredondez,laresistenciaalatrituraciónylamineralogía.Elestándarqueestipulaunamalla16/30requierequeun90%delosgranosdearenaoscileentre0.595y1.19mm[0.0234y0.0469pulgada]yun99%desílicepuro.

3. BrooksJE,YangWyBehrmannLA:“EffectofSand-GrainSizeonPerforatorPerformance,”artículoSPE39457,presentadoenlaConferenciasobreControldeDañodelaFormacióndelaSPE,Lafayette,Luisiana,EUA,18al19defebrerode1998.

4. LaareniscaBereaseextraedeunaformacióndeEUAqueafloraenunabandaqueseextiendedesdeel

nortedeKentuckypasaporlaciudaddeBerea,enOhio,yluegoingresaenPensilvania.

5. ElparámetroCFEsedefinecomolarelaciónentreelinflujoreal,atravésdeldisparo,yelinflujoteóricoatravésdeundisparo“perfectamentelimpio”delamismageometríaquelamedidaenlaprueba.Eselanálogodeunsolodisparoalarelacióndeproductividaddeunpozoycompartelahipótesissimplificadoradelinflujoradialunidimensionalendirecciónhaciaunagujerocilíndrico.UnaeficienciaCFEde1correspondeaunfactordedañode0paraunsolodisparo,loqueindicaquenoquedaningunazonatriturada.UnaeficienciaCFEdemenosde1indicalaexistenciadedañooflujorestringido.

6. EnlaspruebasefectuadassegúnlasnormasRP19BdelAPI,elresultadocorrespondientealapenetraciónconlacargaPowerJetOmegafue10%superioralobtenidosiguiendolanormaAPIRP43,correspondientealacargaPowerJetoriginalalaquereemplazó.

>NormaAPIRP19B,SecciónIII,pruebacalórica.Laintegridadtérmicadelapistoladedisparoseverificaelevandolatemperaturadelapistolaprimeroyutilizándolaluegoparadispararobjetivosdebarrasdeacerolaminado.


Bandastermales

Objetivosde barrasde acero

>NormaAPIRP19B,SecciónIV,pruebaCFE.Eldesempeñodelflujosemideutilizandounrecipienteparapruebasespecialmentediseñado,quesimulalascondicionesdefondodepozo.Estapruebaproporcionaunaaproximaciónmásprecisaconrespectoalosresultadosdefondodepozosilasmuestrasderocasutilizadasposeenunacomposiciónsimilaraladelaformacióndefondodepozo.


Diferencia de presiónde poro del pozo

Presión del pozo

Válvula de micrómetro

Placa de disparo que simulala tubería de revestimientoy el cemento

Acumulador de 5galones conectado al pozo

Pozo simulado

Carga hueca

Muestra del núcleo

Dato

s de

pre

sión

de

conf

inam

ient

o

Cámara de confinamiento

Dato

s de

pre

sión

del p

ozo Acumulador de 30 galones

Muestras simuladasde núcleos de yacimientos

Medidores de presión de cuarzo rápidos

8 Oilfield Review

con características modificadas de flujo y resis-tencia, y la roca virgen identificada por sus valores intrínsecos inalterados de permeabilidad, porosidad y resistencia de la roca (arriba).

La roca dañada mecánicamente, presente en la zona triturada, reduce el influjo de fluido y puede ser un contribuidor significativo para el daño mecánico.2 Además, el relleno suelto exis-tente en el túnel de disparo puede taponar los espacios porosos, complicando potencialmente las operaciones futuras, tales como los procesos de inyección y los tratamientos de acidificación de la matriz, empaque de grava y estimulación por fracturamiento hidráulico.

Tradicionalmente, cuando es posible, los pozos son disparados con una condición de bajo balance estático para facilitar el influjo de los flui-dos de formación después de la detonación. Las pruebas de laboratorio demuestran que se requie-ren presiones diferenciales estáticas mayores que las recomendadas previamente para remover efectivamente la roca dañada y barrer los detri-tos de los túneles de disparos.3 Los análisis de los datos obtenidos con los medidores de presión rápidos y lentos, durante las operaciones de un solo disparo y las pruebas de flujo, indican que la presión del pozo varía considerablemente durante e inmediatamente después de la detonación de las cargas.4 La presión diferencial puede oscilar repetidas veces, pasando de la condición de sobre balance a la condición de bajo balance en cuestión de milisegundos. Dichas oscilaciones de presión no son muy efectivas para remover la roca dañada o limpiar rápidamente los detritos.

Otra consecuencia posible de las operaciones de disparos con un bajo balance estático es que la sobrepresión transitoria inicial generada durante la detonación puede hacer que los detritos pene-tren en las profundidades del túnel de disparo, creando un tapón impermeable. En los pozos en los que la condición de bajo balance estático pro-duce al menos cierto nivel de influjo, éste puede ser desproporcionado: los disparos más permea-bles experimentarán el mayor grado de limpieza. Los disparos efectuados en la roca menos permea-ble, que necesita más ayuda para una limpieza completa, tal vez no experimenten un influjo sufi-cientemente prolongado antes que se produzca la ecualización de la presión. El resultado es menos disparos limpios, si los hubiere, y menos disparos que contribuyen al flujo total.

Dado que la zona dañada se encuentra par-cialmente desconsolidada y su resistencia es mucho menor que la de la roca adyacente, una

oleada inicial rápida (flujo instantáneo)—lo sufi-cientemente intensa como para generar esfuerzos de tracción que excedan la resistencia de la zona dañada—hará que las rocas fallen. El flujo soste-nido que tiene lugar después de la falla de las rocas barre el material del túnel (próxima página, arriba). Ésta es la esencia de las operaciones de disparos DUB: el proceso se deriva del conoci-miento y el control de los fenómenos transitorios.5 El primer paso consiste en comprender los meca-nismos a escala de grano.

Los granos de la matriz, sobre la superficie del túnel de disparo, se fracturan durante las opera-ciones de disparos. Si bien este hecho genera más trayectos para el flujo de fluido en la zona triturada, esos trayectos son más estrechos y restrictivos que los de la estructura porosa original. Éste es el meca-nismo que genera una reducción de la permeabilidad sobre la pared del túnel. La permeabilidad oscila entre casi nula, en el borde del túnel, y la per-meabilidad de la roca virgen a cierta distancia dentro de la formación.

La medición directa de la permeabilidad en la zona triturada es difícil.6 No obstante, los científicos del Laboratorio de Investigación del Mejoramiento

2. El daño mecánico es la reducción producida en la permeabilidad en la región vecina al pozo como resultado de factores mecánicos. Un factor de daño positivo indica una reducción de la permeabilidad, un factor de daño negativo indica un mejoramiento de la productividad.

3. Behrmann LA: “Underbalance Criteria for Minimum Perforation Damage,” artículo SPE 30081, presentado en la Conferencia Europea sobre Daño de la Formación de la SPE, La Haya, Países Bajos, 15 al 16 de mayo de 1995.

Walton IC, Johnson AB, Behrmann LA y Atwood DC: “Laboratory Experiments Provide New Insights into Underbalanced Perforating,” artículo SPE 71642, presentado en la Conferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE, Nueva Orleáns, 30 de septiembre al 3 de octubre de 2001.

4. Behrmann LA, Li JL, Venkitaraman A y Li H: “Borehole Dynamics During Underbalanced Perforating,” artículo SPE 38139, presentado en la Conferencia Europea sobre Daño de la Formación de la SPE, La Haya, Países Bajos, 2 al 3 de junio de 1997.

5. Bolchover P y Walton IC: “Perforation Damage Removal by Underbalance Surge Flow,” artículo SPE 98220, presentado en el Simposio y Exhibición Internacional sobre Control de Daño de la Formación de la SPE, Lafayette, Luisiana, EUA, 15 al 17 de febrero de 2006.

6. Heiland J, Grove B, Harvey J, Walton I y Martin A: “New Fundamental Insights into Perforation-Induced Formation Damage,” artículo SPE 122845, presentado en la Conferencia Europea sobre Daño de la Formación de la SPE, Scheveningen, Países Bajos, 27 al 29 de mayo de 2009.

7. Hansen JP y Skjeltorp AT: “Fractal Pore Space and Rock Permeability Implications,” Physical Review B 38, no. 4 (1988): 2635–2638.

8. El término fractal, acuñado por Benoît Mandelbrot, se refiere a una forma geométrica accidentada o fragmentada que exhibe un patrón anidado infinito de la estructura en todas las escalas, característica que se conoce también como autosimilaridad. La dimensión fractal es una medida de la complejidad de la forma geométrica, o en el caso de las fotografías binarias del estudio, la complejidad de una región predefinida. La cuantificación incremental de la dimensión fractal provee un grado de la complejidad del espacio poroso que se relaciona con la permeabilidad.

> Resolución del daño producido por los disparos. Idealmente, los disparos se extienden hacia el interior de la roca virgen, más allá de la zona de Daño de la Formación inducido por las operacio-nes de perforación. Con posterioridad a la detonación, se identifican tres zonas: un túnel de disparo con roca suelta y detritos de los disparos (fotografía del inserto), una zona dañada (sombrea-do rojo) compuesta por los granos fracturados de la matriz y las rocas alteradas mecánicamente (extremo inferior derecho), y una zona virgen (extremo superior derecho). Las propiedades de las rocas, tales como resistencia (curva magenta, inserto del extremo inferior izquierdo), porosidad (curva verde) y permeabilidad (curva azul), son afectadas por el chorro de los disparos. Los efectos de permeabilidad causados por los granos fracturados se reducen radialmente desde el borde del túnel. La resistencia de la roca varía entre casi nula en el borde del túnel, y la resistencia de la roca virgen a cierta distancia de la superficie del túnel. Las operaciones de disparos no afectan significativamente la porosidad.

Roca virgen

Granos fracturados

Oilfield ReviewAutumn 09Pure Fig. 1ORAUT09-PURE Fig. 1

Túnel de disparo

Daño generadopor las operaciones

de perforación

Relleno suelto en el períodoprevio a la oleada inicial

Tubería de revestimientoCemento

Túnel previoa la oleada

inicial

Zona dedaño de los

disparosRoca virgen sin dañar

Resistencia de la roca

Porosidad

Permeabilidad

Distancia radial al centro del túnel de disparo

Prop

ieda

des

rela

tivas

de

las

roca

s

Volumen 21, no. 3 9

de la Productividad (PERF) del Centro de Termi-naciones de Yacimientos de Schlumberger en Rosharon, Texas, EUA, emplearon un método indi-recto para cuantificar los cambios producidos en

esta zona.7 La permeabilidad se estima a partir de la dimensión fractal del espacio poroso.8 Esta técnica de medición, basada en el análisis de imágenes de las fotografías tomadas de secciones delgadas, pro-

vee una medida relativa de la permeabilidad y ayuda a determinar el grado de daño producido por los disparos (abajo).

Las muestras disparadas de arenisca Berea fueron impregnadas al vacío con resina epoxi teñida de azul. Luego, los ingenieros cortaron secciones delgadas perpendiculares al eje del túnel de disparo. Las fotografías panorámicas radiales muestran los efectos de los disparos

> Falla de la zona triturada. Dos de los aspectos más importantes de las operaciones de disparos DUB son la magnitud y el ritmo de la caída de presión. La gráfica de la izquierda compara la presión del pozo durante las operaciones de disparos PURE (azul) con la de los disparos en condiciones de bajo balance estático (naranja). En el ejemplo correspondiente al sistema PURE, la presión del pozo se encuentra inicialmente balanceada con la presión de poro del yacimiento y luego se reduce rápidamente. En el ejemplo correspondiente a la condición de bajo balance estático, inicialmente la presión es inferior a la del yacimiento, aumenta rápidamente a partir de la liberación de los gases durante la detonación de las pistolas y luego se reduce lentamente, creando una condición de bajo balance. Los datos obtenidos con los medidores rápidos (extremo derecho) revelan las presiones transitorias para cada sistema de pistolas. El esfuerzo de tracción producido por la diferencia de presión pico durante las operaciones de disparos DUB (azul) excede la resistencia de la roca; la roca de la zona dañada falla y se convierte en relleno suelto en el túnel. La intersección de la resistencia de la roca (magenta) y la resistencia del flujo indica el ancho del túnel posterior a la oleada inicial (líneas rojas de guiones). La roca poco dañada es removida por el lento diferencial de presión, típico de los disparos en condiciones de bajo balance estático (naranja). Utilizando el método DUB, se remueve la roca dañada adicional (celeste).

Máximo para la condiciónde bajo balance estático

Oilfield ReviewAutumn 09Pure Fig. 1AORAUT09-PURE Fig. 1A

Pistolas disparadas Tiempo

Rápi

do Máximo para la condiciónde bajo balance dinámico

Lento

Presión del yacimiento

Distancia radialCentro deltúnel dedisparo

Bajo balance estático

Bajo balance dinámico

Resistencia de la roca

Roca virgen sin dañar

Zona dedaño de

los disparos

Túnel previoa la oleada

inicial

Rocaremovida

Anchodel túnel

nuevoDinámicoEstático

Pres

ión

del p

ozo

Resi

sten

cia

de la

roca

Pres

ión

dife

renc

ial p

ico

> Análisis de permeabilidad a partir de la dimensión fractal de los espacios porosos. Las fotografías de las secciones delgadas teñidas de azul son representadas en blanco y negro (imagen binaria). El análisis de la dimensión fractal se efectúa sobre la base de las imágenes en blanco y negro, y los datos son representados gráficamente como una función de la distancia al borde del túnel de disparo. La zona de baja permeabilidad (sombreado azul) termina a unos 10 mm del centro del túnel. Si bien el daño se extiende hasta 10 mm, la zona de mayor deterioro de la permeabilidad se limita a una distancia de algunos milímetros con respecto a la pared del túnel y su remoción es la más crucial para el mejoramiento del flujo. El análisis de la dimensión fractal se efectuó sobre diversos núcleos de arenisca con diferentes propiedades de rocas (derecha). Los datos promedio de la dimensión fractal (puntos azules) se corresponden con el daño medido visualmente a partir de las secciones delgadas (puntos rojos). Obsérvese que la zona de permeabilidad reducida (sombreado azul) no se relaciona directamente con la resistencia de la formación. La arenisca Castlegate (extremo superior derecho) posee una resistencia a la compresión no confinada (UCS) mucho más baja; sin embargo, la profundi-dad del daño es similar a la de dos variedades de arenisca Berea mecánicamente más resistentes (centro y extremo inferior derecho). (Adaptado de Heiland et al, referencia 6.)


1.15

1.25

1.35

1.45

1.55

12 14 16

Dim

ensi

ón fr

acta

l

Distancia al centro del túnel, mm108642

Roca dañada Roca virgen

Sección delgada

Imagen binaria

UCS, lpc Porosidad, %6,488 22.4

Dim

ensi

ón fr

acta

l

1.15

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1,668 26.9UCS, lpc Porosidad, %

Dim

ensi

ón fr

acta

l

1.15

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Distancia al centro del túnel, mm12 14 16 18 20108642

Dim

ensi

ón fr

acta

l

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1.55Arenisca Berea Gray

Arenisca Berea Buff

Arenisca Castlegate

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ensi

ón fr

acta

l



Sección delgada

Imagen binaria

Arenisca Castlegate



Dim

ensi

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Arenisca Berea Buff


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Arenisca Berea Gray



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ensi

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acta

l



Sección delgada

Imagen binaria

Arenisca Castlegate



Dim

ensi

ón fr

acta

l

1.15

1.35

1.55

Arenisca Berea Buff


Dim

ensi

ón fr

acta

l

1.15

1.35

1.55

Arenisca Berea Gray



Dim

ensi

ón fr

acta

l

1.15

1.35

1.55

1.15

1.25

1.35

1.45

1.55

12 14 16

Dim

ensi

ón fr

acta

l



Sección delgada

Imagen binaria

Arenisca Castlegate



Dim

ensi

ón fr

acta

l

1.15

1.35

1.55

Arenisca Berea Buff


Dim

ensi

ón fr

acta

l

1.15

1.35

1.55

Arenisca Berea Gray



Dim

ensi

ón fr

acta

l

1.15

1.35

1.55

10 Oilfield Review

desde el borde del túnel hasta la roca virgen. Las fotografías a color de las secciones delgadas son representadas como imágenes binarias en blanco y negro; el espacio poroso es negro y la matriz de roca es blanca.

Los investigadores emplearon técnicas de análisis de imágenes comunes a las aplicaciones biológicas y las aplicaciones asociadas con las ciencias de los materiales para determinar las dimensiones fractales de los espacios porosos a partir de las imágenes binarias medidas en incre-mentos de deslizamiento de 1 mm [0.04 pulgada]. Utilizaron los cambios identificados en la compleji-dad geométrica de las rocas para establecer un perfil del daño producido por los disparos. Los resul-tados de las pruebas de diferentes muestras de arenisca Berea muestran un punto de inflexión entre la roca virgen y la roca dañada a una distancia de aproximadamente 8 a 10 mm [0.3 a 0.4 pulgada] con respecto al borde del túnel, lo que indica la transición de los granos fracturados con per-meabilidad reducida a la roca no afectada. La mayor parte del daño se localiza dentro de los primeros 5 mm [0.2 pulgada].9

Durante las operaciones de disparos también se produce la rotura de la cementación entre los granos y la pérdida de adherencia de las partícu-las dispersas de arcilla. El desplazamiento radial de los granos de la matriz crea un esfuerzo elás-tico residual en la roca inalterada de campo lejano. A medida que la roca se descomprime, el esfuerzo hace que la roca más dañada, es decir la roca adyacente al túnel de disparo, falle pero per-manezca en su lugar.

Los ingenieros utilizan un perfilador de rocas, o un probador de resistencia al rayado, para medir la resistencia de la roca a lo largo de los ejes de las muestras disparadas; esto provee la resistencia a la compresión no confinada (UCS) (arriba, a la derecha). Estos datos indican que la zona con daño mecánico se extiende una distan-cia de casi 20 mm [0.8 pulgada] desde el túnel de disparo y no corresponde exactamente a la zona de granos fracturados.10 De manera similar a los efectos observados para la permeabilidad, el grado máximo de daño mecánico se produce sobre la superficie de las paredes del túnel, y el daño se reduce con la distancia radial a la super-ficie del túnel.

Una de las principales implicaciones de esta naturaleza dual de la zona dañada por los disparos es que la diferencia de presión necesaria para remover la mayor parte de la roca con deterioro de la permeabilidad es sólo una fracción de la resis-tencia de la roca virgen. Los datos experimentales indican que los pocos milímetros de roca con gra-nos triturados y permeabilidad reducida coinciden

> Resistencia a la compresión no confinada derivada de un probador de resistencia al rayado. Un perfilador de rocas (inserto) mide las fuerzas normales y de corte requeridas para crear una ranura de 0.2 mm [0.008 pulgada] en una muestra de roca. Efectuando raspaduras cada vez más profundas a lo largo del eje del túnel de disparo, los ingenieros crearon una representación 3D de la resistencia de la roca desde el borde del túnel hasta la roca virgen. Se dispararon cuatro muestras de arenisca Berea, se separaron y luego se sometieron a prueba. La resistencia de la arenisca virgen excede 8,000 lpc [55 MPa]; sin embargo, la de los primeros 10 mm de roca con daño mecánico es inferior a 2,000 lpc [13.8 MPa]. Un diferencia de presión DUB de más de 2,000 lpc puede hacer que esta roca falle y caiga en el túnel de disparo. (Adaptado de Heiland et al, referencia 6.)


UCS,

lpc

10,000

12,000

14,000

8,000

6,000

4,000

2,000

00 5 10 15 20 25

Distancia al centro del túnel, mm

Muestra del núcleo 1




> Sistema de pistolas PURE. Las pistolas de la tubería de revestimiento se cargan tanto con cargas huecas convencionales como con cargas PURE, las cuales crean agujeros grandes en el sistema de transporte (inserto). Los volúmenes internos de las pistolas solas no son suficientes para crear la condición de bajo balance dinámico requerido que produce la falla de las rocas en la zona triturada. El software de modelado provee el número de transportadores huecos, cargados solamente con cargas PURE que deben ser agregados a la sarta de pistolas.


Carga PURE Carga convencionalAgujero de salida a partir

de la carga PURE

con resistencias de rocas de menos de 2,000 lpc. Si en los túneles de disparos se crea rápidamente un gradiente de presión, como sucede con un sistema de disparos PURE, se pueden generar esfuerzos de tracción y corte suficientes para producir la falla de la roca dañada o su separación.

Para crear la condición de bajo balance diná-mico se combinan parámetros de diseño de operaciones y equipos PURE especiales. Tanto las

cargas estándar como las cargas huecas PURE se colocan en la sarta de pistolas (abajo). La condi-ción de bajo balance dinámico se genera cuando estas cargas perforan agujeros muy grandes en los sistemas de transporte y establecen un grado de comunicación máxima entre el pozo y la sarta de pistolas, permitiendo así el rápido flujo de fluido hacia el interior de la pistola. Las cargas PURE no penetran la tubería de revestimiento.

Volumen 21, no. 3 11

Un transportador de pistolas que contiene las cargas convencionales y las cargas huecas PURE raramente posee un volumen interno suficiente para crear un bajo balance dinámico de presión suficiente para causar la falla de la roca dañada, y luego sostener el influjo el tiempo suficiente para limpiar los túneles de disparos. Para crear un grado adicional de caída de presión e influjo, al arreglo se le agregan las cámaras PURE cargadas solamente con cargas PURE, que sean necesarias.

9. Heiland et al, referencia 6.10. Heiland et al, referencia 6.

Estas cargas se disparan al mismo tiempo que el resto de la sarta de pistolas (arriba). Para lograr un efecto máximo, estas cámaras se colocan lo más cerca posible de los disparos recién abiertos.

Dado que el influjo de fluido hacia el interior de la pistola y las cámaras crean el bajo balance dinámico, el sistema PURE funciona únicamente en pozos llenos de líquido. Si los disparos se pro-graman para múltiples intervalos y alguno de esos intervalos puede producir gas, el gas que fluye

desde las zonas inferiores puede perturbar el pro-ceso. Para evitar este problema potencial en las formaciones gasíferas, lo mejor es efectuar los disparos desde la zona más somera hasta la zona más profunda. Ésta es una desviación con res-pecto al enfoque tradicional.

> Componentes dinámicos de las operaciones de disparos DUB. Las operaciones de disparos DUB utilizan cargas especiales para abrir agujeros grandes en los transportadores de las pistolas y en las cámaras PURE (extremo superior izquierdo, carga del centro). Un incremento inicial de la presión del pozo resultante de la detonación de las cargas, como el que se observa en la gráfica de presión (extremo superior derecho, curva azul), es seguido por una rápida reducción de la presión (centro a la derecha) creada por el influjo de fluidos hacia el interior del transportador de pistolas vacío (centro a la izquierda). La roca de la zona triturada falla y cae dentro del túnel de disparo. Luego, el flujo de fluido del yacimiento (flechas negras) transporta esta roca fallada junto con los detritos de las cargas hacia el interior del pozo y los transporta-dores vacíos (flechas verdes). El resultado final es un túnel agrandado con características de flujo mejoradas (extremo inferior izquierdo).


El pozo produce

10 20 30 40 500

10 20 30 40 500

Detonación

Bajo balance dinámico e influjo

Túneles de disparos limpiosPr

esió

n

Tiempo, milisegundos


Pres

ión


Pres

ión

10 20 30 40 500




12 Oilfield Review

Con el fin de diseñar los componentes volumé-tricos específicos del sistema de pistolas para crear el efecto PURE, los especialistas en operaciones de disparos emplean programas de computadora patentados para modelar el comportamiento de la presión transitoria (izquierda). Este software simula la creación y la propagación de las ondas de presión transitoria generadas durante los dis-paros y pronostica la presión del pozo en cualquier punto del mismo. En base a las caracte-rísticas específicas del pozo y al equipo de pistolas, se crea una sarta de pistolas única. Dado que un medidor de presión instalado en la pistola de disparo raramente podría sobrevivir al impacto de la detonación, el modelo provee una gráfica de presión simulada, o extrapola la presión del pozo en las pistolas en base a los datos del medidor de presión adquiridos un poco más arriba del arre-glo de fondo de pozo.

La investigación de los esfuerzos transitorios que tienen lugar durante las operaciones de dispa-ros destaca la importancia de considerar las contribuciones del pozo, el yacimiento, el sistema de pistolas y otros factores externos a la hora de diseñar un sistema de disparos. Mediante la explo-tación de los esfuerzos creados con el equipo de fondo de pozo, las operaciones en condiciones de bajo balance dinámico producen disparos más efectivos y mejoran el desempeño de los pozos (próxima página, arriba a la izquierda).

Superación de los desafíos ambientalesEl Campo Terra Nova, situado a 350 km [220 millas] frente a la costa de Terranova en Canadá, produce de arenas prospectivas del Jurásico intensamente falladas. Los pozos de este campo son perforados utilizando una unidad móvil de perforación marina (MODU). Las terminaciones submarinas se conec-tan a una embarcación flotante de producción, almacenamiento y descarga (FPSO) (próxima página, arriba a la derecha).11

Para maximizar la recuperación, el plan de desarrollo del campo requiere la perforación de pares de pozos productores-inyectores de alta pro-ductividad. La práctica estándar consiste en disparar los pozos productores con pistolas baja-das con cable de 114.3 mm [41/2 pulgadas], cargadas con cargas de 32 g. Usualmente se requieren hasta seis bajadas por pozo. El bajo balance está-tico—presión hidrostática del pozo menor que la de la formación—para la bajada inicial de las pis-

11. Baxter D, McCausland H, Wells B, Mishra VK y Behrmann L: “Overcoming Environmental Challenges Using Innovative Approach of Dynamic Underbalance Perforating,” artículo SPE 108167, presentado en la Conferencia del Área Marina de Europa de la SPE, Aberdeen, 4 al 7 de septiembre de 2007.

> Software PURE Planner. Las condiciones del pozo constituyen datos de entrada para el software PURE Planner, el cual provee como resultado el diseño de la sarta de pistolas (extremo superior). También pueden generarse las historias de presión pronosticadas en las pistolas individuales y en las ubicaciones preestablecidas a lo largo del pozo. Aquí se muestran (extremo inferior) las respuestas de presión (curvas negra, verde y roja) para una sarta de disparos de tres pistolas. Si bien en las pistolas se crea una condición DUB, las respuestas que se medirían con los medidores colocados más cerca de la superficie (curvas amarilla y celeste) no son tan pronunciadas como lo son en las pistolas. Estos datos pueden ajustarse con los datos de presión de fondo de pozo, adquiridos durante y después de la detonación para validar y cuantificar la condición DUB en el intervalo disparado.


Pres

ión


0 0.001 0.002 0.003 0.004

Tiempo, segundos

Pistola 1Pistola 2Pistola 3Medidor 1Medidor 2


tolas se mantiene con la columna de fluido. Para lograr las condiciones de bajo balance durante las bajadas subsiguientes, el efluente de los pozos se quema en antorcha en la unidad MODU.

Los contraflujos (flujos de retorno) múltiples, inherentes a este programa de disparos, produ-cen pérdidas de producción e incrementan el riesgo de incidentes ambientales como conse-cuencia del escape no intencional de fluido. Si bien los resultados fueron satisfactorios, la pér-dida y el riesgo instaron al operador a investigar otros métodos de terminación alternativos.

Primero se propuso una prueba de disparos DUB con el sistema PURE para los pozos inyecto-res de agua del Campo Terra Nova. Estos pozos serían sometidos a una condición de leve bajo

balance para la bajada inicial de las pistolas y a una condición de balance estático para las baja-das subsiguientes. El diseño de las pistolas generaría un bajo balance dinámico y disparos limpios para las bajadas subsiguientes sin necesi-dad de derivar el efluente a la unidad MODU en cada bajada. El proceso de quema en antorcha en la unidad MODU se reduciría a un solo evento para la recuperación de los fluidos de termina-ción y los detritos de los disparos, necesaria para poner en marcha el pozo.

Cuando los cambios introducidos en el crono-grama demoraron la perforación de los pozos inyectores de agua, el operador decidió utilizar el sistema PURE en un pozo de producción. Para el primer pozo, se efectuaron seis bajadas del sistema

de disparos con cable. Los datos provenientes de los medidores rápidos de la primera bajada indica-ron un bajo balance estático inicial de 4.77 MPa [690 lpc]. Inmediatamente después de los dispa-ros, se logró una condición máxima de DUB de 12.9 MPa [1,870 lpc] y se mantuvo un bajo balance de 3.2 MPa [464 lpc] durante aproxima-damente 0.55 segundo, tiempo durante el cual se limpiaron los túneles de disparos (abajo).

Las cinco bajadas subsiguientes de las pisto-las se efectuaron en una condición de balance. Los datos de presión provenientes de la cuarta bajada indicaron un estado de balance inicial pero se logró una condición DUB de 16.4 MPa [2,379 lpc]. Un pico de sobrepresión muy breve, típico de los pozos disparados en condiciones de

> Túneles de disparos más grandes y más limpios. Las operaciones de disparos efectuadas en muestras de núcleos en un ambiente simulado de fondo de pozo, demuestran los diferentes resultados obtenidos con la técnica de disparos PURE (extremo superior) y sin las condiciones DUB (extremo inferior). Los agujeros de entrada en la tubería de revestimiento y las profundidades de penetración son similares; sin embargo, las rocas dañadas y los detritos han sido removidos del túnel con el sistema de disparos DUB.

Operaciones de disparos con un bajo balance dinámico

Operaciones de disparos en condiciones de balance


> Datos de presión provenientes de las carreras de disparos. Los medidores rápidos de presión de fondo de pozo registraron datos durante las carreras de disparos. En la primera bajada de las pistolas (izquierda), con un bajo balance estático inicial de 4.77 MPa por debajo de la presión del yacimiento (verde), se logró una presión DUB de 12.9 MPa. El flujo sostenido después de alcanzar el bajo balance máximo ayudó a limpiar los disparos. La bajada 4 (derecha), efectuada en una condición de balance estático inicial, logró un bajo balance dinámico de 16.4 MPa [2,379 lpc]. (Adaptado de Baxter et al, referencia 11.)

Bajada de pistola 4Bajada de pistola 1

Oilfield ReviewAutumn 09Pure Fig. 9,ORAUT09-PURE Fig. 9,

Pres

ión,

MPa

45

40

35

30

25

20

15

Bajo balance dinámico = 16.4 MPa

0.1Tiempo, segundos

0.20 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Bajo balance dinámico = 12.9 MPa20

45

Pres

ión,

MPa

40

35

30

25

150.1

Tiempo, segundos0.20 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Bajo balance estático > 4 MPa

> Unidad móvil de perforación marina (MODU) y embarcación flotante de producción, almacenamiento y descarga (FPSO). Petro-Canada utiliza una unidad MODU (derecha) tanto para perforar como para terminar los pozos del Campo Terra Nova. La producción se envía a la embarcación de almacenamiento para ser transportada nuevamente al continente. Para generar una condición de bajo balance en el fondo del pozo, el petróleo se quema en antorcha en la embarcación FPSO (izquierda) mientras a bordo de la unidad MODU se llevan a cabo las operaciones de disparos. La adquisición de los registros de producción se efectúa después de efectuar las operaciones de disparos mientras fluye el petróleo, el cual también debe quemarse en antorcha. (Imagen utilizada con la autorización de Suncor Energy.)

14 Oilfield Review

balance o de sobre balance inicial, fue seguido por la condición deseada de bajo balance transitorio. Durante las carreras de disparos no se llevó a cabo maniobra alguna de quema en antorcha (arriba).

Las eficiencias y las ventajas ambientales obtenidas en la prueba PURE inicial se traduje-ron en tres pozos inyectores y dos productores disparados con este método. La cantidad mínima de detritos asociados con el contraflujo del pozo condujo al desarrollo de planes para evaluar la posibilidad de enviar la producción directamente a la embarcación FPSO para las operaciones de limpieza y adquisición de registros de produc-ción, evitando por completo la necesidad de efectuar el proceso de quema en antorcha.

La técnica PURE redujo los riesgos ambienta-les y eliminó la pérdida de petróleo resultante de la quema en antorcha durante las operaciones de disparos, lo que a su vez redujo los desechos. La eficiencia de la operación general también fue mejorada porque el tiempo operativo asociado con la quema en antorcha en la unidad MODU se redujo significativamente.

Bajo balance en condiciones de sobre balanceLos campos de Hui Zhou (HZ), situados en el Mar del Sur de China, están siendo desarrollados por CACT Operators Group, una asociación formada por la compañía operadora Eni, China National Offshore Oil Company y Chevron (derecha). El yacimiento está compuesto por areniscas delgadas y apiladas de alta permeabilidad, interestratificadas con zonas de baja permeabilidad. En el pasado, los intervalos más someros eran terminados generalmente pri-mero por poseer mayor permeabilidad que los más profundos. Las areniscas más profundas y menos permeables experimentan un proceso de invasión más profunda durante las operaciones de perforación y ahora están siendo desarrolla-

das. Se necesitan cargas de penetración profunda para disparar más allá del daño inducido durante la perforación.12

Entre los esfuerzos realizados para reducir el daño mecánico se encuentran las prácticas de perforación que minimizan la invasión, el empleo de fluidos de terminación que no producen daños y la implantación de programas que minimizan el daño inducido por los disparos. A pesar de estos esfuerzos, las operaciones de disparos tradicio-nales en condiciones de bajo balance estático, han generado valores de daño mecánico altos—y un desempeño deficiente—en muchos pozos. Dado que el yacimiento consta de múltiples capas, sólo el primer intervalo del pozo puede ser disparado en condiciones de bajo balance está-tico con pistolas bajadas con cable. Los intervalos subsiguientes se disparan en condiciones de balance o sobre balance de presión.

Los sistemas de disparo bajados con la tubería de producción (TCP) han sido utilizados para lograr condiciones de bajo balance estático en más de un solo intervalo. Si bien un arreglo TCP consti-

tuye una alternativa aceptable en los intervalos de yacimiento de gran espesor, las operaciones de disparos con cable han demostrado ser económi-camente más efectivas en los intervalos delgados y muy espaciados de los campos de HZ. La práctica general ha consistido en efectuar las operaciones de disparos con pistolas de disparos de la tubería de revestimiento bajadas con cable, en condicio-nes de leve sobre balance, y aceptar el daño mecánico positivo resultante. No obstante, al problema se sumaba la invasión posterior a los disparos de los fluidos de terminación limpios, tales como la salmuera, o los fluidos de ahogo (para matar el pozo) con alto contenido de sóli-dos que generaban valores de daño mecánico aún más elevados.

En una prueba del sistema PURE, diversas zonas, cada una con una permeabilidad diferente, serían disparadas con fluidos de terminación no dañinos. El objetivo era lograr un factor de daño mecánico nulo o la ausencia del daño producido por los fluidos de terminación o los disparos.

>Menos operaciones de quema en antorcha, menos riesgo ambiental. La práctica de campo previa consistía en producir petróleo y quemarlo en antorcha en la superficie, para cada bajada de la pistola y durante la adquisición de un registro de producción al finalizar las operaciones de disparos (izquierda). Utilizando este enfoque, se quemaron en antorcha más de 1,260 m3 [7,975 bbl] de petróleo. La ejecución de las operaciones de disparos con un sistema PURE y el hecho de hacer fluir petróleo sólo con fines de limpieza y adquisición de registros de producción redujo la cantidad total de petróleo quemado en antorcha en un 44% (derecha). Este cambio de práctica disminuyó la posibilidad de derrames y daño ambiental. (Adaptado de Baxter et al, referencia 11.)

200

Volu

men

acu

mul

ado,

m3

1,200

800

400

0

Volu

men

, m3

300

100

0Bajada 1 Bajada 2 Bajada 3 Bajada 4 Bajada 5 Registro de

producción

Flujo de petróleoVolumen acumulado

1,200

800

400

Volu

men

, m3

0Bajada 1 Bajada 2 Bajada 3 Bajada 4 Bajada 5 Limpieza y

registro deproducción

Bajada 6

No se requiere ningún flujo

Flujo de petróleoVolumen acumulado


> Campos de petróleo y gas de Hui Zhou (HZ) situados en el Mar del Sur de China. CACT Operators Group desarrolló los campos HZ que se caracterizan por la presencia de areniscas delgadas y apiladas de alta permeabilidad, interestratificadas con zonas de baja permeabilidad. Se muestran los campos productores de CACT.


C H I N A

Hainan

Hong Kong

Bloque 16/19

Bloque 16/08

HZ19-2HZ19-3

HZ26-1N

HZ21-1

HZ32-2

HZ32-3 HZ26-1

HZ32-5


PI n

orm

aliza

do, b

bl/d

/lpc

por c

P/pi

e

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0. 4

0.2

0

Permeabilidad efectiva, mD1,2001,0008006004002000

Sistema convencional, factor de daño = +2.5Sistema DUB, factor de daño = –1


12. Pizzolante I, Grinham S, Xiang T, Lian J, Khong CK, Behrmann LA y Mason S: “Overbalanced Perforating Yields Negative Skins in Layered Reservoir,” artículo SPE 104099, presentado en la Conferencia Internacional del Petróleo y el Gas de la SPE en China, Beijing, 5 al 7 de diciembre de 2006.

13. Para obtener más información sobre el manejo de la producción de arena, consulte: Carlson J, Gurley D, King G, Price-Smith C y Waters F: “Sand Control: Why and How?” Oilfield Review 4, no. 4 (Octubre de 1992): 41–53.

Los investigadores estudiaron el Daño de la Formación resultante de los fluidos de termina-ción utilizados previamente y recomendaron el empleo de formiato de potasio como alternativa a las píldoras de ahogo o la salmuera. El formiato de potasio forma un sello sobre la superficie de la roca del túnel de disparo que controla la pérdida de fluido en la formación. El flujo que se produce hacia el interior del pozo durante la producción remueve el sello.

Las pruebas de simulación demostraron la importancia de eliminar primero los detritos de los disparos del túnel antes de formar el sello de formiato de potasio. Los investigadores determi-naron además que para formar un sello efectivo era necesario un sobre balance. El sistema PURE ofrecía la posibilidad de obtener ambas cosas: un bajo balance dinámico para lograr túneles lim-pios y un sobre balance estático para la conformación del sello de formiato de potasio.

Para analizar los resultados del sistema de bajo balance dinámico en formiato de potasio, los ingenieros de yacimientos seleccionaron un pozo que había sido disparado en condiciones de sobre balance con fluidos limpios, típicos de otros pozos del campo. El objetivo era comparar su índice de productividad (PI) con el de un pozo disparado con el nuevo fluido de terminación y un sistema DUB. Dado que los pozos encontraron diferentes espesores productivos y distintas per-meabilidades, y fueron perforados con diferentes desviaciones, fue necesario un proceso de norma-lización para poder efectuar las comparaciones.

Los analistas evaluaron las características de producción del pozo existente y computaron su PI. Mediante la aplicación de factores de normali-zación consistentes con las diferencias entre los dos pozos, determinaron que si el pozo nuevo hubiera sido terminado en forma tradicional podría haberse esperado un PI de 13.2 bbl/d/lpc [0.23 m3/d/kPa]. Después de ser disparado con una técnica DUB, el pozo quedó con un PI de 25 bbl/d/lpc [0.43 m3/d/kPa]; esto constituyó una ventaja significativa con respecto al PI de los pozos disparados con el método previo.

Un análisis de producción multicapa efec-tuado para el pozo nuevo, determinó que el factor de daño era casi nulo para una zona de baja per-

meabilidad (9 mD). Una segunda zona, con alta permeabilidad, arrojó un valor de daño mecánico de –0.97 (arriba). Estos bajos valores de daño mecánico no podrían haberse logrado utilizando los sistemas de disparo con cable convenciona-les; con fines comparativos, vale mencionar que los valores de daño mecánico para otros pozos del campo oscilan entre +2 y +5.

La utilización del sistema DUB en capas pros-pectivas de arenisca de baja permeabilidad permitió alcanzar el objetivo de obtener valores de daño mecánico entre nulos y negativos. Los intervalos con alta permeabilidad también se benefician con este sistema, y los incrementos del PI fueron aún mayores que los de las zonas de baja permeabilidad (derecha). El mejoramiento general de los resultados de las operaciones de disparos instaron a CACT a aprobar el sistema DUB en muchos más pozos del campo.

Operaciones de disparos para el empaque de grava Las formaciones débilmente consolidadas a menudo producen arena, lo cual reduce las tasas de recuperación, daña las instalaciones de super-ficie y genera costos de remediación y reparación más elevados. De las diversas soluciones disponi-bles para el control y el manejo de la producción de arena, el empaque de grava es la más común.13

En el Campo Abu Cluster, situado en el oeste de Malasia, PETRONAS Carigali implementó una técnica de empaque de grava que proporciona

disparos limpios para el proceso de pre-empaque. El yacimiento, con permeabilidades extremada-mente altas (que varían entre 1.5 y 3.0 D) y tasas de flujo que alcanzan 5,000 bbl/d [795 m3/d], plantea preocupaciones significativas respecto de la producción de arena. Los ingenieros investi-garon métodos de optimización de la producción de petróleo, minimizando al mismo tiempo la producción de arena.

El emplazamiento eficiente del empaque de grava requiere un agujero de entrada grande en la tubería de revestimiento y un túnel de disparo que penetre la capa de arenisca. El túnel debe ser empacado con grava. Los disparos bien forma-dos y empacados actúan como un filtro granular, permitiendo la comunicación entre el pozo y el yacimiento, a la vez que inhiben la producción de

> Resultados de una prueba de pozo con múltiples regímenes de producción. Las zonas probadas para evaluar el sistema PURE exhiben poco espesor (3.2 m o un valor inferior) y variaciones considerables de la permeabilidad efectiva (de 9.4 a 1,605 mD). Los valores de daño mecánico, que incluyen tanto el daño mecánico de los disparos (Sp) como el daño mecánico dinámico (Sd), oscilaron entre 0 y -1 aproximadamente. Dichos valores bajos no podrían lograrse con los sistemas de disparos convencio-nales operados con cable.

Oilfield ReviewAutumn 09Pure Fig. Table 1ORAUT09-PURE Fig. Table 1

Prueba de yacimiento multicapa con múltiples regímenes de producción en un pozo de muestra

Espesor vertical, m

Porosidad, %

Presión del yacimiento, lpc

Permeabilidad efectiva, mD

Permeabilidad estimada a partir de registros, mD

Factor de daño de terminación Sp + Sd

Zona 1

3

25

3,587.5

1,322

574

–0.97

Zona 2

2.5

27

3,673.1

9.4

275

–0.22

Zona 3

2.5

27

3,726

1,605

716

–0.48

Zona 4

3.2

25

3,789.4

38.5

272

–0.04

> PI mejorado. La capacidad para efectuar las operaciones de disparos y lograr un factor de daño nulo o negativo mejora el PI. Si bien el mejoramiento del PI logrado con el sistema PURE (azul) en vez de un sistema tradicional (rojo) es más obvio en las areniscas de alta permeabilidad, la necesidad de mejoramiento en las areniscas de menor calidad es mayor. (Adaptado de Pizzolante et al, referencia 12.)

Acock A, ORourke T, Shirmboh D, Alexander J, Andersen G, Kaneko T, Venkitaraman A, López-de-Cárdenas J, Nishi M, Numasawa M, Yoshioka K, Roy A, Wilson A y Twynam A: “Métodos prácticos de manejo de la producción de arena,” Oilfield Review 16, no. 1 (Verano de 2004): 10–29.

Armentor RJ, Wise MR, Bowman M, Cavazzoli G, Collin G, Rodet V, Holicek B, King G, Lockyear C y Parlar M: “Recuperación del control de la producción de arena,” Oilfield Review 19, no. 2 (Otoño de 2007): 4–15.

16 Oilfield Review

arena (arriba). En el laboratorio PERF, las prue-bas de detonación de cargas en formaciones con un valor de UCS bajo—aquéllas con resistencias de 3.44 MPa [500 lpc] o inferiores—a menudo se traducen en la falta de túneles de disparos defini-dos o en túneles de disparos rellenos con detritos impermeables (abajo, a la derecha). La experien-cia ha demostrado que la ejecución de disparos en condiciones de bajo balance puede producir la falla mecánica de la arenisca, creando un influjo de arena y atrapando potencialmente las pistolas. El resultado es una operación de pesca costosa para liberar la sarta de pistolas.

Para los empaques de grava en formaciones con un valor de UCS bajo, siempre que sea posible, los disparos deben ser pre-empacados inmediata-mente después de su ejecución.14 El pre-empaque se ejecuta antes de la etapa principal de empaque de grava; sin embargo, si el pre-empaque se efectúa sin remover primero los detritos de los disparos, es posible que se produzca una reducción significativa de la producción, que el porcentaje de disparos que contribuyen a la producción sea más bajo y que haya posibilidades de producción temprana de arena.15 Existen diversas técnicas de pre-empa-que, la mayoría de las cuales requiere múltiples viajes y operaciones prolongadas.

La técnica TRUST se basa en una oleada ini-cial con un rápido bajo balance transitorio y ha sido desarrollada a partir del conocimiento del comportamiento dinámico de los disparos en las

formaciones no consolidadas. El uso de esta téc-nica permite crear disparos limpios para el proceso de pre-empaque. Dicha técnica utiliza un fluido de transporte que no produce daños y puede ser admitido en la formación para llevar la grava a los disparos.

El núcleo del sistema TRUST es una cámara atmosférica de fondo de pozo con válvulas activa-das por presión anular en la porción superior y la inferior, la cual se coloca directamente por encima de la sarta de pistolas. Siguiendo las directrices derivadas de estudios de laboratorio, los especialistas dimensionan el volumen de dicha cámara para proporcionar un influjo esta-blecido por disparo. Dicho volumen debe ser suficiente para limpiar los detritos de los túneles y producir solamente una cantidad limitada de arena de formación. Un empacador para dispa-ros, instalado por encima de la sarta de pistolas, provee un grado adicional de control de fluido durante las operaciones.

La brigada a cargo de las operaciones de dis-paros baja el arreglo en el pozo, lo correlaciona con la profundidad y asienta y fija el empacador. El hecho de mantener una condición de sobre balance después de los disparos inhibe la produc-ción de arena que puede hacer que el arreglo se atasque en la profundidad de los disparos.

Después de detonar las pistolas se libera el empacador y la sarta de pistolas y el arreglo de oleada inicial se vuelven a posicionar por encima del intervalo disparado. El peso de la columna hidrostática es suficiente para mantener el flujo hacia la formación y las pérdidas son monitorea-das y registradas. Antes de abrir la válvula inferior, se fija nuevamente el empacador para proveer ais-lamiento. La apertura de la válvula crea una oleada inicial inmediata de bajo balance de presión que limpia los disparos. Para permitir la decantación

de los sólidos por debajo del intervalo de disparo, el pozo se mantiene sin perturbar durante un tiempo predeterminado. Luego se abre la válvula superior, aplicando presión hidrostática a los dis-paros limpios y las pérdidas se monitorean nuevamente. Una comparación entre la tasa de flujo existente inmediatamente después de los dis-paros con la tasa de flujo de las pérdidas posteriores a la oleada inicial indica el grado de limpieza y la comunicación con el yacimiento.

El posicionamiento de la cámara cerca de la zona disparada crea la máxima caída de presión en el pozo; sin embargo, si se coloca demasiado cerca la arena que fluye genera el riesgo de atas-camiento del arreglo de fondo de pozo. Los ingenieros preestablecen el volumen de la cámara para reducir la posibilidad de excesiva produc-ción de arena más allá del arreglo de pistolas y además posicionar el arreglo de manera de redu-cir el riesgo. En los pozos del Campo Abu Cluster, el volumen de la cámara generó 0.5 galón [2 L] de flujo por disparo.

El paso siguiente de la técnica TRUST usual-mente consiste en emplazar una píldora de control de pérdida de fluido en el pozo para esta-blecer una tasa de pérdida aceptable, lo cual posibilita la recuperación segura del arreglo de disparo y la bajada del arreglo de empaque de grava en el pozo. Luego, la brigada de perforación comienza a bombear una serie de tapones de ácido, salmuera y grava para remover la píldora de control de pérdida de fluido y pre-empacar los disparos. Finalmente, se bombea el tratamiento de empaque de grava completo, se remueve el arreglo de herramientas de servicio para el trata-miento de empaque de grava y se baja en el pozo la sarta de producción (próxima página, arriba).

Para comprobar esta metodología, PETRONAS Carigali comparó los resultados de cuatro pozos

> Disparos limpios empacados con grava. Los disparos ideales empacados con grava son disparos rellenos de grava y poca o ninguna arena de formación (extremo inferior). Si la arena de formación se mezcla con la grava o rellena los túneles de disparos (extremo superior), la producción se reduce y la posibilidad de una producción de arena temprana se incrementa considerablemente. El pre-empaque adecuado de los túneles de disparos aumenta la probabili-dad de obtener disparos rellenos de grava.


Filtro(cedazo)

Tuberíade revestimiento Cemento Arena de formación

Disparo empacado congrava y arena de formación

Disparo pre-empacado con grava

> Rocas débiles y ausencia de túneles. Las actividades de investigación llevadas a cabo en el laboratorio PERF demuestran la dificultad de producir túneles de disparos en rocas débiles. A menudo los túneles se encuentran pobremente definidos y rellenos de detritos.

Detritos impermeables


14. Ott WK y Woods JD: Modern Sandface Completion Practices Handbook, 1a edición, Houston: Gulf Publishing Company, 2003.

15. Jain S, Tibbles R, Munro J, Suppiah R y Safin N: “Effective Perforating and Gravel Placement: Key to Low

Skin, Sand-Free Production in Gravel Packs,” artículo IPTC 12581, presentado en la Conferencia Internacional de Tecnología del Petróleo, Kuala Lumpur, 3 al 5 de diciembre de 2008.


del Campo Abu Cluster. La compañía operadora terminó el Pozo A, limpió los disparos y utilizó una técnica tradicional de empaque de grava con agua a alto régimen de inyección. El fluido porta-dor no era suficientemente viscoso como para crear una caída de presión adecuada a través de los disparos. El Pozo B iba a ser pre-empacado, pero inmediatamente después de la oleada ini-cial se cerró porque las condiciones climáticas requerían una evacuación. Las operaciones de empaque de grava comenzaron 10 días después. Los pozos C y D fueron terminados con la técnica TRUST. El Pozo C tenía dos intervalos, uno gasí-fero y otro petrolífero. El pozo D era un pozo petrolero. Los pozos C y D resultaron con factores de empaque mucho más altos que el Pozo A, ter-minado con la técnica tradicional.

El factor de empaque es un cálculo del balance de masa que compara los volúmenes de arena bombeados durante el pre-empaque con los volú-menes bombeados durante las operaciones de empaque de grava. Provee una estimación de la cantidad de grava que ingresa efectivamente en los disparos y está relacionado empíricamente con el PI. Los PI de los pozos tratados con la téc-nica TRUST son significativamente más elevados que los de los otros dos pozos (derecha).

Un factor de empaque de 5 para el Pozo B indica que los disparos pueden haber colapsado durante el período de interrupción de 10 días debido a las condiciones climáticas adversas. Estos resultados enfatizan la ventaja que implica la eje-cución del pre-empaque lo antes posible después de los disparos para lograr resultados óptimos.

La técnica TRUST constituyó un método efi-ciente de empaque de grava de formaciones con valores de UCS bajos. Los factores de empaque más elevados resultaron en un mejoramiento del desempeño de los pozos, tal como lo indicó el incremento de los PI normalizados. La elimina-ción del riesgo asociado con la producción de arena en las pistolas, inherente a las operaciones de disparos convencionales en condiciones de bajo balance, representa una ventaja adicional de esta técnica.

Un futuro dinámicoLa ejecución de disparos en condiciones de bajo balance dinámico se refiere a la tecnología y la metodología que crea condiciones de bajo balance después de la detonación de las cargas huecas. El término dinámico describe además las nuevas técnicas desarrolladas a partir de las actividades de investigación en curso y las aplica-ciones del método de disparos DUB.

Conforme los científicos exploran cada vez en mayor profundidad los efectos transitorios que

tienen lugar durante las operaciones de disparos, continúan surgiendo aplicaciones y métodos innovadores. La ejecución de disparos en condi-ciones de sobre balance en ácido crea un bajo balance dinámico inicial para limpiar los dispa-ros; esto es seguido por una inyección inmediata de ácido para tratar los disparos. Los disparos con píldoras de ahogo generan operaciones más seguras sin que se pierda el proceso de limpieza asociado con las condiciones de bajo balance. La reapertura de los disparos existentes utilizando las cámaras PURE permite mejorar la producción en los pozos viejos. La caída de presión creada por las cámaras PURE puede ayudar a remover la acumulación de incrustaciones formadas en la

tubería de revestimiento de los pozos con desem-peños deficientes y romper los depósitos de incrustaciones en los disparos abiertos. Los inge-nieros siguen desarrollando nuevos métodos para explotar las técnicas DUB.

Actualmente se están llevando a cabo activi-dades de investigación para el desarrollo de mejores cargas huecas; sin embargo, la técnica de disparos PURE demuestra que el desempeño de los pozos se mejora a través de un enfoque que incluya a todo el sistema; el pozo, la formación, las cargas huecas y el equipo de fondo de pozo. El método de operaciones de disparos DUB aporta a la industria un sistema en el que la falla en reali-dad puede producir más éxito. —TS

> Gráficas de presión del método de pre-empaque y empaque de grava TRUST. Los datos de presión muestran el avance de la operación para un sistema TRUST típico. Se dispara el pozo, se produce la oleada inicial utilizando una cámara atmosférica y se pre-empaca con grava transportada por un fluido que no produce daños (salmuera). Se establece una tasa de bombeo consistente (curva verde), y los fluidos de tratamiento y la grava se dividen en etapas. La caída de la presión anular (A), antes de introducir cada tapón de grava de pre-empaque, es el resultado del bombeo de ácido para remover un píldora de control de pérdida de fluido y limpiar adicionalmente los disparos. A continuación, se bombea un tapón de grava de 1 lbm de apuntalante por galón de fluido limpio (laa) (B). Luego se hace circular salmuera para hacer retornar la grava que no ingresó en los disparos. El ciclo de salmuera-ácido-tapón se reitera dos veces más con tapones de grava de 2 laa (C, D). Estos pasos de pre-empa-que son seguidos por la operación de empaque de grava principal (no mostrada en la gráfica). (Adaptado de Jain et al, referencia 15.)

0 120

Reducciónde la presióncon la etapa

de ácido1er. tapón 2do. tapón 3er. tapón

Incremento de lapresión con taponestocando los disparosA

B C D


1,500

1,200

900

600

300

0

Pres

ión,

lpc

3

4

5

2

1

0

Tiempo de tratamiento, minutos

Gast

o (ta

sa, r

ata,

cau

dal),

bbl

/min

,y

conc

entra

ción

, laa

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Presión de tratamiento, lpcPresión anular, lpc

Tasa de bombeo, bbl/min

Concentración de grava, laa

> Factor de empaque mejorado. Se efectuaron disparos y se provocó la oleada inicial en cuatro pozos. El operador utilizó un tratamiento de empaque de grava con agua a alto régimen de inyección para emplazar la grava en el Pozo A (verde). Los resultados correspondientes al Pozo B (rojo) fueron afectados por una demora de 10 días como consecuencia de condiciones climáticas adversas. Pre-empacados con la técnica TRUST, los pozos C (celeste) y D (azul) resultaron con factores de empaque mucho mayores (izquierda) que los pozos A y B. El factor de empaque, normalizado para obtener la permeabilidad y el espesor del intervalo, se relaciona directamente con el PI (derecha). La pendiente de la línea que atraviesa los datos (negro) indica que el PI se incrementa 0.22 bbl/d/lpc por cada pie de disparo pre-empacado con grava, según lo determinado por el cálculo del balance de masa. El bajo factor de empaque correspondiente al Pozo B demuestra la necesidad de pre-empa-car los disparos lo antes posible después de efectuados. (Adaptado de Jain et al, referencia 15.)

Factor de empaque, lbm/pie


0 10 20 30 40 50

20

18

16

14

12

10

PI n

orm

aliza

do, b

bl/d

/lpc

20

18

16

14

12

10

PI n

orm

aliza

do, b

bl/d

/lpc

Pozo A(8 lbm/pie)

Pozo B(5 lbm/pie)

Pozo C(38 lbm/pie)

Pozo D(27 lbm/pie)

Operaciones de disparos: Cuando la falla esel objetivo

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