Introducción a la Geomecánica del Petróleo

Marcelo Frydman, Ph.D.Gerente para aguas profundasSchlumberger Geomechanics

Latino America

Taller de Geomecánica en las Cuencas de MéxicoTaller de Geomecánica en las Cuencas de México

Cook and Fuller 2007

¿Qué es la Geomecánica?

• Excavación• ∆ Esfuerzos• ∆ Pression• Flujo• ∆ temperatura• Otros fenómenos

… una rama especializada de la ingeniería que aplica la mecánica, la matemática y la física para cuantificar como rocas y fracturas responden a :

Deformación � Cambio de propiedades � Falla… permitiendo optimizar los planes de desarrollo del campo y encontrar soluciones de ingeniería para diagnosticar problemas.

“Rock Mechanics is the theoretical and applied science of the mechanical

behavior of rock; it is that branch of mechanics concerned with the

response of rock to the force fields of its physical environment.”

(U.S. National Committee for Rock Mechanics, 1964)

¿Qué es la Geomecánica?

“ Rock Mechanics encompasses all the fields of study devoted to

understand the basic processes of rock deformation and their

technological significance.”

(Fairhurst, 1963)

• 520 B.C. – Water tunnel of Eupalinos, Greece

(Herodotus)

• 400 B.C. – inclined mining shaft to 368 ft (Agricola,

1556)

• 750 A.D. - gold and silver mines of Cremmitz, Poland

• 950 A.D. - lead mines of Goslar, Germany - still open

today

Trial-and-error → qualitative and quantitative explorations

Perspectiva Histórica

Evert Hoek; “Practical Rock Engineering”

La cultura de geomecánica de innovación ha permitido a la

industria explotar intercambio de tecnología diferente sectores de la

industria.

¿Por qué necesitamos entender Geomecánica?

• Los yacimientos de hoy en día son

de más difícil acceso y desarrollo.

– “Brownfield” están cercanos al

agotamiento; muchos están

compartamentalizados.

– Los yacimientos costa afuera son más

profundos y tienen condiciones de

mayores presiones y temperaturas.

– Los yacimientos costa afuera están en

aguas profundas y a profundidades cada

vez mayores.

• Se requiere tecnología avanzada

para producir óptimamente estos

yacimientos.

EconEconEconEconóóóómicamentemicamentemicamentemicamente

desafiantedesafiantedesafiantedesafiante

TTTTéééécnicamentecnicamentecnicamentecnicamente

desafiantedesafiantedesafiantedesafiante

Aguas profundas

Regiones tectónicas

Márgenes

continentales

Regiones en declinaciónPozos de acance extendido

Pozos HPHT(alta presión y temp.)

La geomecánica es una tecnología clave .

¿Dónde se Aplica la Geomecánica?

Subsidence

¿ Schlumberger Geomechanics?

Schlumberger & Geomechanics• 30 years of Geomechanics R&D and consulting with >> 1000 studies

worldwide and the most SPE papers published by any one company

• Client operational support with over 120 staff distributed across 30

GeoMarkets globally

• R&E and Regional Tech Centers staff over 160 in US Canada, UK,

Europe, Brazil and Asia. These groups focus on:

– Unique Unconventional Gas methods to increase recovery

– Deep Water drilling and completions optimization

– Technology and Software development (proprietary and for clients)

• Scope of service from single well to fully integrated 3-D and 4-D programs

for drilling, completions and maximizing recovery performance, including:

– Core Labs in US, Canada, Venezuela and KL

– WesternGeco land and marine seismic

– Fully integrated support centers for real time monitoring and problem intervention

Proyectos de Geomecánica en México

(Regiones Marina, Sur y Norte : 2005 – 2008)

WITS

ICHALKIL

XANAB

HOKCHI

DOS BOCAS

KIOOLCHU

HUK

COSTERO

TSIMIN

XUX

Región Norte, Cuenca de Burgos: >40 Proyectos

Región Marina: >25 proyectos

Región Sur: >30 proyectos

26/03/2009 10

¿Como la inestabilidad mecánica se manifiesta?

• Limpieza pobre del agujero; imprevisible volumen de sólidos

• Tiempo de excesivo reaming;

• Pega de tubería;

• Sidetracking;

• Perdida de circulación;

• Influjos y patadas

• Problemas nos viajes, asentando zapatas; bajando

revestimiento y cementando.

Modelos 1D

Inicio con datos y eventos de perforación de pozos antiguos

– Reportes Análisis de Eventos

– Datos MEM

Mecanismos de falla

(after Bratli, 1979)

Falla por Corte y Tensión Reactividad de lutitas

(after Frydman, 2001)Planos de debilidad

(after Okland and Cook 1998)

(after Frydman, 2006)

Estratigrafía Mecánica Esfuerzo de

Sobrecarga

Contexto Geológico y Riesgos de perforación

Esfuerzo max, S H

Presión de Poro

4Auditoria

Datos

1 2

Análisis Estabilidad

5

Dirección Esfuerzo

Esfuerzo min, S h

Resistencia Rocas

6 7 8 9

3

10

Gulf of Mexico ‘trouble time’ 1993-2002

47.4% de los tiempos muertos

está relacionado con

geomecánica!

• En el periodo fueron

perforados 2520 pozos

someros, TVD < 4570 m

• Se estudiaron 549 pozos

• Láminas de agua < 183 m

• 24-27 % del presupuesto

Schmidt, V., Dodson, J., and Dodson, T.; Gulf of Mexico 'trouble time' creates major drilling expenses, Offshore, January 1, 2004

Tiempo Perdido en Eventos de Perforación(>6h)

• 95% de los incidentes

son problemas

asociados con

desempeño de

perforación

• Promedio de 1 incidente

cada 50 días

• 5-25% del costo del

pozo resulta por

desempeño de

perforación deficiente

Falla motor

11%

Washouts15%

Pesca5%

Atrapamiento11%

Pérdidas de circulación20%

Kicks6%

Otros4%

Desgaste brocas5%

Falla broca9%

Falla MWD

14%

57% de los tiempos muertos está relacionado con geomecánica!

(Sedco Forex statistics)

Aumento Progresivo del Conocimiento

Co sto pe rf. / P

ozo

Construcción de Pozos Óptima

Nro de Pozos

Costo de aprendizaje convencionalpara la construcción optimizada de pozos

Valor del Equipo de Soportetomando decisiones a tiempo

Pozo Nro?

Optimización Acelerada a través del Modelado y el Monitoreo

…esto implica Ahorros Operacionales

Mejoras en el Rendimiento de la Perforación

NDSPD900

13 CMTLOG+TRIP

16” PDC9 SHOE

ST

MEM 8½PD675 Pilot

STPD+QDR

PD825

16”BHALiner

12.012.012.012.0

8.68.68.68.67.97.97.97.9 7.67.67.67.6

9.09.09.09.0

7.37.37.37.3

FLAT TIMEFLAT TIMEFLAT TIMEFLAT TIME

+ + + + reduccireduccireduccireduccióóóónnnn NPTNPTNPTNPT = $$$= $$$= $$$= $$$

Tiempo

Día

sd

e p

erf

ora

ció

n/1

000m

SPE 94758 (after Torres and Frydman, 2004)

Pore Pressure Cube in compartmentalized zone

GoM Pore Pressure Cube: Pressure gradient > 14 ppg

(after Sayers, 2005)

Sand management

• Sand production is a growing problem, in depleting reservoirs, deep water sands, high rate gas wells….

• Conventional sand control - gravel pack, screens - often leads to serious reductions in productivity.

• Other options are now available for weak rock, such as screenless completions and oriented perforating (especially in tectonic regions).

• These need geomechanical design, to avoid rock failure. MEM provides the data for this.

Hydraulic Fracture Optimization

� Bypass near-wellbore formation damage : drilling induced, fines invasion-migration, chemical incompatibility

� Extend a conductive path deep into the formation : increase area exposure to flow

� Reservoir management tool : change flow, fewer wells, well placement, IVF, frac&pack, screen-less completion

σh

packer

packer

hydraulic

fracture

water

gas

Oil

Geometría de la fractura

http://www.pinntech.com/pubs/TU/TU01_TM.pdf

Aplicaci ón de la geomec ánica en fracturamentohidráulico

Reservoir evolution

• As reservoir is depleted, stress state can change: – frac gradient may drop, making infill drilling very difficult;– changes in horizontal stresses can induce sand

production;– producing fractures may close or extend into water

zones;– reservoir rock may compact, giving subsidence or

reduced PI.– faults may slip, giving induced seismicity.

• Reservoir-scale modelling of rock response can help in predicting and improving these situations.

Flujo de Trabajo de Geomecanica

Sismica

Modelo Inicial de

esfuerzos

t =0t =0

t =10yrt =10yr

Estabilidad de hoyo

Diseño de Completacion

Control de Arena

Estimulacion

Compactacion / Subsidencia

Integridad del pozo

Desempeño del Reservorio

Dynamic MEM

Registros-NucleosFramework

1D MEMCondicionesde Borde

Modelo de

propiedades

Modelo Presion de Poro

Broad range of topics

• Integrated MEMs, stress models, property models, pp models (1-D, 2-D &

3-D)

• Wbs, well planning, casing programmes, drilling optimization, sanding and

completions, perforating, frac treatments

• Coupled reservoir behaviour

• Depletion effects, compaction and subsidence, well integrity, micro-

seismics & subsidence monitoring

• Fracture/fault stability, caprock integrity

• Fractured reservoirs, basements

• Injection, thermal fracturing, thermal recovery, waste disposal,

underground storage

• Geothermal energy, water resources and water management, CO2Gracia

s

MEM Iterativo-Evolutivo

Reducir la incertidumbre y aumentar el valor con el tiempo

Sismica

Pp FG prediccion(No pozo)

1D MEMDrilling Simulator

Pp FG prediccion(1 pozo)

Drilling Simulator

Registros

MEMDrilling Simulator

Sand Management

Fracture Stimulation

Near Wellbore 4D MEM(1+ pozos)

MEM Campo completo = F(t)(5+ pozo)

t =0

t =10yr

Sísmica Sísmica

+ LWD

Sísmica

+ LWD

+ Wireline

Sísmica

+ LWD

+ Wireline

+ Nucleos