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Para poder establecer una comunicación con las zonas de petróleo y de gas no basta con abrir orificios en el

revestidor de acero utilizando las pistolas (o cañones) y los métodos de transporte ofrecidos en un catálogo de

servicios. La tecnología de disparo basada en las propiedades promedio de la formación y en el comportamiento

de las cargas huecas, hoy en día, se está reemplazando por un enfoque más orientado a las necesidades especí-

ficas. El diseño de los disparos constituye una parte integral del planeamiento de la completación, en el que se

tienen en cuenta las condiciones del yacimiento, las características de la formación y las exigencias del pozo.

Larry BehrmannJames E. BrooksSimon FarrantAlfredo FayardAdi VenkitaramanRosharon, Texas, EE.UU.

Andrew BrownCharlie MichelAlwyn NoordermeerBP AmocoSunbury on Thames, Inglaterra

Phil Smith BP Amoco Houston, Texas

David Underdown Chevron Production & Technology CompanyHouston, Texas

Se agradece la colaboración de Jim Almaguer, BobbyCarroll, John Corben, Janet Denney, Brenden Grove, BradHoffman, Manish Kothari, Jason Mai, Sam Musachia, BobParrott, Mark Vella, Ian Walton y Wenbo Yang, Rosharon,Texas, EE.UU.; y Andy Martin, Aberdeen, Escocia.Bigshot, CIRP (Inserción de la Completación y Recuperaciónbajo Presión), CleanSHOT, Enerjet, FIV (Válvula de Aisla-miento de la Formación), GunStack, HSD (Cañones de AltaDensidad de Disparos), HyperJet, IRIS (Sistema Inteligentede Implementación Remota), NODAL, PERFPAC, Pivot Gun,PowerFlow, PowerJet, QUANTUM, S.A.F.E. (Equipo deDisparo Activado por Impacto), Secure, SPAN (software deAnálisis de Operaciones de Disparo de Schlumberger),UltraJet, UltraPack y X-Tools son marcas de Schlumberger.

Las completaciones con disparos desempeñan unpapel fundamental en la producción de hidrocar-buros. Desde las pruebas de pozos para laevaluación del yacimiento hasta la completacióne intervención de remediación, el disparo es unelemento clave para el éxito de la exploración, laproducción económica de petróleo y gas, la pro-ductividad del pozo a largo plazo y la recu-peración eficiente de los hidrocarburos. Elproceso de disparo genera en forma instantáneaorificios—disparos—en el revestidor de acero,en el cemento circundante y en la formación(próxima página).

Tanto la productividad como la inyectividaddel pozo dependen fundamentalmente de lacaída de presión en las cercanías del hueco, lacual habitualmente se computa a través del fac-tor de daño. Este último depende del tipo de com-pletación, del daño de la formación y de losparámetros de los disparos. En el pasado, los dis-paros a menudo consistían simplemente en orifi-cios realizados en el acero del revestidor concortadores mecánicos (antes de 1932), medianteel disparo de balas (a partir de 1932), por bombeode abrasivos (desde 1958) o, más comúnmente,detonando explosivos con cargas huecas espe-ciales fabricadas específicamente para los cam-pos petroleros (a partir de 1948).1 Lejos de sersimple, el disparo constituye un elemento com-plejo dentro de la completación del pozo, quecobra mayor importancia gracias a las investiga-ciones contemporáneas y a la comprensión desus principios básicos.

La desviación con respecto a la simetríareduce el rendimiento de las cargas huecas. En loque respecta a la penetración y al tamaño del ori-ficio, la optimización de los diseños y la precisiónen su fabricación contribuyen al perfecciona-miento de las cargas huecas. Por otra parte, laconfiabilidad de las cargas está garantizada porun estricto control de calidad. En consecuencia,las pruebas de disparo son cada vez más consis-tentes y trasladables a las condiciones de fondoa los efectos de proyectar rendimientos y estimarproductividades.

Entre los muchos avances realizados en la tec-nología de disparo se encuentran las nuevas car-gas de penetración profunda que incrementan laproductividad del hueco al penetrar la zona inva-dida, y las cargas de orificio grande paraempaques de grava. El aumento del rendimientopor unidad de explosivo significa un incrementoen la eficiencia de estas cargas de alto rendi-miento. En los últimos dos años, las cargasmejoradas han alcanzado profundidades de pene-tración y áreas de flujo mucho más grandes quelas obtenidas con la tecnología utilizada anterior-mente. También se han desarrollado otras técni-cas que permiten controlar los residuos, enespecial en pozos con gran desviación o en pozoshorizontales, reduciendo el tamaño de los detritoso reteniéndolos dentro de las pistolas o cañones.

Técnicas de diseño de los disparos para optimizar la productividad

Verano de 2000

El disparo es el único modo de establecer túne-les de conducción que sirven de enlace entre losyacimientos de petróleo y gas y los huecos revesti-dos con acero que llegan hasta la superficie. Sinembargo, el disparo también daña la permeabili-dad de la formación alrededor de los túneles de losdisparos. Tanto el daño como los parámetros delos disparos—la penetración en la formación, eltamaño del orificio, el número de disparos y elángulo entre los orificios—tienen un impacto sig-nificativo sobre la caída de presión en las cer-canías del pozo y, por lo tanto, sobre la producción.La optimización de estos parámetros y la disminu-ción del daño inducido constituyen aspectosimportantes del disparo. Las investigacionesactuales confirman que para poder remover, par-cial o totalmente el daño y los detritos de los dis-paros, en ciertos casos, es esencial que exista uncierto desbalance, es decir que la presión dentrodel hueco antes del disparo sea menor que la pre-

sión de la formación (presión inversa). Las técnicas modernas de disparo no sepueden separar de otros servicios que

mejoran la productividad del pozo,como la fracturación, la acidifi-

cación y el control o prevenciónde la producción de arena.2

Además de ser conductos para el ingreso delflujo de petróleo y gas, los orificios proporcionanpuntos uniformes para la inyección de agua, gas,ácido, geles con agentes de sostén, que se uti-lizan para las estimulaciones por fracturaciónhidráulica, y los fluidos que emplazan la gravapara el control de la producción de arena en for-maciones débiles y no consolidadas.3 En otrasaplicaciones para el manejo de arena, los dis-paros proporcionan la cantidad necesaria de ori-ficios estables, con la orientación y el tamañoadecuados para impedir la producción de arena.

Los métodos de transporte de las pistolas tam-bién se han mantenido actualizados a la par de latecnología y las técnicas de disparo. A fines de ladécada 70 y principios de la del 80, las estrategiasde disparo se limitaban a la utilización de pistolasmás pequeñas que se bajaban a través de latubería de producción o cañones más grandes quese bajaban a través del revestidor, transportadosprincipalmente con cable de acero. Las cargas decada tipo y tamaño de cañón se diseñaban con elfin de lograr el tamaño máximo del orificio, o bienuna penetración profunda. A mediados de losaños ochenta, se ampliaron las opciones de trans-porte de los cañones. A partir de entonces, loscañones bajados junto con la tubería de produc-ción (TCP, por sus siglas en Inglés) ya no estánlimitados a un sector reducido del mercado y sehan convertido en un elemento esencial demuchas completaciones de pozos y en una impor-tante herramienta para efectuar disparos.4

> Disparo moderno. La detona-ción controlada de cargas ex-plosivas huecas, diseñadas yfabricadas especialmente, creatrayectorias que van desde elpozo a la formación, atravesan-do el revestidor de acero, el ce-mento y la roca del yacimientode manera que los fluidos pue-dan fluir o ser levantados haciala superficie.

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1. Behrmann L, Huber K, McDonald B, Couët B, Dees J,Folse R, Handren P, Schmidt J y Snider P: “Quo Vadis, Extreme Overbalance?” Oilfield Review 8, no. 3 (Otoño de 1996): 18-33.

2. Martin A: “Choosing The Right Gun,” Petroleum EngineerInternational 71, no. 10 (Octubre de 1998): 59-72.

3. Como agente de sostén se utiliza arena natural o arenacubierta de resinas y bauxita de alta resistencia ocerámica sintética, clasificada por tamaño de grano deacuerdo con el estándar americano de las zarandas.La grava está formada por arena sumamente limpia, degrano redondo y cuidadosamente seleccionada, ya quedebe ser lo suficientemente pequeña para actuar comofiltro y prevenir la producción de partículas de la forma-ción, pero al mismo tiempo lo suficientemente grandepara mantenerse en su posición dentro de los intervalosproductivos detrás de una malla ranurada.

4. Cosad C: “Choosing a Perforation Strategy,” Oilfield Review 4, no. 4 (Octubre de 1992): 54-69.

Además de la tubería flexible, las líneas dearrastre y las unidades para entubar contra pre-sión (unidades snubbing), los sistemas disponi-bles hoy en día permiten correr sartas de cañonesde gran longitud en pozos activos bajo presión.Estos sistemas de disparo y transporte de losmismos también realizan otras funciones de com-plejidad variable, como por ejemplo liberar ydejar caer los cañones, colocar los empacadoresy abrir y cerrar las válvulas. En el futuro, las car-gas se podrían incorporar y bajar directamentecon el equipo de completación durante la cons-trucción del pozo.

En este artículo se examinan los aspectosprincipales de los disparos, incluyendo algunoselementos de física básica, las nuevas cargas ymétodos de fabricación, la disminución del dañoprovocado por los disparos, la optimización de losparámetros claves, las técnicas de disparo paracompletaciones naturales, estimuladas o concontrol de producción de arena, además de laseguridad y los métodos de transporte de loscañones. También se detallan las razones por lascuales es necesario tener en cuenta las exigen-cias específicas de las formaciones, los pozos ylas completaciones para seleccionar las distintastécnicas de disparo. A través de diversos ejem-

plos, se demuestra que los diseños especialespara yacimientos específicos y la interacción delos disparos contribuyen a maximizar elrendimiento del pozo.

Dinámica de las cargas huecasLos disparos se efectúan en menos de un segun-do por medio de cargas huecas que utilizan unefecto de cavidad explosiva, basada en la tec-nología de las armas militares, con un revesti-miento de partículas metálicas prensadas (liner)para aumentar la penetración (izquierda). Lascargas consisten de un explosivo de alta sentivi-dad y pureza (primer), un casco, un liner cónico yaltamente explosivo conectado con una cuerdade disparo. Cada componente debe estar fabri-cado con tolerancias exactas. El diseño y la fabri-cación de estas cargas huecas se realiza en elCentro de Completaciones de Yacimientos deSchlumberger (SRC) con sede en Rosharon,Texas, EE.UU., donde también se prueban deacuerdo con estrictos estándares de calidad.

Una cuerda de disparo activa el detonador yel explosivo principal. El liner colapsa y se formaun chorro de alta velocidad de partículas demetal fluidizado que es impulsado a lo largo deleje de la carga. Este chorro de gran potenciaconsta de una punta más rápida y una cola máslenta. La punta viaja a aproximadamente 7km/seg [4,4 millas/seg] mientras que la cola semueve más lentamente, a menos de 1 km/seg[0,6 millas/seg]. Este gradiente de velocidadhace que el chorro se alargue de manera queatraviese el revestidor, el cemento y la forma-ción. Los chorros de las cargas erosionan hastaque consumen toda su energía al alcanzar elextremo del túnel del disparo.

Los chorros actúan como varillas de altavelocidad y con un alto poder de expansión. Enlugar de recurrir al estallido, la combustión, laperforación o el desgaste con abrasivos, la pene-tración se logra mediante una presión de impactosumamente elevada; 3*106 lpc [20 GPa] sobre elrevestidor y 300.000 lpc [2 GPa] sobre las forma-ciones. Estas enormes presiones de impactohacen que el acero, el cemento, la roca y los flui-dos del poro fluyan en forma plástica haciaafuera. El rebote elástico daña la roca, deja gra-nos de la formación pulverizados y residuos en lostúneles de los orificios recientemente creados.

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5. Klotz JA, Krueger RF y Pye DS: “Effect of PerforationDamage on Well Productivity,” Journal of PetroleumTechnology 26 (Noviembre de 1974): 1303.

6. El 25 de noviembre de 1998, un cañón cargado concargas nuevas PowerJet de penetración profundadisparado sobre un blanco API alcanzó un promedio depenetración de 54,1 pulgadas [37 cm].

> Una fracción de segundo. En un proceso que dura microsegundos, millones de dólares y meses, oaños de preparación llegan a su fin cuando el disparo abre un túnel para que los hidrocarburos fluyandentro del pozo. Las cargas huecas, que tienen la capacidad de liberar energía en forma instantáneaen un explosivo, utilizan un efecto de cavidad y un liner metálico para maximizar la penetración (abajoa la izquierda). Las cargas huecas constan de cuatro componentes básicos: primer, explosivo princi-pal, liner cónico y casco (arriba a la izquierda). Una onda explosiva corre a lo largo de la cuerda dedisparo, activa el detonador y hace detonar el explosivo principal. Una detonación avanza en formaesférica, alcanzando presiones de 7,5*106 lpc [50 Gpa] antes de alcanzar el vértice del liner. El casco de la carga se expande, el liner colapsa y forma un chorro de alta velocidad de partículas de metal fluidizado que es impulsado a lo largo del eje de la carga (derecha).

Casco

Liner cónico

Cuerda de detonación

Carga hueca

Efectos de cavidad explosiva

Detonación de la carga

Primer

Explosivo principal

Explosivo Objetivo de aceroLiner metálico

Efecto de cavidad con liner

Acabado plano

Efecto de cavidad sin liner

5 microsegundos

25 microsegundos

40 microsegundos

50 microsegundos

70 microsegundos

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Diseño y comportamiento de las cargasLas cargas huecas están diseñadas para generarcombinaciones óptimas en lo que respecta altamaño del orificio y a la penetración, utilizandoun mínimo de material explosivo. Un chorroasimétrico o torcido provoca una reducción en elrendimiento de la carga, por lo cual los chorros sedeben formar exactamente de acuerdo con lasespecificaciones del diseño. En consecuencia, laefectividad de las cargas huecas depende de lasimetría de las mismas y de las característicasdel chorro. Para lograr mayor penetración, esnecesario emitir chorros prolongados en formaconstante con perfiles de velocidad óptimos. Elperfil de velocidad se debe establecer entreambos extremos del chorro y los chorros de lascargas deben viajar con la mayor velocidad posi-ble. Si el perfil de velocidad es incorrecto, lapenetración disminuye.

El tamaño del orificio está relacionado con laforma del chorro. Anteriormente, se utilizabanliners de metal sólido, a menudo de cobre, paragenerar chorros de alta densidad y orificiosgrandes, lo cual producía restos de metal quetaponaban los orificios. Se pensaba que estefenómeno se compensaba con el diámetro de losorificios y la alta permeabilidad de las forma-ciones en las que se utilizaban las cargas de ori-ficio grande. La nueva tecnología para eliminarlos restos de metal y maximizar el área abierta alflujo (AOF, por sus siglas en Inglés) ha reconside-rado este enfoque. Si bien todavía se siguen uti-lizando los liners de cobre sólido en algunas

1,15

1,0

0,85

0,7

0,55

0,44 8 12 16 20 24

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Espesor de la zona dañada, pulg

Cargas PowerJet

Cargas UltraJet

Cargas HyperJet

> Disparo de alto rendimiento. Este gráfico muestra la relación de la produc-tividad en una completación con disparos con respecto a la completación ahueco abierto y no dañada para varias profundidades de invasión de la for-mación. En una zona dañada de 16 pulgadas, con un cañón de Alta Densidadde Disparo HSD de 33⁄8 pulgadas y cargas PowerJet se obtuvo más del doblede productividad que con las cargas de penetración profunda HyperJet yUltraJet utilizadas anteriormente.

> Penetración profunda. Para garantizar la opti-mización del rendimiento sobre blancos que nosean concreto, las cargas huecas se pruebancon diferentes materiales: areniscas de granresistencia, concreto estándar y concreto acor-de con la Sección 1 del API. Sin embargo, losdiseños y los materiales mejorados proporcio-nan la mayor parte del aumento en la penetra-ción. En comparación con las cargas de pene-tración profunda (arriba), la nueva línea de linersde materiales pulverizados de alta densidadPowerJet y la nueva geometría utilizada, dancomo resultado una velocidad y una longitudóptimas del chorro además de presiones deimpacto sumamente elevadas (abajo).

cargas que producen orificios grandes, los diseñosmás recientes permiten generar los chorros de lascargas sin dejar ningún resto de metal sólido.

Penetración profunda—La invasión de los flui-dos de perforación y completación puede oscilarentre pocas pulgadas a varios pies. Cuando eldaño de la formación es severo y los disparos noatraviesan la zona invadida, la caída de presión eselevada y la productividad se ve reducida.5 Losdisparos que atraviesan el daño incrementan elradio efectivo del hueco e interceptan mayor can-tidad de fracturas naturales, si las hubiera. Lapenetración más profunda también reduce lacaída de presión en los intervalos con disparospara prevenir o reducir la producción de arena.Las cargas PowerJet son las últimas y más efi-cientes disponibles y han sido diseñadas y fabri-cadas para superar el rendimiento de otras cargaspor al menos un 20 a 30% en núcleos de arenis-cas de gran resistencia (arriba a la izquierda).

Existen nuevos diseños de liners—en lo querespecta a los materiales y su geometría—quelogran un mayor rendimiento en cuanto a la pene-tración (arriba a la derecha). Los liners de las car-gas PowerJet están realizados con materialespulverizados de alta densidad que generan máxi-ma longitud de descarga y mayores presiones deimpacto para maximizar la penetración.6

Si bien es sabido que los liners de alta densi-dad producen una penetración más profunda,resulta difícil trabajar con estos materiales. Losadelantos recientes respecto a las posibilidadesde fabricación permiten producir liners de alta

densidad en forma constante. Dichos adelantosincluyen el uso de procedimientos estrictos ycontinuados, de herramientas de precisión y unmayor control de calidad (véase "Fabricación yprueba de las cargas", página 66).

Por otra parte, las cargas se prueban dispa-rándolas sobre diferentes materiales—núcleosde areniscas de gran resistencia, concreto están-dar y concreto conforme a las especificacionesfijadas por la Sección 1 del Instituto Americanodel Petróleo (API)—de manera que el rendi-miento no sea optimizado sólo para los blancosde concreto.

En las rocas de gran resistencia, la pene-tración se ve reducida hasta en un 75% en com-paración con los resultados obtenidos sobre elconcreto estándar según la Sección 1 del API. Sinembargo, las cargas se pueden fabricar especial-mente para adecuarse a formaciones específi-cas.7 Durante el desarrollo de las cargasPowerJet, se inició un proyecto para optimizar laeficiencia de las completaciones en formacionesde areniscas duras en América del Sur. El obje-tivo consistía en aumentar la penetración de losdisparos en areniscas cuya resistencia a la com-presión era de 25.000 lpc [172 MPa]. En estosyacimientos con alta permeabilidad, la porosidades moderada y las gargantas de los poros songrandes, lo cual contribuye al daño provocado porel fluido. El bajo nivel de penetración combinadocon la invasión profunda, resultó en una baja pro-ductividad de los disparos que no atravesaban lazona dañada.

Para mejorar la producción, se utilizó un sis-tema dividido en tres etapas. Se reformularon los

fluidos de perforación con el fin de reducir lainvasión y el daño, se duplicó el número de dis-paros y se diseñaron cargas especiales paraaumentar la penetración. En un primer paso serediseñó sólo la geometría del liner, lo cualaumentó la penetración de 12,8 a 14 pulgadas [32a 36 cm]. Sin embargo, todavía no se había alcan-zado el objetivo de 16 pulgadas [40 cm]. La pene-tración aumentó a 15,9 pulgadas optimizando eldiseño de la carga explosiva. En las pruebas decampo las cargas especiales permitieron mejorarla producción y la inyección. En un pozo inyectorde gas abierto a razón de cuatro disparos por piecon cargas optimizadas se superó el rendimientode otros inyectores que tenían 12 disparos por pierealizados con cargas convencionales.

En Australia, dos pozos revestidos concañerías de 7 pulgadas fueron reabiertos a travésde la tubería de producción con pistolas de 21⁄8pulgadas utilizando cargas PowerJet; la produc-ción aumentó de 300 a 780 bppd [48 a 124 m3/d]y de 470 a 1550 bppd [75 a 246 m3/d]. En otro

caso, un operador en Europa redisparó variospozos con cargas PowerJet para mejorar la pro-ductividad y reducir la producción de arena.Antes de esta operación se producían más de 20litros [2,7 gal] de arena por día, mientras que lapresión en el cabezal del pozo era de 2000 lpc[13,8 MPa] y las tasas de producción de gassuperaban los 2 millones m3/día [70,6 millonespcs/día]. Después del redisparo, se logró pro-ducir gas libre de arena a razón de 2,5 millonesm3/día a una presión de superficie de 2700 lpc[18,6 MPa]. La eficiencia es importante no sólopara los pozos productores, sino también para losinyectores. En el sector noruego del Mar delNorte, al redisparar un pozo inyector con cargasPowerJet, la inyectividad del gas aumentó nueveveces, de 17,6 a 159 millones pcs/día [500,000 a4,5 millones m3/d].

Orificios grandes, menos detritos y opti-mización de la resistencia del revestidor—Lageometría exclusiva del liner de las cargas hue-cas es también la base de las cargas PowerFlow,que generan orificios grandes sin dejar restos demetal sólido (izquierda). Al aumentar el área deflujo mejora el emplazamiento de la grava para elcontrol de la producción de arena y se reducenlas restricciones de la caída de presión causadapor la turbulencia característica de los pozos conaltas tasas de producción, especialmente en losproductores de gas. Un método de empaqueúnico patentado por Schlumberger, que incluyecargas huecas PowerFlow, genera el área másgrande abierta al flujo disponible en la industria,deja al revestidor con una mayor resistenciaremanente y minimiza la cantidad de detritos.8

58 Oilfield Review

7. Smith PS, Behrmann LA y Yang W: “Improvements inPerforating Performance in High Compressive StrengthRocks,” artículo de la SPE 38141, presentado en laConferencia Europea de Daño de la Formación de laSPE, La Haya, Holanda, Junio 2-3, 1997.

8. Brooks JE, Lands JF, Lendermon GM, Lopez deCardenas JE y Parrott RA: “Perforating Gun Including aUnique High Shot Density Packing Arrangement,”Patente de EE.UU., No. 5.673.760 (Octubre 7, 1997).El 8 de octubre de 1999, un cañón de 7 pulgadas car-gado con cargas PowerFlow a razón de 18 disparos porpie, efectúo orificios de 1,14 pulgadas [2,89 cm] dediámetro y estableció un récord mundial de áreaabierta al flujo en el revestidor de 18,5 pulg2/pie [391,6cm2/m].

9. Javora PH, Ali SA y Miller M: “Controlled DebrisPerforating Systems: Prevention of an UnexpectedSource of Formation Damage,” artículo de la SPE 58758, presentado en el Simposio Internacional sobre Controldel Daño de la Formación de la SPE, Lafayette, Luisiana,EE.UU., Febrero 23-24, 2000.

10. Behrmann LA, Pucknell JK, Bishop SR y Hsia T-Y:“Measurement of Additional Skin Resulting FromPerforation Damage,”artículo de la SPE 22809, presen-tado en la Conferencia y Exhibición Anual de la SPE No 66 , Dallas, Texas, EE.UU., Octubre 6-9, 1991.

Residuo metálico sólido

Partículas fluidizadas

> Orificios grandes. Anteriormente, los liners sólidos que generaban resi-duos metálicos se utilizaban para producir orificios grandes. Se creía que eltaponamiento de los disparos era compensado por los orificios de diámetrogrande y la elevada permeabilidad de la formación. La tecnología que permi-te eliminar los restos de metales sólidos y maximiza el tamaño del orificio, oel área de flujo, ha reconsiderado esta teoría. Los liners exclusivos consti-tuyen la base de estas cargas PowerFlow. La fotografía de rayos X muestrala formación del chorro de las cargas UltraPack (arriba) y PowerFlow(abajo). Mientras que el residuo sólido de una carga UltraPack es de grantamaño, la carga PowerFlow genera sólo un chorro fluidizado de partículasmetálicas.

Verano de 2000 59

resultados de laboratorio del permeámetroradial confirmaron y cuantificaron este compo-nente del daño inducido por los disparos.10 Eldaño puede comprender tres elementos: unazona triturada, la migración de partículas finasde la formación y la presencia de detritos dentrode los túneles de los disparos. Las presiones dela onda de vibración desde la cara de la rocahasta el extremo de los disparos fragmentan laroca adyacente y los granos de la matriz de lafractura, lo cual daña la permeabilidad en sitioespecialmente al reducir el tamaño de las gar-

> Control de los detritos. Un sistema de empaque patentado porSchlumberger permite disminuir el riesgo de que los detritos abandonenel cañón (arriba). Las cargas huecas se colocan en la posición más cer-cana posible conforme al tamaño del cañón y la densidad de disparo, demanera tal que no se puedan expandir. El confinamiento estrecho haceque los cascos se quiebren en grandes trozos que permanecen dentro del cañón (abajo). El hecho de que los orificios de salida del transportadordel cañón sean pequeños también minimiza la cantidad de residuos quepueden escapar.

que puede provocar el colapso del revestidor. Loscálculos con elementos finitos para un revestidorde 95⁄8 pulgadas abierto con el cañón de 7 pul-gadas mencionado, indican que la resistencia alcolapso del revestidor alcanza el 78% del valororiginal de un revestidor sin disparos.

Permeabilidad dañadaUn efecto secundario y poco conveniente del dis-paro es el daño adicional, que se traduce en unazona de baja permeabilidad alrededor de los dis-paros. El flujo a través de un solo disparo y los

Los detritos resultantes de las operaciones dedisparo deberían ser minimizados, ya que cons-tituyen un peligro para la integridad del pozo y laproducción. Los restos de los cañones y de las car-gas huecas aumentan el riesgo de aprisiona-miento, se acumulan en el fondo en los pozosverticales, mientras que en los pozos desviadospueden no alcanzar el fondo o pueden llegar a lasuperficie y dañar los equipos de producción. Paracontrolar los detritos se utilizan dos estrategias:

El sistema convencional utiliza cascos de zincque se quiebran en pequeñas partículas solublesen ácidos, que también se pueden hacer circularhacia afuera. Una posible desventaja del zinc esque produce daño a la formación.9 Las pruebas delaboratorio indican que los fluidos ricos encloruros y el gas que se filtra en un pozo inactivopueden combinarse y precipitar un sólido a partirde los restos de zinc que puede atascar loscañones. Otra desventaja son las vibraciones adi-cionales de los cañones provocadas por laenergía que se libera cuando el zinc se consumeparcialmente durante la detonación de la carga.

Debido a estas desventajas, los operadoresestán dejando de utilizar las cargas con cascosde zinc que producen pequeños detritos. Elmétodo de empaque patentado, porSchlumberger, donde los cascos de acero se frag-mentan en trozos grandes que se mantienen en eltubo transportador del cañón, se está convir-tiendo en la opción preferida (derecha).

Los cañones más recientes que generanmayor área abierta al flujo, dejan el revestidorcon disparos con una mayor resistencia rema-nente y producen menor cantidad de detritos,constituyen ejemplos de soluciones especialespara disparar pozos con alta tasa de flujo yempacados con grava. En 1998, Conoco solicitóun área abierta al flujo mayor de la que se encon-traba disponible hasta el momento con cualquiercañón comercial, destinadas a aquellos proyec-tos distribuidos por el mundo que requieren altastasas de producción para garantizar su viabilidadcomercial. Para satisfacer este requerimiento,Schlumberger desarrolló un cañón PowerFlow de7 pulgadas para un revestidor de 95⁄8 que produceun área abierta al flujo un 47% mayor que laobtenida con los cañones de orificio grandedisponibles anteriormente y un 31% más que losdel competidor que más se le aproximaba.

Al garantizar la adecuada resistencia delrevestidor después del disparo, los cañonesPowerFlow más nuevos también responden a unaspecto cada vez más importante en el diseño dela completación; la compactación de la formacióna medida que se agota la presión del yacimiento

gantas de los poros (derecha). También se hanobservado en el laboratorio la migración de laspequeñas partículas generadas por la frag-mentación del grano, la disgregación de las arci-llas y los detritos de las cargas que bloquean lasgargantas de los poros y reducen aún más la per-meabilidad.

Los estudios muestran que el daño inducidoaumenta cuando las cargas explosivas son másgrandes.11 El alcance del daño provocado por eldisparo depende de la litología, la resistencia dela roca, la porosidad, la compresibilidad del fluidoalojado en los poros, el contenido de arcilla, eltamaño del grano de la formación y el diseño delas cargas huecas.12 La investigación junto con lasimulación numérica permiten una mejor com-prensión del daño de la permeabilidad en lospozos con disparos, lo cual puede servir paramejorar los diseños de las completaciones.13

La porosidad de la zona triturada, por lo gene-ral, no se ve afectada por el disparo. Al menos enlas rocas saturadas, la densidad y la porosidadalrededor de los disparos son bastante similaresa las que se observan en la matriz no dañada. Sibien el disparo produce modificaciones sobre lastensiones de la roca y las propiedades mecáni-cas, no compacta la formación como se creíaanteriormente. Además de los derivados de losexplosivos, otro mecanismo de daño posible es lainyección transitoria de los fluidos del pozo quepueden provocar problemas de permeabilidadrelativa.

En las rocas extremadamente duras, lasmicrofracturas creadas durante el disparo puedenservir como trayectorias que en realidad son máspermeables que la formación y son capaces depuentear el daño provocado por los disparos. Con3000 lpc [20,7 MPa] de desbalance, en algunosnúcleos de yacimientos y de rocas de afloramien-

tos de gran resistencia, se han medido valores defactor de daño negativos equivalentes a los de untratamiento de estimulación.14 Sin embargo, eldaño inducido por las vibraciones en la mayoría delos casos contribuye al factor de daño total,restringe el rendimiento del pozo y puede atenuarlas incrementos de producción relacionados conotros parámetros de los disparos tales como elnúmero de los mismos, el tamaño del hueco, elángulo entre los disparos y su penetración.

La zona triturada puede limitar tanto la produc-tividad como la inyectividad. Los finos y los detri-tos restringen la inyectividad y aumentan la

presión de bombeo, con lo cual disminuyen losvolúmenes de inyección y se deteriora el emplaza-miento o la distribución de la grava y los agentesde sostén para el control de producción de arenao para los tratamientos de fracturaciónhidráulica.15 La erosión de la zona triturada juntocon la remoción de los detritos en los disparos pormedio del flujo desde la formación resultan esen-ciales para disminuir el daño causado por los dis-paros y garantizar el éxito del pozo en todos losyacimientos, a menos que sean muy prolíficos.

Reducción del daño provocado por los disparosAnteriormente, los disparos se realizaban conlodos o fluidos de alta densidad en condicionesde presión balanceada o de sobrepresión. Hoy endía, es más común utilizar el desbalance paraminimizar o eliminar el daño causado por los dis-paros. Los términos desbalance (o presión in-versa), balanceada, sobrepresión y sobrepresiónextrema (EOB, por sus siglas en Inglés) se refie-ren a las diferencias de presión entre el hueco yel yacimiento antes de disparar. Existe undesbalance cuando la presión dentro del pozo esmenor que la presión de la formación, en cambio,cuando ambas presiones son equivalentes sedescribe como condiciones de presión balancea-da. La sobrepresión ocurre cuando la presión delpozo es superior a la presión del yacimiento.

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16. Behrmann et al, referencia 1.17. Bell WT: “Perforating Underbalanced—Evolving

Techniques,” Journal of Petroleum Technology 36(Octubre de 1984): 1653-1652.

18. King GE, Anderson A y Bingham M: “A Field Study ofUnderbalance Pressures Necessary to Obtain CleanPerforations Using Tubing-Conveyed Perforating,”artículo de la SPE 14321, presentado en la ConferenciaTécnica y Exhibición Anual No 60 de la SPE, Las Vegas,Nevada, EE.UU., Septiembre 22-25, 1985.

19. Crawford HR: “Underbalanced Perforating Design,”artículo de la SPE 19749, presentado en la ConferenciaTécnica y Exhibición Anual No 64 de la SPE, San Antonio,Texas, EE.UU., Octubre 8-11, 1989.

20. Tariq SM: “New, Generalized Criteria for Determining theLevel of Underbalance for Obtaining Clean Perforations,”artículo de la SPE 20636, presentado en la ConferenciaTécnica y Exhibición Anual No 65 de la SPE, NuevaOrleáns, Luisiana, EE.UU., Septiembre 23-26, 1990.

21. Hsia T-Y y Behrmann LA: “Perforating Skins as aFunction of Rock Permeability and Underbalance,” artículo de la SPE 22810, presentado en la ConferenciaTécnica y Exhibición Anual No 66 de la SPE, Dallas,Texas, EE.UU., Octubre 6-9, 1991.

11. Pucknell JK y Behrmann LA: “An Investigation of theDamaged Zone Created by Perforating,” artículo de laSPE 22811, presentado en la Conferencia y ExhibiciónAnual No 66 de la SPE, Dallas, Texas, EE.UU., Octubre 6-9, 1991.

12. Swift RP, Behrmann LA, Halleck P y Krogh KE: “Micro-Mechanical Modeling of Perforating ShockDamage,” artículo de la SPE 39458, presentado en elSimposio Internacional sobre Daño de la Formación de laSPE, Lafayette, Luisiana, EE.UU., Febrero 18-19, 1998.

13. Behrmann LA, Li JL, Venkitaraman A y Li H: “Borehole Dynamics During Underbalanced Perforating,”artículo de la SPE 38139, presentado en la ConferenciaEuropea sobre Control del Daño de la Formación de laSPE, La Haya, Holanda, Junio 2-3, 1997.

14. Blosser WR: “An Assessment of Perforating Performancefor High Compressive Strength Non-Homogeneous Sand-stones,” artículo de la SPE 30082, presentado en la Con-ferencia Europea sobre Control del Daño de la Formaciónde la SPE, La Haya, Holanda, Mayo 15-16, 1995.

15. Behrmann LA y McDonald B: “Underbalance or ExtremeOverbalance,” artículo de la SPE 31083, presentado en elSimposio Internacional sobre Control del Daño de laFormación de la SPE, Lafayette, Luisiana, EE.UU., Febrero14-15, 1996; también en SPE Production & Facilities(Agosto de 1999): 187-196.

Roca no dañada

Daño de la zona triturada

Revestidor

Daño de la formación

Cemento

Túnel del disparo

> Daño provocado por los disparos. Alrededor de los túneles de los disparos se crea una zona de per-meabilidad reducida debido al chorro de las cargas huecas. Las presiones de la onda de vibraciónpulverizan la roca adyacente, fracturan los granos de la matriz, quiebran la cementación intergranu-lar y despegan las partículas de arcilla. La fragmentación de la formación alrededor de los disparosdaña la permeabilidad en sitio, en especial al reducir el tamaño de la garganta del poro. Las fotomi-crografías muestran la roca no dañada (figura superior) comparada con la microfracturación que seobserva en una zona triturada de un disparo (figura inferior).

Verano de 2000 61

Sobrepresión extrema significa que la presión delpozo excede en gran medida la resistencia de laroca, lo cual produce la iniciación de una fracturao el quiebre de la presión. Tanto la sobrepresiónextrema como la fracturación tratan de puntear eldaño.16

El potencial de los disparos en condiciones dedesbalance fue reconocido recién en la décadadel 60. En los pozos agujereados con desbalancese notaba una tendencia al incremento de la pro-ducción. En la década del 70 y principios de los80, los investigadores reconocieron que la efi-ciencia del flujo en las completaciones con dis-paros aumentaba cuando se utilizaban presionescon mayor desbalance. Los estudios demostraronque el flujo inmediatamente posterior al disparolimpiaba los disparos y entonces se recomen-daron distintos criterios de desbalance.17 A partirde entonces se han investigado diversos aspec-tos de los disparos utilizando datos obtenidos enel campo y el laboratorio, los cuales refuerzanconstantemente las ventajas derivadas de unflujo inicial para erosionar las zonas trituradaspor los disparos y arrastrar los detritos resul-tantes.

En un estudio realizado por Amoco en 1985 seevaluaron 90 pozos que fueron acidificadosdespués de ser agujereados con cañones bajadoscon las tuberías de producción en condiciones dedesbalance y se estableció una correlación entrela productividad y la permeabilidad para fijar cri-terios mínimos de desbalance.18 Los resultadosno indicaban que no existiera daño derivado delos disparos, sólo que la acidificación no eranecesaria ni tan efectiva si el desbalance erasuficiente. Este estudio fue la fuente principal de

Revestidor Formación no dañada Disparo balanceado

Daño de la formación

Cemento Residuos del disparo

Zona triturada y compactada de baja permeabilidad

Revestidor Formación no dañada Disparo con presión inversa de 3000 lpc

Cemento

Zona de baja permeabilidad y residuos del disparoexpulsados por el brote del fluido de la formación

Daño de la formación

> Disparo en desbalance. En un disparo con sobrepresión o condiciones de presión balanceada sinlimpieza y antes del flujo, el túnel está taponado por los fragmentos de roca y los detritos (arriba). Elflujo de producción puede remover algunos residuos, pero buena parte de la zona triturada de bajapermeabilidad se mantiene. La oleada inicial generada por un desbalance adecuado durante el dis-paro permite barrer los detritos y erosionar la zona triturada (abajo).

datos de campo para correlacionar el desbalancecon la permeabilidad del yacimiento y elrendimiento de los disparos.

A partir de estos datos, en 1989 se calcularonlas presiones de desbalance mínimas y máximasbasadas en la producción potencial de arena apartir de las velocidades sónicas para los pozosde gas.19 El estudio original de Amoco se volvió aanalizar junto con los nuevos datos.20 A los efec-tos de considerar la permeabilidad, la viscosidady la densidad del fluido, las ecuaciones de des-balance mínimo se basaban en la velocidad delfluido y en el flujo turbulento a través de los dis-paros. La desventaja era que este modelorequería conocer el espesor de la zona dañada, eldiámetro del túnel en la roca y la viscosidad delfluido. Por otra parte, los resultados de las prue-bas recientes no demuestran que el desbalancedependa de la viscosidad.

Estos modelos implican que el flujo después deun brote temprano y transitorio, incluyendo el flujoen un estado seudo estable o los pozos fluyentesdespués de los disparos, es menos importante conrespecto a la limpieza del túnel. Sin embargo, elflujo posterior al disparo puede transportar algunosfinos hacia el pozo y limpiar mejor los disparos.21 Enalgunos casos, esto explica la limitada producciónde arena que se observa cuando los pozos sonpuestos en producción.

Se cree que la magnitud y duración de laoleada inicial de presión determinan la limpiezadel daño de la zona triturada. El flujo instantáneominimiza la invasión del fluido, afloja la rocadañada y barre los detritos de roca que seencuentran en los túneles de los disparos (abajo).Cuánto se afloja el material depende principal-

mente de la magnitud del desbalance. Al brotede alta velocidad le sigue un flujo seudo estable,que resulta menos efectivo porque las tasas y lasfuerzas de arrastre asociadas son menores quelas generadas durante la oleada transitoria ini-cial. El volumen del fluido y el flujo que le sucedemás adelante se consideran secundarios.

Los desbalances de presión necesarios paralograr una limpieza efectiva de los disparos yreducir el daño de la permeabilidad se han cuan-tificado mediante pruebas de un solo disparo ypruebas de flujo que proporcionan una compren-sión básica del mecanismo de reducción deldaño.22 Inmediatamente después de disparar encondiciones de desbalance, se produce unadescompresión instantánea de los fluidos delyacimiento alrededor del disparo. En estemomento, las fuerzas dinámicas—diferencial depresión y arrastre—que reducen el daño de lapermeabilidad erosionando y removiendo los gra-nos de la formación fracturada de las paredes delos túneles son más pronunciadas.

Las velocidades de la oleada transitoriadependen del desbalance y de la permeabilidadde la formación. El diferencial de presión nece-sario para crear orificios limpios y efectivosdepende de la permeabilidad, la porosidad y laresistencia de la roca además del tipo y eltamaño de la carga. Por ejemplo, las cargas depenetración profunda causan menos daño quelas cargas que producen grandes orificios.Cuando el desbalance se encuentra por debajodel nivel óptimo, el daño de los disparos y la tasade flujo por disparo resultan variables, y la mayorparte de los datos sugiere que para poder mini-mizar o eliminar el daño provocado por los dis-paros, las presiones de desbalance deben sersuperiores a las que se utilizan habitualmente enlos campos petroleros.23

22. Behrmann et al, referencia 10.Hsia y Behrmann, referencia 21.Pucknell y Behrmann, referencia 11.Behrmann LA, Pucknell JK y Bishop SR: “Effects of Underbalance and Effective Stress on PerforationDamage in Weak Sandstone: Initial Results,” artículo dela SPE 24770, presentado en la Conferencia Técnica yExhibición Anual No 67 de la SPE, Washington DC,EE.UU., Octubre 4-7, 1992.Bartusiak R, Behrmann LA y Halleck PM: “ExperimentalInvestigation of Surge Flow Velocity and Volume Neededto Obtain Perforation Cleanup,” artículo de la SPE 26896, presentado en la Conferencia y Exhibición RegionalOriental de la SPE, Pittsburgh, Pennsylvania, EE.UU.,Noviembre 2-4, 1993. También en Journal of PetroleumScience and Engineering 17 (1997): 19-28.

23. Behrmann et al, referencia 10.Mason JN, Dees JM y Kessler N: “Block Tests Modelthe Near-Wellbore in a Perforated Sandstone, artículode la SPE 28554, presentado en la Conferencia Técnica y Exhibición Anual No 69 de la SPE, Nueva Orleáns,Luisiana, EE.UU., Septiembre 25-28, 1994.

62 Oilfield Review

Laboratorio de avanzada para elestudio del disparo de núcleos

Muestras simuladas de núcleos del yacimiento

Conductores del disparo

Diferencial de presión de poro del hueco

Presión del hueco

Válvula del micrómetro

Manómetros de cuarzo de respuesta rápida

Cámara de confinamiento

Acumulador de 30 galones

Placa de disparo que simula el conjunto revestidor-cemento

Acumulador de 5 galones conectado al hueco

Hueco simulado

Pistola con carga hueca

Muestra del núcleo

Conf

inam

ient

o de

las

resp

uest

as rá

pida

s

Resp

uest

a in

med

iata

de

l hue

co

Si bien en un primer momento se produce unflujo turbulento con los fluidos de baja viscosi-dad, los resultados de las pruebas indican que laturbulencia no es una condición necesaria para lalimpieza del orificio. En cambio, la limpieza deldaño de la permeabilidad alrededor del disparohoy se relaciona con el arrastre viscoso.24 Losfactores principales son el diferencial de presióny el flujo radial subsiguiente, transitorio y ligera-mente compresible, ya sea laminar o turbulento,que constituía el punto de partida para obtenerecuaciones semiempíricas de desbalance y fac-tor de daño con los datos históricos.

Cuando se combinan las ecuaciones empíri-cas y teóricas obtenidas, se puede calcular eldesbalance óptimo para daño o factor de dañonulo en caso de que se utilice un desbalanceinferior al óptimo. El factor de daño provocadopor un solo disparo se puede utilizar en simu-ladores de flujo para obtener el factor de dañototal del disparo y evaluar o comparar lasdiferentes opciones de disparo. Esta metodo-logía, que hoy en día constituye el criterio másampliamente aceptado para calcular el desba-lance necesario para obtener orificios con factorde daño cero, surge como resultado de más deuna década de investigaciones en aras de la opti-mización de la limpieza de los disparos. Cuandose calculan con este método los valores de des-balance necesarios son de dos a cuatro vecesmás grandes que los que resultan de los criteriosutilizados previamente (arriba).

Debido a que el desbalance impacta elrendimiento de los disparos y la productividaddel pozo, resulta esencial entender la dinámicade los fluidos involucrados. Si se comprende

24. Behrmann LA: “Underbalance Criteria for MinimumPerforation Damage,” artículo de la SPE 30081, presen-tado en la Conferencia Europea sobre Daño de la For-mación de la SPE, La Haya, Holanda, Mayo 15-16, 1995;también en SPE Drilling & Completion (Septiembre de1996): 173-177.

25. Behrmann et al, referencia 13.

10.000

1.000

10010.0001.000100

Permeabilidad, mD

Desbalance óptimo versus permeabilidad

101De

sbal

ance

ópt

imo,

lpc

Behrmann (1995)King (1985)

Desbalance de 1000 lpc

Desbalance de 1500 lpc

> Criterios de desbalance. El desbalancees ampliamente aceptado como el méto-do más eficiente para obtener disparoslimpios. Los criterios de desbalance óp-timo de presión han aumentado en formasubstancial a lo largo de la última déca-da como resultado de cientos de pruebasde laboratorio. Las observaciones decampo realizadas por King et al desarro-llaron criterios basados en la eficienciade la acidización de las areniscas.Behrmann estableció una correlaciónentre los datos de laboratorio y la fuerzade arrastre viscoso para remover laspartículas finas (izquierda). Las pruebasde laboratorio confirman que para lim-piar los disparos se necesita un mayornivel de desbalance (derecha).

> Pruebas de flujo en disparos individuales. El laboratorio avanzado de flujo perteneciente al SRCincluye dos contenedores para investigar el flujo en los disparos en condiciones que incluyen lasobrepresión en el fondo y la presión de poro y del hueco (arriba). Un contenedor está destinado a los núcleos de hasta 7 pulgadas de diámetro y 18 pulgadas de longitud, mientras que el otro admitenúcleos de hasta 11,5 pulgadas de diámetro y 24 pulgadas de longitud. Esta disposición permiterealizar pruebas de flujo a través de núcleos de afloramientos o de yacimientos orientados desde la posición horizontal a la vertical (abajo).

Verano de 2000 63

cómo actúan las vibraciones, las presiones y elflujo de los fluidos, se podrá seleccionar un nivelde desbalance óptimo y diseñar las herramientasde fondo adecuadas. El laboratorio de flujo avan-zado que se encuentra en el SRC incluye dos con-tenedores de pruebas para investigar el flujo enlos disparos y otras operaciones de completaciónbajo condiciones de fondo que incluyen ten-siones de sobrecarga, además de la presión deporo y del hueco (página previa, abajo).

Esta disposición les permite a los investigado-res disparar y fluir por un solo disparo en aflora-mientos o núcleos del yacimiento orientados

desde una posición horizontal hasta la vertical concualquier sistema de disparo. El flujo bifásico de pe-tróleo y agua y el flujo de gas seco se pueden evaluar a tasas constantes con un registro continuode las mediciones de presión absoluta y diferencial.Los orificios se pueden examinar con una sondaprovista de un video a color durante el flujo a travésdel núcleo mientras se encuentra bajo tensiónhidrostática (arriba). También se pueden evaluarotras operaciones, como la inyección de grava y laacidificación. La dinámica del hueco se puede simu-lar para medir las presiones transitorias, la oleadainicial y las vibraciones causada por los disparos.

La tasa y la duración de la oleada inicial secontrolan por el desbalance inicial, la permeabili-dad de la formación, el daño provocado por losdisparos, la profundidad del daño de la formaciónen las proximidades del hueco y la naturaleza delos fluidos del hueco y del yacimiento. Los datostransitorios obtenidos inmediatamente despuésdel disparo, no adquiridos previamente debido alcosto y a la dificultad de obtener estas medi-ciones, les permiten a los investigadores com-prender el mecanismo de los disparos encondiciones de desbalance (abajo).25 La presióndel hueco, el diferencial de presión entre elyacimiento y el hueco, y los datos de oleada ini-cial registrados con resoluciones de milisegun-dos, indican un corto período de inyección en losdisparos asociado con una sobrepresión transito-ria debida a la inyección de los gases de deto-nación provenientes del cañón. La magnitud deldiferencial de presión que impulsa la inyecciónde este fluido depende del tamaño de la carga yde la permeabilidad de la muestra de la roca.

El disparo en condiciones de desbalance haevolucionado como resultado de las investiga-ciones realizadas con el fin de pronosticar eldiferencial de presión para minimizar el dañoprovocado por los disparos. Sin embargo, sedebe evaluar la probabilidad de que exista pro-ducción de arena, el colapso del revestidor, losmovimientos del cañón y el aprisionamiento delas herramientas, con respecto a los beneficiospotenciales. Los lineamientos del diseñoincluyen el desbalance mínimo de presión nece-sario para la limpieza del disparo, el desbalancede presión máximo para evitar el arenamiento ylos colchones de fluido—una columna de gas ode líquido—o anclajes mecánicos para minimizarel movimiento de la herramienta.

> Video del flujo en el laboratorio. El flujo en los disparos se puede examinar en forma visual con una sonda de video a color mientras los núcleos seencuentran sometidos a tensión hidrostática. A la izquierda se observa un orificio lleno de material pulverizado de la formación y rodeado de granos fragmentados de cuarzo. En el centro aparece un orificio sin fragmentación, pero el material pulverizado permanece en el fondo del túnel. A la derecha se observa un orificio libre de material de relleno.

6000

4500

3000

1500

0

-1500

-30000,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

80

60

40

20

0

-20

-40

Tasa

de

flujo

, cm

3 /seg

Pres

ión,

lpc

Tiempo, seg

Presión del hueco Desbalance Tasa de flujo

> Respuestas típicas de disparo con desbalance de presión y tasas de flujo en función del tiempo. Losdatos fueron obtenidos a razón de 2000 muestras/seg en pruebas de flujo con disparo individual, bajocondiciones simuladas de fondo respecto de la tensión efectiva, la presión del pozo y del yacimiento.Después de la detonación, la presión del pozo (rojo) aumenta y el desbalance (azul) disminuye, lo cualpermite cierto flujo (verde) dentro de los disparos. A medida que los gases de detonación entran ensolución y el cañón vacío se llena de fluido, la presión del hueco vuelve a caer provocando una olea-da inicial transitoria dentro del pozo. Se considera que este flujo inicial reduce el daño y la caída depermeabilidad en la zona triturada. Luego de la oleada inicial transitoria de alta velocidad sobrevieneuna oleada en estado seudo estable, que podría arrastrar la roca suelta y los detritos de las cargashacia el pozo y limpiar los disparos. La oleada continúa hasta que las presiones del pozo y del yaci-miento se ecualizan; es decir se alcanzan condiciones de desbalance cero o balance. Estas mismasrespuestas ocurren en condiciones de balance y de sobrepresión, con la excepción de que en los disparos de presión balanceada no se produce una oleada y, cuando existen condiciones de sobre-presión, el flujo proviene del pozo y se dirige hacia la formación.

Optimización de los parámetros del disparoLa remoción del daño y la limpieza de los disparosconstituyen elementos importantes dentro deldiseño de los disparos y la ejecución de los mis-mos, pero también se deben tener en cuenta eldiámetro y la longitud del túnel dentro de la for-mación, la densidad de disparo o el número deorificios especificados como disparos por pie(dpp), la orientación o fase de los disparos—elángulo existente entre los orificios—y el tamañodel orificio de entrada en el revestidor y en elcemento (abajo). La caída de presión provocadapor el daño del disparo depende de dos paráme-tros fundamentales: la permeabilidad de la for-mación y el espesor de la zona triturada.

Las completaciones de pozos presentandiferentes requerimientos con respecto a los dis-paros. Después del disparo, algunos pozos pro-ducen naturalmente grandes volúmenes y nonecesitan estimulación ni manejo de la arenadurante la completación. Estas completacionesnaturales están asociadas con areniscas permea-bles, de alta porosidad y gran resistencia y concarbonatos con poco daño de la formación y unaadecuada conductividad de la matriz. La longitudy densidad de los disparos constituyen losparámetros predominantes que dictaminan laproductividad en estas aplicaciones. Los disparosdeben atravesar el daño inducido por la per-foración y la invasión de los fluidos. Como reglapráctica, para establecer una conexión efectiva

con la roca no dañada, es necesario lograr unapenetración profunda, que atraviese por lomenos el 50% del daño.

La densidad de disparo y la orientación o fasetambién desempeñan roles importantes. El au-mento de la densidad de disparo reduce el dañoprovocado por los disparos y los pozos producena presiones inferiores. Si las formaciones sonlaminadas o tienen un alto grado de aniso-tropía—grandes diferencias entre las permeabi-lidades verticales y horizontales—es necesarioque la densidad de disparo sea elevada. Amedida que el factor de daño se aproxima a cero,la densidad de disparo adquiere mayor importan-cia. Las cargas orientadas reducen la caída depresión cerca del pozo al proporcionar conductosde flujo en todas las caras del pozo. En el caso delas formaciones naturalmente fracturadas, laorientación múltiple de las cargas de pene-tración profunda permite interceptar un mayornúmero de fracturas. Si las fracturas naturalesson paralelas, los disparos orientados resultanmás convenientes.

Si bien resulta útil para calcular la producti-vidad del pozo y evaluar el efecto de los paráme-tros del disparo entre los diferentes cañones, elanálisis computarizado algunas veces empaña lainteracción y la importancia relativa de losparámetros correspondientes, ya que al agruparciertos parámetros se ponen de manifiesto lasdependencias subyacentes entre los mismos.Este tipo de análisis permitió desarrollar unmétodo simple para estimar la productividad delas completaciones naturales con disparos.26 Alcombinar los parámetros del disparo y de la for-mación en un grupo único adimensional, seobtiene un cálculo rápido de la productividadsobre diversas variables que coinciden con loscálculos analíticos establecidos en los progra-mas de computación disponibles en el mercado.

Este método, aplicable para los disparos queatraviesan el daño de la formación en unesquema en forma de espiral, considera que lasprincipales variables que rigen la productividadson: la longitud del disparo, la densidad de dis-paro, el diámetro del túnel, el diámetro en la

64 Oilfield Review

Diámetro del hueco abierto

Angulo de fase

Diámetro del túnel del disparo

Longitud del disparo

Diámetro de la zona triturada

Espaciamiento entre los orificios (dependiente de

la densidad de disparo)

Diámetro de la zona dañada

> Parámetros del disparo. Para que resulten efectivos, los disparosdeben atravesar el daño inducido por la perforación y la invasión delfluido en el pozo. El rendimiento de las cargas huecas se define por eltamaño del orificio de entrada en el revestidor y la longitud del túnel.La productividad del pozo, sin embargo, se rige por el daño de la for-mación, la longitud del orificio, la densidad de disparo, el daño provo-cado por el disparo que se mantiene después del brote generado por el desbalance, y la relación entre las permeabilidades verticales y horizontales (anisotropía). La densidad de disparo es el número de orificios especificados en disparos por pie (dpp). La orientación o fase es el ángulo entre los orificios.

26. Brooks JE: “A Simple Method for Estimating WellProductivity,” artículo de la SPE 38148, presentado en laConferencia Europea sobre Daño de la Formación, LaHaya, Holanda, Junio 2-3, 1997.

27. En la fracturación hidráulica, se inyecta un fluido a pre-siones superiores a la tensión de ruptura de la forma-ción para crear una fractura, que se extiende endirecciones opuestas desde el pozo. Las alas de la frac-tura se propagan en forma perpendicular al plano demínima tensión de la roca, en un plano preferencial defracturación. Un agente de sostén, que por lo general esarena, hace que se mantengan abiertos estos conduc-tos que aumentan la efectividad del radio del pozo, per-mitiendo el flujo lineal dentro de la fractura y hacia elpozo. En los tratamientos de la matriz, se inyecta unácido por debajo de las presiones de fracturación paradisolver el daño inducido o natural que tapona las gar-gantas de los poros. La fracturación ácida que, por logeneral, no incluye el uso de agentes de sostén, esta-blece la conductividad en los carbonatos por erosiónácida diferencial de superficies no uniformes quemantienen las fracturas abiertas.

28. Una entrada limitada implica bajas densidades de dis-paro—1 dpp o menos—en una o más zonas con resis-tencias y permeabilidades diferentes para garantizar elemplazamiento uniforme del ácido o del agente de sos-tén al limitar los diferenciales de presión entre los inter-valos agujereados. El objetivo consiste en maximizar losresultados de la estimulación. Se pueden utilizar sella-dores de goma para bloquear los disparos abiertos yaislar los intervalos una vez que han sido estimulados,de manera que se pueda tratar el próximo intervalo.Dado que los disparos deben estar completamentesellados, el diámetro del orificio y la uniformidad sonimportantes.

29. Behrmann et al, referencia 1.

Verano de 2000 65

pared del hueco, el daño local de la formaciónalrededor del pozo, el daño de permeabilidadinducido por los disparos y la anisotropía de la per-meabilidad. La máxima relación teórica de produc-tividad del pozo se define por medio de un cañónideal con densidad de disparo infinita que permiteagrandar el radio del hueco por una distancia equi-valente a la penetración del disparo (arriba). Así seestablece la productividad teórica que se puedeobtener para una completación natural con dis-paros y se define la eficiencia de productividadmáxima de los sistemas de disparo en términos deun factor adimensional. La aplicación práctica deeste método reside en determinar el efecto de losparámetros, combinados, el desbalance, el mejo-ramiento de la productividad y los parámetroseconómicos de las operaciones de disparo.

Resulta evidente que tanto la penetracióncomo la densidad de disparo son importantes paralas completaciones naturales. La penetracióntiene un efecto proporcional que aumenta amedida que el disparo atraviesa el daño de la for-mación. La densidad de disparo tiene un efectoexponencial de 1,5. Por otra parte, teniendo encuenta que el daño provocado por el disparo esinversamente proporcional al factor adimensional,se debería reducir cuando se dispara con el dife-rencial adecuado de desbalance de presión.

En los casos en que no se puede alcanzar unapenetración profunda, una densidad de disparoelevada resulta particularmente efectiva. En lascompletaciones naturales, el diámetro del túnelen la formación es el menos importante de losparámetros del disparo y, por lo general, se pro-duce un aumento del tamaño del orificio en detri-mento de la penetración. Un aumento del 10% enel diámetro significa una disminución de la pene-tración de alrededor del 20%, mientras que elfactor adimensional se reduce en un 15%. Otrarazón que lleva a restar importancia al tamañodel orificio cuando se seleccionan cañones paralas completaciones naturales es que los chorrosde las cargas que abren huecos grandes tambiénpueden provocar daño adicional.

Cuando el flujo se ve reducido debido a laanisotropía elevada, al daño causado por los dis-paros o al daño de la formación, se puede solu-cionar parcialmente seleccionando un cañón conel mayor factor adimensional, ya sea por pene-tración profunda, alta densidad de disparo,reducción del daño por desbalance o una combi-nación de estos factores. Las mejores estrategiasson aquellas que proporcionan niveles de eficien-cia de la productividad cercanos al 100% (arriba,figura inferior).

N=4

P

N=8 N= ∞

2P + D

Cañón o pistola ideal

D

> Un método simple para estimar la productividad del pozo. La productividadmáxima de un pozo se define por un cañón ideal con densidad de disparo in-finita, que agranda el diámetro efectivo del hueco (D) por la longitud del orifi-cio, o profundidad de penetración (P). En las completaciones naturales, estelímite teórico de flujo se utiliza para definir la eficiencia del sistema de dispa-ro para aquellos orificios que atraviesan el daño de la formación siguiendo unesquema en forma de espiral.

0

20

40

60

80

100

1000100

Factor adimensional, β0 = PN3/2d1/2α-5/8

1010,1

Efic

ienc

ia d

e la

pro

duct

ivid

ad, %

P = penetraciónN = densidad de disparod = diámetro del disparoα = relación de anisotropía

> La eficiencia de la productividad comparada con el factor adimensional de disparo.

(continúa en la página 68)

Completaciones estimuladasLos tratamientos de fracturación y acidificación,en forma individual o combinados, estimulan laproductividad del pozo.27 Para que la estimu-lación de un pozo resulte efectiva es necesarioque exista una comunicación en la mayor canti-dad posible de los disparos, razón por la cual lasoperaciones de disparo se realizan con un des-balance óptimo, con técnicas de entrada limi-tada, o bien utilizando esferas sellantes o paresde empacadores de conexión que desvían elcurso de los fluidos de estimulación en formamecánica, para garantizar que los disparos seencuentren abiertos.28 En lugar de crear fracturashidráulicas largas en una formación, la sobrepre-sión extrema también constituye una opción paramejorar la comunicación entre los disparos y elyacimiento. Se puede disparar en condiciones deextrema sobrepresión antes de realizar la esti-mulación por fracturación para reducir la presiónde ruptura.29

Dado que la fracturación hidráulica a menudose realiza en zonas de baja permeabilidad, el des-balance mínimo necesario para eliminar el dañoprovocado por los disparos puede resultar suma-mente elevado. Por otra parte, para garantizar laremoción del daño de los disparos y los detritos serequiere un desbalance máximo y, si el daño no seelimina, los residuos pueden formar un revoqueque limita la inyectividad de los disparos. El flujoentrante, por lo general, no se ve afectado, pero larestricción puede provocar el aumento de las pre-siones durante la inyección. Si el daño del disparono se remueve antes de la fracturación, podría sernecesario realizar una acidificación.

Cuando se seleccionan cargas huecas paraaplicaciones de fracturación se deben balancearlos beneficios de la penetración y el tamaño delhueco. Si bien puede ocurrir que no sea nece-sario que los disparos penetren más de seis pul-gadas dentro de la formación, los orificios debentener el tamaño adecuado para evitar los des-bordes del agente de sostén, u obturación en losdisparos o cerca de los mismos. El desborde pre-maturo limita la longitud de la fractura y losvolúmenes del agente de sostén que se puedencolocar. Para prevenir los desbordes cuando seutiliza agente de sostén con concentracionesentre moderadas y altas, el diámetro del disparodebe ser por lo menos seis veces mayor que eldiámetro promedio de las partículas de agentede sostén. En realidad, se prefiere utilizar undiámetro que sea de 8 a 10 veces superior que eldiámetro promedio de las partículas para com-pensar posibles variaciones en el rendimiento delas cargas y la posición del cañón.

forma del orificio, y reduce drásticamente elrendimiento. Para mantener las toleranciascorrectas, las herramientas de fabricación degran precisión se construyen y se mantienen enun taller de maquinarias de última generación(arriba). Por medio de operaciones de prensa-do computarizadas se garantiza un alto nivel decalidad y se minimizan las posibles variaciones.

La fabricación de las cargas está controladapor computadora, pero existe intervención hu-mana en el manejo de los liners, la verificaciónde la existencia de grietas, las inspeccionesvisuales y la limpieza de las herramientas. Los técnicos fabrican y empacan millones decargas por año. Se utiliza un sistema de trabajoen equipo con funciones localizadas en una solaárea, lo cual facilita la eficiencia de la fabrica-ción y permite optimizar el rendimiento de lascargas. El proceso de fabricación se aceleramediante la organización en áreas de trabajodivididas en varios compartimientos, lo cualproporciona la flexibilidad necesaria para po-der ajustarse a los frecuentes cambios en los

66 Oilfield Review

Punzón para elprensado del liner

Mol

dede

pre

nsad

o

Partí

cula

spu

lver

izada

s de

l lin

er

Eyector del liner

Fuerza de empuje

2Se presiona con

fuerza el liner

1Se colocan las partículas

pulverizadas del liner en el eyector

3El liner terminado

se eyecta desde el molde

Mol

dede

pre

nsad

o

liner

Eyector del liner

Linerterminado

Fuerza de prensado

6Se moldea la pólvora

explosiva a una forma cónica

Punz

ón p

ara

pre-

mol

dear

Carga del explosivo

5Se pre-moldea la pólvora explosiva

Fuerza de prensado

Punz

ón p

ara

pre-

mol

dear

Grano explosivo

4La pólvora explosiva se

coloca en el casco de carga

Pólvora explosiva

Eyector del casco

Moldede carga

Casco

Fuerza de prensado

7Se inserta el liner y

se prensa contra el explosivo

Punz

ón p

ara

inse

rtar

el li

ner

Line

r

8La carga terminada se eyecta

del molde de carga

Carga terminada

Fabricación del liner

Carga del explosivo< Fabricación de las cargas huecas. Hoy en día, lamayor parte de los liners son mezclas de partículasmetálicas pulverizadas, inhibidores de corrosión ylubricantes que facilitan el fluir de las partículaspulverizadas (arriba). En una serie de operacionesde prensado, estas partículas pulverizadas toman laforma de un cono utilizando un punzón y un moldemecánicos (centro—pasos 1-3). El armado de unacarga hueca consiste en colocar un primer en labase de un casco y verter el explosivo principal(centro—paso 4). A continuación, el explosivo principal se nivela y se prensa con grandes cargashasta alcanzar la densidad óptima (abajo—pasos 5 y 6). La carga se completa presionando un linerdentro del explosivo (abajo—pasos 7 y 8).

casco, se nivela y se prensa con una gran cargapara lograr la densidad óptima. Por último, seprensa un liner en el explosivo para completarla carga.

Si bien parece simple desde un punto devista conceptual, la fabricación de las cargashuecas requiere una gran precisión. Loscomponentes de la carga—el casco, el primer,el explosivo y el liner—deben ajustarse aestrictos estándares de calidad y deben ser fa-bricados con niveles de tolerancia muy estrictospara garantizar que los chorros perforantes seformen exactamente de acuerdo con las especi-ficaciones del diseño. El colapso de un liner nouniforme provoca irregularidades en las densi-dades, las formas y los perfiles de velocidad delas descargas, lo cual perjudica el tamaño y la

En la mayor parte de las cargas utilizadas porSchlumberger los liners sólidos han sido reem-plazados por mezclas de partículas metálicaspulverizadas y prensadas, inhibidores de corro-sión y lubricantes que facilitan el fluir de laspartículas pulverizadas. En el Centro de Com-pletaciones de Yacimientos de Schlumberger(SRC) con sede en Rosharon, Texas, los liners ylas cargas se producen en una serie de opera-ciones de prensado (abajo). Con los componen-tes pulverizados se forma un cono utilizando unpunzón mecánico. Por lo general, se utilizanpartículas pulverizadas de cobre, tungsteno, es-taño, zinc y plomo para producir la densidad dechorro y la velocidad necesarias, que son laspropiedades críticas para el rendimiento de losdisparos. El explosivo principal se vierte en un

Fabricación y prueba de las cargas

> Herramientas de fabricación. Para mantener latolerancia correcta, Schlumberger produce y man-tiene matrices, punzones mecánicos y equipos deprecisión para los que existe un taller de maquina-rias interno con los últimos adelantos tecnológicos.

Verano de 2000 67

requerimientos de las completaciones de lospozos (izquierda). Los parámetros de fabricaciónse despliegan en tiempo real para poder detectarposibles desviaciones durante el proceso.

El control de calidad se mantiene sobre todoslos materiales utilizados en la fabricación de lascargas, desde los cascos y las partículas metáli-cas pulverizadas hasta los explosivos. El controlde todas las cargas se realiza por medio de unabase de datos que incluye los números de serie,tarjetas de historial, diseños asociados e infor-mación histórica (abajo). Estos registros permi-ten controlar día a día la calidad de producciónde las cargas huecas y resalta las mejoras defabricación que influyen en el rendimiento delas cargas. Por ejemplo, ciertos procedimientosiniciados mientras se desarrollaban nuevas car-gas de penetración profunda fueron implemen-tados en otras cargas, con lo cual se logrómejorar su rendimiento.

Los sistemas de disparo se prueban deacuerdo con los procedimientos determinadospor la norma RP 43, 5ta. Edición de la Sección 1del Instituto Americano del Petróleo (API).1 Lasnuevas normas RP 19B son compatibles con laRP 43, pero se exige una mayor revisión paraprevenir inconsistencias en los blancos de dis-paro.2 La arena utilizada en los blancos de con-creto se especifica como mallado americano16/30. Este cambio, que se encuentra en procesode implementación, fue aprobado recientemen-te con el fin de solucionar discrepancias en laspruebas de profundidad de penetración origina-das en las grandes variaciones en los tamañosde los granos de arena utilizados para fabricarlos blancos de concreto.3

Schlumberger realiza las pruebas API en elSRC sobre grandes blancos de concreto (dere-cha). Estas pruebas incluyen la certificación denuevas cargas, además de la recertificación pe-riódica, para garantizar que los datos publicadosrepresenten efectivamente las cargas que seestán produciendo en ese momento. Las instala-ciones donde se realizan las pruebas API tambiénse utilizan para pruebas especiales de los clien-tes que incluyen blancos del tipo de los incluidosen la Sección 1 del API. Resultan de gran interéslas pruebas especiales que comprenden diversasgeometrías del revestidor o de la completaciónque no se encuentran dentro de la configuraciónestándar de la norma RP 43 del API.

1. El Instituto Americano del Petróleo (API) consulta con laindustria del petróleo y el gas, considera las sugerenciasy la información que recibe de las compañías de servi-cios, los operadores y las organizaciones científicas yrecomienda procedimientos para equilibrar las necesida-des, la tecnología y las opiniones de los proveedores deservicios dentro de la industria petrolera.

2. La norma RP 19R, Primera Edición, del API es una versiónrevisada de la RP 19B, según la cual las pruebas se pro-graman y se registran en el API y pueden ser presencia-das por terceros. La norma RP 19R tiene la ventaja deque las compañías fabricantes se comprometen a pro-gramar y registrar las pruebas, las que merecen unmayor grado de confianza que durante la vigencia de la norma RP 43.

3. Brooks JE, Yang W y Behrmann LA: “Effect of Sand-GrainSize on Perforator Performance,” artículo de la SPE39457, presentado en el Simposio Internacional sobreControl del Daño de la Formación de la SPE, Lafayette,Luisiana, EE.UU., Febrero 18-19, 1998.

Agua

Briqueta de prueba

Receptáculo de acero

RevestidorCañón

Cemento de 28 días

> Pruebas de las cargas huecas. En el centro SRC,Schlumberger lleva a cabo las pruebas API sobregrandes blancos de concreto (arriba). Las pruebasincluyen tanto la certificación de nuevas cargascomo la recertificación periódica de las cargas exis-tentes. Las instalaciones de pruebas API se utilizanpara pruebas especiales de clientes que incluyenblancos del tipo de los comprendidos en la Sección1 del API y pruebas que involucren distintas confi-guraciones de revestidores y completaciones depozos que difieran de las que se ajustan a laconfiguración RP 43 del API (abajo). Las com-pañías petroleras utilizan estas instalaciones y elresto del SRC en forma habitual para llevar a cabopruebas especiales.

> Funciones de la fabricación. Los equipos de técni-cos capacitados arman y empacan millones de car-gas por año. Para facilitar la fabricación eficiente y de alta calidad y el comportamiento óptimo de las cargas, las operaciones de prensado del liner yrecargado de las cargas se concentran en un sololugar (arriba). Las áreas de trabajo divididas envarios compartimientos otorgan flexibilidad y lacapacidad de responder en forma rápida a las nece-sidades cambiantes de las operaciones de disparo.Una habitación de pesaje especial se utiliza paracontrolar cuidadosamente el contenido explosivo de las cargas huecas (abajo).

> Garantía de calidad. Se mantiene un estricto con-trol de todos los materiales desde los cascos de ace-ro y las partículas metálicas pulverizadas hasta losexplosivos y las herramientas mecánicas utilizadaspara fabricar las cargas. Un despliegue en tiemporeal les permite a los técnicos identificar rápida-mente las desviaciones ocurridas en el proceso defabricación y una base de datos registra cada unade las cargas. Estos registros se utilizan para super-visar las operaciones diarias y permiten cuantificarlos avances del proceso de manera tal que los nue-vos procedimientos que afecten el rendimiento de los disparos puedan ser implementados en todo elproceso de fabricación de otras cargas.

(continúa en la próxima página)

Los disparos constituyen el punto donde lapresión se pone en contacto con la formación yse inician las fracturas. Con excepción de las téc-nicas de entrada limitada y de las que usanagentes divergentes, es importante diseñar losdisparos de manera tal que se minimice la caídade presión en todos ellos durante el bombeo y laproducción subsiguiente, incluyendo las pérdidaspor fricción en los disparos, los puntos de acuña-miento del microespacio anular y las tortuosi-dades provocadas por fracturas curvadas yfracturas múltiples o asimétricas.

Las tasas de inyección de los fluidos afectandirectamente el bombeo en la superficie y las pre-siones de iniciación de la fractura. Las tasas y laspresiones elevadas promueven la iniciación de lafractura en sitios individuales. Cuando las tasasson bajas, la presión de inyección se reduce y lasfracturas se pueden iniciar a partir de los disparosy puntos discretos alrededor del pozo. La densi-dad de disparo se calcula durante el diseño de lafractura. Una densidad de disparo mínima depen-de de varios factores: la tasa de inyección nece-saria por disparo, las limitaciones de la presión enla superficie, las propiedades de los fluidos, lostamaños de las tuberías de completación, la pér-dida de presión por fricción aceptable de los dis-paros y el diámetro del orificio de entrada (arriba).

En algunos casos, después de la cemen-tación, las pruebas de integridad de la presión enel revestidor, el desplazamiento de los fluidos deperforación o de completación, o bien como con-secuencia de las operaciones de disparo ybombeo que debilitan la adherencia hidráulica

entre el cemento y la formación (abajo) se creaun microespacio anular, lo que se debería evitardebido a los puntos de acuñamiento, o restric-ciones de flujo, resultantes.

Si existiera un microespacio anular o la posi-bilidad de inducirlo a partir de los disparos, sedeben considerar varios factores.30 Para mini-mizar los puntos de acuñamiento y reducir la tor-tuosidad de la trayectoria del flujo, los pozos coninclinaciones inferiores a 30° deberían ser agu-jereados con cañones de 180° de fase dentro delos 10° con respecto al plano preferencial defracturación (PFP, por sus siglas en Inglés). Ladirección del PFP se puede inferir a partir de lageología local o los registros de pozos.31

68 Oilfield Review

10

9

8

7

6

5

4

1

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Diámetro del disparo, pulg

Tasa

de

inye

cció

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r dis

paro

, bbl

/mln

2

3

Caída de presión de 25 lpcCaída de presión de 50 lpcCaída de presión de 100 lpcCaída de presión de 200 lpc

> Tasa de inyección comparada con el diámetro del orificio para un fluido de frac-turación a base de agua. El tamaño mínimo del orificio y la densidad de disparo paralos diseños de estimulación por fracturación dependen de la tasa de inyección pordisparo requerida, de las limitaciones de presión en la superficie, de las propiedadesde los fluidos, de los tamaños de las tuberías de las completaciones, de la pérdida por fricción aceptable en los disparos y del diámetro del orificio de entrada.

>30°

Plano preferencial de fracturación

Punto de acuñamiento

Microespacio anular

(PFP)

> Puntos de acuñamiento. Un microespacio anu-lar se origina por el debilitamiento de la adheren-cia hidráulica entre el cemento y la formación.Debido a las tortuosidades, la restricción del flujoy el aumento de presión que acompañan a losmicroespacios anulares, estos últimos y los pun-tos de acuñamiento relacionados con los mismosse deberían evitar. Si el ángulo entre los disparosy el PFP es superior a 30°, se inicia una fractura.

En los comienzos de un nuevo ciclo de produc-ción, se dispara un mínimo de dos cargas sobrelos blancos construidos de acuerdo con los es-tándares de Schlumberger utilizando transporta-dores de cañones reales en un claro (stand-off)de agua que simula las condiciones de fondo.Estos blancos de concreto tienen una resistenciaa la compresión mínima de 5000 lpc [34,5 MPa].La penetración esperada se calcula sobre labase de la Sección 1 del API y se establece unaexigencia de penetración mínima para la fabri-cación. La producción completa comienza unavez que los resultados de las pruebas indicanque se han superado los requerimientos míni-mos. Para controlar la calidad de la carga serealizan mediciones repetidas de la penetracióntotal del blanco y del tamaño mínimo y máximodel orificio de entrada.

Durante el ciclo de fabricación, se realizanpruebas periódicas para confirmar que se estánrespetando las especificaciones de funciona-miento establecidas con respecto a los están-dares de penetración y tamaño del orificio. Lasmuestras se prueban cada 240 cargas en los ci-clos largos y cada 120 cargas en los ciclos máscortos asociados con las cargas de alta tempera-tura. Para verificar la integridad del casco y elliner se realiza una prueba de vibración o caída,y también se comprueba la sensibilidad de latransferencia balística. Se realizan medicionesdetalladas acerca de todos los componentessobre grupos de cargas escogidas en forma alea-toria. Se almacenan algunas cargas de cada ciclode fabricación con el fin de realizar auditorías.Durante este período, se extraen cargas de losbunkers de almacenamiento y se disparan aintervalos regulares para comprobar los efectosde envejecimiento de las cargas. Las auditoríasinternas también verifican el funcionamientocorrecto de las cargas.

Las instalaciones del SRC destinadas a rea-lizar pruebas, si bien se utilizan principalmentepara evaluar las cargas nuevas y calificar losequipos de disparo, también están disponiblespara que las compañías petroleras hagan uso delas mismas para el planeamiento de las comple-taciones y el análisis de condiciones de pozosdifíciles. Además de mejorar el rendimiento delos cañones, la posibilidad de realizar pruebasestándares y especiales les permite a los investi-gadores y a los clientes adquirir confianza en lastécnicas de disparo, verificando que los sistemasfuncionen en forma continua en las condicionesde temperatura y presión registradas a lo largode toda la operación.

Disparos

Esfuerzo máximo

Esfuerzo mínimo

60°

Fractura

PFP

Disparos efectivos

En las pruebas de laboratorio realizadas agran escala sobre la iniciación de la fractura a tra-vés de los disparos reales, se observa que los si-tios de iniciación de las fracturas se encuentran,por lo general, en la base de los disparos y en laintersección del PFP con el hueco.32 El sitio de ini-ciación de la fractura depende de la orientaciónde los disparos en relación con el PFP. Cuandoeste ángulo es mayor de 30°, las fracturas ocu-rren en los lugares donde no existen disparos. Siuna fractura no se inicia en los disparos, el fluidoy el agente de sostén deben atravesar la interfaseentre el cemento y la formación para llegar a unafractura, con lo cual aumentan las presiones detratamiento, puede ocurrir un desborde prematuro

Verano de 2000 69

y existe la posibilidad de que se produzcan frac-turas múltiples o asimétricas.

La orientación o fase de los disparos tambiénes importante en la fracturación. La tortuosidad apartir de la trayectoria curvada de una fracturaresulta de una falta de alineación entre la orien-tación del cañón y el PFP. Los disparos orientadostienden a crear fracturas múltiples. Todos estosfactores provocan el incremento de las presionesde fracturación.33

Los pozos verticales con inclinacionesmenores de 30° se deberían disparar concañones de 180° de fase, dentro de los 10° conrespecto al PFP para aumentar el número de dis-paros abiertos a una fractura, maximizar la ampli-tud de la fractura cerca del pozo y reducir lapresión de iniciación de la fractura, o de punto de

30. Behrmann LA y Nolte KG: “Perforating Requirements forFracture Stimulations,” artículo de la SPE 39453, presen-tado en el Simposio Internacional sobre Control delDaño de la Formación de la SPE, Lafayette, Luisiana,EE.UU., Febrero 18-19, 1998.

31. Brie A, Endo T, Hoyle D, Codazzi D, Esmersoy C, Hsu K,Denoo S, Mueller MC, Plona T, Shenoy R y Sinha B:“New Directions in Sonic Logging,” Oilfield Review 10,no. 1 (Primavera de 1998): 40-55.

32. Behrmann LA y Elbel JL: “Effect of Perforations onFracture Initiation,” artículo de la SPE 20661, presentadoen la Conferencia Técnica y Exhibición Anual No 65 dela SPE, Nueva Orleáns, Luisiana, EE.UU., Septiembre 23-26, 1990.

33. Romero J, Mack MG y Elbel JL: “Theoretical Model andNumerical Investigation of Near-Wellbore Effects inHydraulic Fracturing,” artículo de la SPE 30506, presen-tado en la Conferencia Técnica y Exhibición Anual No 70de la SPE, Dallas, Texas, EE.UU., Octubre 22-25, 1995.

> Fracturación de pozos verticales y pozos muy inclinados. En los intervalos verticales y en los huecoscon inclinaciones inferiores a 30°, se recomienda utilizar los cañones con una fase de 180° dentro delos 10° con respecto al plano preferencial de fracturación (PFP) (arriba a la izquierda). Si no se conocela dirección del PFP, se debe optar por una orientación de 60° y altas densidades de disparo (abajo a laizquierda). Si la inclinación del pozo supera los 30° y el hueco se encuentra dentro del PFP o cerca delmismo, se deben utilizar cañones con una fase de 180° para disparar hacia arriba y hacia abajo (arribaa la derecha). A medida que los huecos se alejan del PFP, los intervalos agujereados deberían disminuir,por lo cual puede resultar más efectivo utilizar un ángulo de 60° en lugar de 180° (abajo a la derecha).Los disparos se deberán concentrar en intervalos cortos con máxima densidad de disparo y la orien-tación necesaria para optimizar la comunicación con una fractura dominante en cada intervalo.

ruptura. Si no se conoce la dirección del PFP, o sino es posible determinar la orientación, serecomienda un ángulo de 60° o 120°.

Cuando la inclinación del pozo es mayor de30° y un hueco se encuentra dentro del PFP ocerca del mismo, se recomienda utilizar loscañones con un ángulo de 180° orientados paradisparar hacia arriba y hacia abajo. Se puede uti-lizar la Herramienta de Disparo Orientada porCable de Acero (WOPT, por sus siglas en Inglés)para orientar cañones bajados con cable de aceroen pozos verticales y no verticales. Por otra parte,se encuentran disponibles varios métodos alter-nativos para orientar los cañones TCP. A medidaque los huecos se alejan del PFP, los intervalosagujereados deberían disminuir, por lo cualpuede resultar más efectivo utilizar un ángulo de60° en lugar de 180° (izquierda).

En el caso de pozos muy desviados y pozoshorizontales, en los que el ángulo entre el huecoy el PFP supera los 75°, los disparos se debenconcentrar en un área reducida y utilizar una den-sidad de disparo máxima con ángulos de orien-tación que optimicen la comunicación con unafractura dominante en cada intervalo.

Manejo de la producción de arena:¿control o prevención?Dependiendo de la resistencia de la formación,las tensiones de los disparos, la tasa de flujo y eltipo de fluido, la arena se puede producir con elpetróleo, el gas y el agua cuando la tasa de flujoes suficientemente elevada y existen granos dela formación no consolidados o sueltos en losdisparos o alrededor de los mismos. Las causasprincipales de la producción de arena son loscambios en la tasa de flujo relacionados con lacaída de presión, el aumento de la tensión efec-tiva debido al agotamiento de las reservas y elaumento de la producción de agua con el trans-curso del tiempo.

Para controlar la producción de arena se uti-lizan métodos mecánicos que la excluyen de losfluidos producidos. Las técnicas de prevencióntratan de minimizar o eliminar la cantidad dearena producida, además de reducir su impactosin utilizar métodos de exclusión mecánicos. Laselección entre estas opciones depende de laestabilidad de los disparos y de la formación yademás se tiene en cuenta si existe la posibilidadde predecir el fracaso de la operación de disparo.La esencia del manejo de la producción de arenaes la cuantificación del riesgo de producción, locual les permite a los operadores decidir si sedebe implementar un sistema de control o de pre-vención y cómo y cuándo hacerlo (arriba).

Existen diversos métodos que permiten pre-decir la estabilidad del túnel de los disparos a lolargo de la vida de un pozo. Los modelos teóricosde estabilidad del hueco adaptados a los dis-paros resultan útiles a medida que se modificanlas condiciones de tensión debido a la caída de lapresión y al agotamiento de las reservas.34 Losmétodos experimentales comprenden pruebas denúcleos del yacimiento o de rocas de afloramien-tos con propiedades similares.35 Los criterios parapronosticar la producción de arena basados en elhistorial de producción, que es la técnica másampliamente utilizada, confían en la experienciaobtenida en otros pozos y la correlación de laresistencia de la roca para calibrar los modelosteóricos y poder seleccionar entre los sistemasde control o prevención.36

El disparo como sistema de control, parte dela suposición de que la producción de arena esinevitable y que será necesario colocar empaquesde grava, fracturas empacadas u otras técnicasmecánicas para eliminar la arena del flujo de pro-ducción. El disparo debe tener en cuenta el nivelde desbalance adecuado para minimizar la caídade presión, y remover toda la arena suelta paralimpiar los túneles de los disparos y poder realizarun emplazamiento óptimo de la grava. Como sis-tema de prevención, el diseño de los disparos

tiende a evitar la producción de arena a lo largode la vida de un pozo. Una decisión correctaafecta tanto los costos iniciales como la tasa deproducción y la recuperación total del pozo.

Requisitos del control de la producción dearenaHabitualmente se cree que en las formacionesdébiles y no consolidadas no existen disparosabiertos en la formación, con lo cual la únicaabertura para emplazar la grava sería el huecoque atraviesa el revestidor y el cemento. Estateoría general sostiene que si las formacionesson débiles y se produce arena junto con hidro-carburos, existen pocas posibilidades de queexistan túneles abiertos. Sin embargo, tanto laspruebas de un solo disparo como las de disparosmúltiples demuestran que esa regla no se cumpleen todos los casos. Por el contrario, la investi-gación indica que la definición de los disparos enlas arenas débiles depende fundamentalmentede la resistencia de la roca, pero también deotros factores, como la tensión efectiva, el des-balance, la distancia entre los disparos adya-centes y los fluidos en los espacios de los porosy en el hueco.

Cuando los túneles de los disparos no estándefinidos, el objetivo de disparar para realizar operaciones convencionales con empaques degrava consiste en minimizar la caída de presión entodo el hueco relleno de grava en el revestidor yel cemento. Esa caída de presión está determina-da por el área total abierta al flujo—el área dehuecos individuales multiplicada por el númerototal de disparos—, la permeabilidad de la gravay la tasa de flujo por disparo. En las pruebas rea-lizadas sobre muestras de núcleos se observa quecuando los túneles se encuentran definidos, losresiduos y los finos de la formación pueden perju-dicar la permeabilidad de la grava (derecha). Elobjetivo consiste en minimizar el daño inducido yel deterioro del empaque de grava.

70 Oilfield Review

Manejo de la producción de arena(pozos revestidos y con disparos)

Cuantificación del riesgo de producción de arena

Control de producción de arena (métodos de exclusión)

Aumento de la resistencia de la arena

Identificación y minimización de las fuentes de deterioro de la productividad

Prevención de producción de arena

Métodos de disparo para minimizar el riesgo de producción de arena

Aumento de los costos

Riesgo aceptableRiesgo inaceptable

> Arbol de decisiones en el manejode la producción de arena. CementoArena de

formación

Túnel del disparo

Empaque de grava

Malla ranurada

Revestidor

Región A

Región B

Región C

Región A

Región B

Región C

>Disparos para el control de la producción de are-na. Se supone que los túneles de los disparos no es-tán definidos y tienen poca o ninguna abertura enlas formaciones débiles (arriba). Un orificio ideal lim-piado a mano en el laboratorio no presenta ningúnresiduo de roca inducido por el disparo y los detritosy la grava colocada casi no se mezclan entre sí,como se observa en las imágenes obtenidas con elmicroscopio de escaneo de electrones (SEM, porsus siglas en Inglés) (centro). En una prueba de unsolo disparo, los detritos del disparo se mezclan con la grava y taponan el empaque (abajo).

Verano de 2000 71

Antes de colocar el empaque de grava sedebe eliminar el daño de los disparos, los finos dela formación y los detritos de las cargas, para locual los mejores métodos consisten en dispararcon un desbalance de presión y activar el flujo.Para evitar el colapso del orificio y una produc-ción catastrófica de arena durante el disparo, sedeberá seleccionar el máximo desbalance de pre-sión. Si se dispara con el orificio de superficieabierto se garantiza que el flujo posterior al dis-paro transporte los residuos hacia el hueco. Sedeben tomar las precauciones necesarias paramanejar la producción transitoria de arena que seproduce en la superficie hasta que los disparos selimpian totalmente. Cuando la caída de presión yla tasa de flujo por disparo son bajas, se puedenutilizar cargas de penetración profunda. Este tipode cargas causan menos daño localizado y menorcantidad de residuos y proporcionan un radioefectivo del hueco más grande, lo que reduce lacaída de presión. Como ocurre en las aplica-ciones de fracturación, el diámetro de los dis-paros debe ser entre 8 y 10 veces superior que eldiámetro de la grava.

Durante las operaciones para el controlhidrostático del pozo se debería evitar exponerlas formaciones a fluidos de completaciones per-judiciales o a materiales de control de pérdidasde circulación (LCM, por sus siglas en Inglés) y alos químicos. El daño en los disparos abiertos seobservó en diversas pruebas realizadas en blo-ques de areniscas Berea que fueron agujereados,abiertos al flujo, taponados con LCM y luegoreabiertos al flujo.37 Cuando se debe matar unpozo, es mejor utilizar salmueras no perjudicialeso solventes mutuos.

En el método convencional de empaque degrava dentro del revestidor es necesario realizartres operaciones: colocar un empacador defondo, disparar y hacer circular grava por detrásde las mallas de empaque. Las desventajas deeste sistema consisten en la larga duración delas operaciones y la potencial formación de dañoprovocado por la pérdida de fluido o LCM. En la

actualidad, se pueden operar los cañones y losaccesorios de la operación de empaque de gravaen un solo paso. El sistema PERFPAC es unmétodo destinado al control de arena en una solaoperación que limita la pérdida de fluidos, reduceel daño de la formación y permite ahorrar tiempo(arriba).

Además de los empaques de grava internos,los disparos desempeñan un papel importante enlas aplicaciones externas para el control dearena, como fracturas empacadas y losempaques de grava sin mallas.38 Las exigenciasde los disparos con respecto a las fracturasempacadas son las mismas que para losempaques de grava internos, ya que es másimportante minimizar la caída de presión a travésdel empaque y controlar la producción de arenaque crear fracturas largas. Sin embargo, paracrear un empaque externo es importante lograrun emplazamiento correcto del agente de sostén.

34. Bruce S: “A Mechanical Stability Log,” artículo de laSPE 19942, presentado en la Conferencia de Perforaciónde las IADC/SPE, Houston, Texas, EE.UU., Febrero 27-Marzo 2, 1990. Weingarten J y Perkins T: “Prediction of SandProduction in Gas Wells: Methods and Gulf of MexicoCase Studies,” artículo de la SPE 24797, presentado enla Conferencia Técnica y Exhibición Anual No 67 de laSPE, Washington, DC, EE.UU., Octubre 4-7, 1992. van den Hoek PJ, Hertogh GMM, Kooijman AP, de Bree P,Kenter CJ y Papamichos E: “A New Concept of Sand Production Prediction: Theory and LaboratoryExperiments,” artículo de la SPE 36418, presentado en la Conferencia Técnica y Exhibición Anual No 71 de la SPE, Denver, Colorado, EE.UU., Octubre 6-9, 1996.Kooijman AP, van den Hoek PJ, de Bree P, Kenter CJ,Zheng Z y Khodaverdian M: “Horizontal WellboreStability and Sand Production in Weakly ConsolidatedSandstones,” artículo de la SPE 36419, presentado en laConferencia Técnica y Exhibición Anual No 71 de la SPE,Denver, Colorado, EE.UU., Octubre 6-9, 1996.Blok RHJ, Welling RWF, Behrmann LA y Venkitaraman A:“Experimental Investigation of the Influence ofPerforating on Gravel-Pack Impairment,” artículo de laSPE 36481, presentado en la Conferencia Técnica yExhibición Anual No 71 de la SPE, Denver, Colorado,EE.UU., Octubre 6-9, 1996.

35. Behrman L, Willson SM, de Bree P y Presles C: “Field Implications from Full-Scale Sand ProductionExperiments,” artículo de la SPE 38639, presentado en la Conferencia Técnica y Exhibición Anual No 72 dela SPE, San Antonio, Texas, EE.UU., Octubre 5-8, 1997.Presles C y Cruesot M: “A Sand Failure Test Can CutBoth Completion Costs and the Number of DevelopmentWells,” artículo de la SPE 38186, presentado en la Confe-rencia Europea sobre Daño de la Formación de la SPE,La Haya, Holanda, Junio 2-3, 1997.

36. Venkitaraman A, Li H, Leonard AJ y Bowden PR:“Experimental Investigation of Sanding Propensity forthe Andrew Completion,” artículo de la SPE 50387, pre-sentado en la Conferencia Internacional sobre Tecno-logía de Pozos Horizontales de la SPE, Calgary, Alberta,Canadá, Noviembre 1-4, 1998.

37. Mason et al, referencia 23.38. Behrmann y Nolte, referencia 30.

Cañoneo Empaque de grava

Herramienta IRIS de doble válvula

Empacador superior de engravado

QUANTUM

Mallas

Empacador inferior

Herramienta de liberación explosiva

del cañón

Cañón TCP

Disparos

Herramienta IRIS de doble válvula

Empacador superior QUANTUM

de empaque de grava

Mallas

Empacador inferior

Cañón TCP

> Empaque de grava en una sola operación. Un equipamiento habitual para el sis-tema PERFPAC incluye un cañón TCP con liberación automática del explosivo, unempacador de fondo, mallas para el control de arena, un empacador de grava conuna válvula charnela, sondas de presión y registradores, cabeza de disparo y unaválvula de pruebas para sarta de perforación doble. Los cañones TCP se posicio-nan, se disparan, se liberan y desechan (izquierda). A continuación se vuelve aposicionar el equipo de manera que las mallas se encuentren frente al intervaloagujereado (derecha). Se coloca el empacador superior QUANTUM de empaquede grava y se inyecta grava por detrás de la malla. Luego se desengancha la sartade trabajo, y se dejan las mallas empacadas en el lugar correspondiente. Lasoperaciones se realizan en un ambiente controlado para que las formaciones nose vean expuestas a sobrepresión, LCM o fluidos perjudiciales.

Los orificios grandes con alta densidad de dis-paro—12, 16, 18 ó 21 dpp—y ángulo de orien-tación de 60° ó 45° maximizan el área de flujo eimpiden el desborde del agente de sostén, uobturación, en los disparos.

En los empaques de grava sin mallas, la for-mación se consolida con resinas y luego se frac-tura. El agente de sostén inyectado en la fracturaimpide la producción de arena de la formación.Debido a que el agente de sostén no rellena losdisparos, los requisitos de la operación de dis-paro son más parecidos a los de las estimula-ciones convencionales por fracturaciónhidráulica: la longitud del intervalo agujereadodebe ser limitada; los disparos que no se comu-nican con la fractura pueden producir arena ydeben ser eliminados o minimizados; el diámetrodel orificio debe ser de 8 a 10 veces más grandeque el diámetro del agente de sostén y los dis-paros con una fase comprendida entre 0 y 180°se deben orientar dentro de los 30° del PFP.

Prevención de la producción de arenaLa producción de arena en las formaciones noconsolidadas y en algunas formaciones consoli-dadas pero débiles se origina en el colapso deltúnel o en la falla de la formación entre los dis-paros. Para evitar problemas subsiguientes quepodrían perjudicar la productividad y rentabilidady limitar las opciones de intervención en los

pozos, las medidas de prevención de la produc-ción de arena deben tener en cuenta los cambiosocurridos en las tasas de producción, el estado detensiones de la formación y la producción deagua. Una vez que se determinan la estabilidadde la formación y los umbrales de la falla del dis-paro por medio de simulaciones, pruebas de la-boratorio o análisis de datos históricos, losmétodos de disparo se utilizan para minimizar laproducción de arena.39 El uso de sistemas de pre-vención implica la aceptación de un riesgo relati-vamente bajo de producción de arena.

Las cargas de hueco grande más poderosas, elángulo de fase y un nivel excesivo de desbalancecontribuyen al aumento del daño provocado porlos disparos y a que se produzcan fallas entre losmismos. Para prevenir la producción de arena, eldiseño de los disparos debe tratar de minimizar eltamaño del orificio en la formación, la caída depresión en los intervalos agujereados y la tasa deflujo por disparo. Por otra parte, los disparosdeben encontrarse a la mayor distancia posibleentre sí. Cuando existe un gran contraste de ten-siones en la formación y se conocen las direc-ciones de los esfuerzos, los disparos orientadosutilizando diversos sistemas pueden incrementarla estabilidad de los túneles aprovechando lasdirecciones de los esfuerzos mínimos. 40 El disparoselectivo puede evitar las zonas o las forma-ciones débiles por completo.

Debido a que los disparos de diámetroreducido son más estables que aquellos creadospor cargas de hueco grande, para la prevenciónde arena se recomienda utilizar las cargas depenetración profunda. Esto también minimiza eldaño ocasionado por el disparo, otorga mayorestabilidad durante la caída de presión y el ago-tamiento, y aumenta la distancia entre los dis-paros. Cuando se utilizan densidades de disparomás elevadas, la caída de presión, la tasa deflujo y las fuerzas de arrastre de cada disparo semantienen por debajo del valor crítico y se mini-miza la erosión de la formación.

El disparo con desbalance óptimo reduce eldaño y evita el arenamiento provocado por fallascatastróficas del túnel que podrían atascar loscañones. Las simulaciones de estabilidad de losdisparos permiten determinar los límites de des-balance que mantienen la caída de presión pordebajo del límite crítico de falla de la formación.Las técnicas que utilizan un solo disparo y laspruebas de flujo efectuadas sobre los núcleos,pueden confirmar cuáles son los valores de des-balance que permiten prevenir el transporte dearena, cuantificar el impacto del incremento en laproducción de agua y, por lo general, verificar laestabilidad de la formación y del disparo (abajo).

Además de la inestabilidad del disparo indi-vidual, la vinculación entre las zonas de fallaalrededor de los disparos adyacentes, determi-nada por la distancia entre los disparos, lleva alcolapso de la formación y a la producción dearena. Cuando los huecos son más pequeños y ladensidad de disparo es menor aumenta el espa-ciamiento de los disparos, pero se produce elefecto indeseado de que se incrementa la tasade flujo y la caída de presión por cada disparo, locual hace aumentar el transporte de materialproveniente de la falla de la formación y puedeprovocar producción de arena.

72 Oilfield Review

4000

3000

2000

1000

0 2000Presión del yacimiento, lpc

Caída de presión segura

1000

Pres

ión

del h

ueco

, lpc

400030000

Falla de la formación

> Estabilidad del orificio. Para la prevención dearena, el análisis de estabilidad puede determi-nar una envolvente operativa segura para lacaída de presión durante la producción queservirá para prevenir la falla del orificio y la vin-culación de las zonas de falla alrededor de losdisparos adyacentes.

0° 300° 360°240°180°120°60°

L1

L2

L3

> Optimización de la fase para la prevención de la producción de arena. Lafase real de los disparos en la formación depende del radio del hueco y de la densidad de disparo. Un nuevo método desarrollado y patentado por Schlumberger permite diseñar cañones con un ángulo de fase que maximizalas distancias (L1, L2 y L3) entre los orificios. El objetivo de una densidad dedisparo determinada consiste en preservar la formación involucrada tantocomo sea posible sin perjudicar la tasa de flujo por disparo.

Verano de 2000 73

Se ha desarrollado un método para diseñarcañones con la fase óptima y la distancia máximaentre los orificios destinado a reducir aún más elriesgo de colapsos en la formación entre los dis-paros (página previa, arriba).41 Al ajustar elángulo de fase para un radio de hueco dado y unadensidad de disparo determinada, se puedeincrementar la distancia entre los disparos paraevitar la interacción entre los disparos adya-centes. La optimización de la fase minimiza lasinterferencias y la vinculación con las zonasdañadas adyacentes, lo cual reduce el riesgo defalla de la formación sin perjudicar la tasa deflujo por cada disparo.

La efectividad de utilizar un ángulo de faseóptimo quedó demostrada en el campo Magnusde BP Amoco ubicado en el Mar del Norte. Laestrategia original consistía en utilizar cañonescon 6 dpp y un ángulo de fase de 60° (abajo). En1997, se cambió por un ángulo óptimo de 99°manteniendo la misma densidad de disparo y tipode carga. Los pozos agujereados con los nuevoscañones tuvieron menos problemas relacionadoscon la producción de arena. El aumento del espa-ciamiento de los disparos para lograr el ánguloóptimo del cañón resulta fundamental com-parado con el ángulo estándar. En el caso delcampo Magnus, suponiendo que se utiliza uncañón centralizado, se incrementó el espacia-miento mínimo entre los disparos de 4,88 a 7,61pulgadas [12,4 a 19,4 cm]—un aumento del56%—mediante el cambio de fase de 60 a 99°.

En las aplicaciones para prevención de produc-ción de arena se prefiere utilizar el desbalance y elángulo de fase óptimos junto con cargas de pene-tración profunda. Los cañones con densidad dedisparo ultraelevada con penetración profundatambién se han utilizado para prevenir el arena-miento en rocas débiles pero consolidadas. Detodos modos, a pesar del uso de técnicas de dis-paro para la prevención de arena, el flujo de pro-ducción puede transportar volúmenes limitados dedetritos desde las zonas trituradas y los túneles delos disparos. Como en el caso del control de arena,es necesario tener en cuenta la producción transi-toria de arena en la superficie hasta que se lograla limpieza completa de los disparos.

Una estrategia global de disparoEl campo Britannia es un yacimiento de gas ubi-cado en el Mar del Norte y operado por Conoco yChevron (izquierda). Antes de que los pozos fuerancompletados, las principales preocupaciones eranla producción potencial de arena—estabilidad delos disparos—y el nivel de desbalance de presiónóptimo durante el disparo para minimizar o elimi-nar el daño ocasionado por el disparo. Para deter-minar cuáles eran las condiciones óptimas dedesbalance se utilizaron modelos teóricos sobre labase de las propiedades de la formaciónderivadas de los registros. Con la informacióndetallada de los registros de permeabilidad, se lle-varon a cabo numerosas simulaciones para eva-luar los cañones, las cargas, las densidades dedisparo y las estrategias de disparo. A partir deestas simulaciones, los diseños finales de lascompletaciones incluyeron diseños específicos decargas y densidades de disparo para las diversassecciones de la formación, en lugar de utilizar laspropiedades promedio para determinar losparámetros de los disparos.42

En líneas generales, los cuatro aspectos fun-damentales de los disparos que tienen mayorimpacto sobre la productividad y desempeñan unrol importante en cuanto al éxito de la com-pletación del pozo son: las dimensiones del dis-paro (longitud y diámetro), la densidad dedisparo, los ángulos de fase y el nivel de dañoprovocado por los disparos. Para seleccionar losparámetros del sistema de cañón para la opti-mización de la completación, se realizó un análi-sis teórico de la eficiencia de la completación pormedio de programas de análisis de compor-tamiento del pozo o análisis NODAL. En el estu-dio del campo Britannia, también se tuvieron encuenta las variaciones de la litología. Medianteel uso de los datos de registros y núcleos se pudodeterminar la productividad de las distintascapas individuales tomando como base la con-ductividad y el daño de la formación. Se

39. Venkitaraman A, Behrmann LA y Noordermeer AH:“Perforating Requirements for Sand Prevention,” artículode la SPE 58788, presentado en el Simposio Internacio-nal de la SPE sobre Control del Daño de la Formación,Lafayette, Luisiana, EE.UU., Febrero 23-24, 2000.

40. Sulbaran AL, Carbonell RS y López-de-Cárdenas JE:“Oriented Perforating for Sand Prevention,” artículo dela SPE 57954, presentado en la Conferencia Europeasobre Daño de la Formación de la SPE, La Haya,Holanda, Mayo 31- Junio 1, 1999.

41. Behrmann LA: “Apparatus y Method for Determining anOptimum Phase Angle for Phased Charges in a Perfora-ting Gun to Maximize Distances Between Perforations ina Formation,” Patente de EE.UU., No. 5.392.857 (Febrero 28, 1995).

42. Underdown DR, Jenkins WH, Pitts A, Venkitaraman A y LiH: “Optimizing Perforating Strategy in Well Completionsto Maximize Productivity,” artículo de la SPE 58772, pre-sentado en el Simposio Internacional de la SPE sobreControl del Daño de la Formación, Lafayette, Luisiana,EE.UU., Febrero 23-24, 2000.

Aumento delesfuerzo

Falla de laformación

Orientación 60° Orientación 99°

> Fase óptima. La fase óptima fue utilizada con todo éxito en el campo Magnus de BP Amoco en el Mar del Norte para impedir la falla de la formación entre los disparos. La estrategia comprendíacañones de 33⁄8 pulgadas con 6 dpp con un ángulo de fase de 60° (izquierda). En 1997 se cambió a 99° manteniendo la misma densidad de disparo (derecha). Los pozos agujereados con los nuevoscañones tuvieron menos problemas relacionados con la producción de arena.

N

BraePiperClaymore

BuchanBeatrice

Montrose

Britannia

Forties

Fulmar

Aberdeen Erskine

Lomond

U K

> Ubicación del campo Britannia.

realizaron simulaciones numéricas de productivi-dad para cada capa a los efectos de determinarlos parámetros óptimos respecto de la densidadde disparo, las condiciones de penetración y eldesbalance (arriba) y se determinó una orien-tación aceptable para el cañón.

La adopción de la pautas corrientes conrespecto al desbalance conducen al uso degrandes diferencias de presión en las zonas dealta resistencia y baja permeabilidad. Esto setuvo en cuenta durante el estudio del campoBritannia en las pruebas de un solo disparo y enlas pruebas de flujo realizadas sobre rocas del

y el desbalance de presiones determinado a partirde las simulaciones. La estrategia de disparo paraeste campo fue seleccionada sobre la base de losresultados de este estudio. A partir del compor-tamiento del flujo en los núcleos del yacimientoagujereados se pudieron verificar las conclusionesprevias acerca de la sensibilidad de la formacióna los fluidos ácueos del hueco—salmuera—y seconfirmó la estabilidad de los disparos bajo condi-ciones de limpieza y desbalance pronunciado. Conun desbalance de 1000 lpc [6,9 MPa] en las prue-bas de las muestras de afloramientos se com-probó un bajo nivel de daño causado por eldisparo. El análisis del comportamiento despuésde la completación indica un factor de daño entrebajo y negativo en 12 pozos. Este método permitedeterminar el mejor diseño de disparo para cadacompletación y, además, enfatiza la necesidad deestudiar el desbalance óptimo, especialmente enlas formaciones de gas, para las mejores estrate-gias globales de completación.

Opciones de cañones y formas detransporteLas cargas huecas están colocadas en cañones yse bajan hacia el fondo del pozo hasta alcanzar laprofundidad correcta por medio de cables deacero, líneas de arrastre, tuberías de producción,sartas de perforación y tubería flexible. Existendos categorías de cañones: los desechables ysemidesechables y los sistemas recuperablesentubados (próxima página). Los cañones delprimer grupo, tales como los sistemas Enerjet yPivot Gun, se utilizan en operaciones realizadas através de las tuberías de producción y se bajancon cable de acero eléctricos y línea de arrastre.En este tipo de cañones, las cargas están expues-tas a las condiciones del pozo y se deben encap-sular en contenedores separados y resistentes ala presión. Una vez efectuado el disparo, los resi-duos de estos cañones descartables quedan en elpozo. Los sistemas recuperables entubados sonbajados con cable de acero o línea de arrastre,

74 Oilfield Review

Intera

cción

del ch

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fluido

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Presió

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Se form

a la c

ola de

l chorr

oRespuesta de la columna de fluido

Ocurrencia de los eventos del disparo luego de la detonación de la carga

10 100 1000microsegundos milisegundos

Tiempo

1 10 100 1000

Respuesta del yacimiento

> Tiempos en la secuencia de los eventos del disparo. Los sistemas de disparo actuales no se limitan a bajar y disparar las sartas de cañones. Con frecuencia, estos sistemas instalan los empacadores,comienzan las pruebas de presión, disparan más de un intervalo e inician las funciones de la herra-mienta de fondo; todo en una sola operación. Por ejemplo, los tiempos de la detonación de la carga, las vibraciones resultantes, la respuesta del yacimiento y las funciones de las herramientas se encuentran coordinadas para garantizar que los cañones caigan hasta el fondo del hueco.

X300

X200

X100

X0001.000

Desbalance, lpc

Prof

undi

dad,

pie

s

Permeabilidad, mD10.000 0 300

Zona

BC

Espesor de la formación, pies

10,510

Permeabilidad, mD

98,5620,3

Esfuerzo ilimitado, lpc

89289346

Porosidad, %

1,7713,54

Caída de presión, lpc (tasa, MMpcs/D)Tasa 1 Tasa 2 Tasa 3 Tasa 4227 (20)259 (5)

822 (40)643 (10)

1739 (60)1181 (15)

3401 (80)1935 (20)

Espesor del daño alrededor del hueco,

pulg

246810

no se aplica4,914,384,033,68

no se aplica4,994,403,713,12

0,7960,6460,5730,526

no se aplica

0,8970,7110,6190,527

no se aplica

Indice de productividad, MMpcs/D/100 lpc

5 dpp, carga A 12 dpp, carga X 5 dpp, carga A 12 dpp, carga XZona C (20,3 mD)Zona B (98,56 mD)

< Optimización de las estrategias de disparo. En el campo Britannia se tuvieron en cuenta lasvariaciones de litología en lugar de utilizar las pro-piedades promedio del yacimiento. La zona B pre-sentaba mayor daño de formación a mayor pro-fundidad comparada con la zona C. En la zona Bse utilizó la carga A a razón de 5 dpp, arrojando unaumento de la productividad del 15 %. En la zonaC se utilizó la carga X a razón de 12 dpp, lográn-dose un aumento de la productividad del 10%.

yacimiento y rocas de afloramientos en el labora-torio de flujo avanzado en el SRC de Rosharon,Texas. Otro tema de preocupación es la produc-ción potencial de arena provocada por el colapsode los disparos, lo que también fue consideradoen los estudios de un solo disparo en los que sesimularon los esfuerzos y las condiciones defluencia del fondo.

Las pruebas de laboratorio confirmaron laspredicciones teóricas en cuanto al desbalance y laestabilidad de los disparos. Los núcleos delyacimiento y de los afloramientos fueron agujerea-dos utilizando las condiciones de fondo simuladas

43. En junio de 1999 se disparó con éxito el cañón más largohasta el momento (un HSD especial de diámetro variable)en el Pozo M-16 en el campo Wytch Farm de BP Amocoen el sur de Inglaterra. Esta sarta de cañones que marcaun récord mundial tiene una longitud de 2616 m [8583pies] desde el tope hasta el fondo y dispara con más de25.000 cargas de penetración profunda CleanSHOT.

Verano de 2000 75

tuberías de producción o sartas de perforaciónoperadas por equipos de perforación y reparacióno unidades para entubar contra presión, o bien portubería flexible con o sin línea eléctrica. En estoscañones, las cargas y la mayor parte de los detri-tos se encuentran contenidas dentro de trans-portadores huecos de acero que son recuperados,o liberados y abandonados en el fondo una vezcompletada la operación.

Los cañones que operan a través del revesti-dor y las tuberías de producción, tanto loscañones desechables/semidesechables como lossistemas recuperables entubados, se bajabananteriormente con cable de acero, pero a princi-pios de la década del 80 adquirieron gran popu-laridad los cañones de Alta Densidad de DisparoHSD bajados con la tubería de producción (TCP).El tamaño y la longitud de los cañones que

operan a través de las tuberías o del revestidor ylos cañones HSD se encuentran limitados por eldiseño de la completación del pozo y elequipamiento de superficie para el control de lapresión. El uso de desbalance también está limi-tado cuando los cañones se corren con líneaseléctricas. Los cañones bajados con las tuberíasde producción ofrecen una amplia variedad deopciones y permiten desbalance simultáneo paradisparar en intervalos prolongados.43

Hoy en día, la tecnología de disparo no seencuentra limitada a las operaciones tradi-cionales de bajar las pistolas o cañones y efec-tuar los disparos. Por el contrario, los sistemasde disparo constituyen una parte integral delequipo de completación del pozo y de las opera-ciones de completación diseñadas para realizaroperaciones múltiples en las completacionespermanentes, como colocar empacadores,realizar pruebas de presión, disparar uno o másintervalos e iniciar las funciones de las herra-mientas; todo ello en una única operación. Lostiempos de los eventos de disparo, como la deto-nación de las cargas, las vibraciones resultantesy la liberación del cañón, se utilizan para garan-tizar que los cañones TCP se liberen y caiganinclusive en los pozos muy desviados (páginaprevia, abajo). Los cañones han sido liberados ydesechados con éxito en pozos con desviacionesde hasta aproximadamente 84°.

Operaciones de fondo—La línea de Herra-mientas X (X-Tools) de completación y disparohan sido diseñadas para realizar funcionesespecíficas como desenganche rápido y caída delas sartas de cañones una vez completado el dis-paro y la apertura de las válvulas. Estas incluyen:la herramienta WXAR, transportada con cable deacero o tubería flexible activada por explosióncon desenganche automático, la herramientaSXAR, activada por explosión con desengancheautomático, la herramienta MAXR de un solodiámetro, anclada con desenganche porexplosión, la válvula de producción activada porexplosión SXPV y la herramienta SXVA, conabsorbente de vibraciones verticales y activadapor explosión. Todas estas funciones se inicianpor medio de un explosivo que actúa en la mismacadena balística que los cañones. Estos disposi-tivos explosivos se activan después del disparode los cañones, lo cual aumenta en gran medidala versatilidad de las operaciones de com-pletación y disparo.

Longitud del cañón y disparo sin matar los po-zos—Tanto el peso total de las sartas largas decañones como el descenso y recuperación de loscañones bajo presión restringen las operacionesde disparo en las que se utilizan cables de acero,tuberías flexibles o tuberías de producción. Sin

Enerjet recuperable

Enerjet expansible

Enerjet estándar

Cañones desechables y semidesechables

Sistemas recuperables entubados

Cerrado111/16 pulg

Desplegado3,79 pulg

Cañón HSD de 1,56 pulg 4 dpp

fase cero

Cañón HSD de 2,0 pulg 6 dpp,

faseespiralada de 60˚

Cañón HSD de 2,25 pulg 6 dpp,

faseespiralada de 60˚

Bigshot de 5,85 pulg 18 dpp,

fase 120˚/60˚

Empaquetado de carga patentado

Bigshot de 6 5/8 pulg 18 dpp, fase

120˚/60˚g

Cañón Pivot

Tubería

Revestidor

> Tipos de cañones. Cañones desechables y semidesechables y sistemas recuperables entubados. Ala derecha se observan algunos ejemplos. Los cañones desechables y semidesechables son bajadoscon cable de acero o línea de arrastre a través de las tuberías de producción. Las cuerdas detonantesse encuentran expuestas a las condiciones de fondo, de manera que las cargas se encapsulan encontenedores resistentes a la presión. Los cañones descartables que se bajan a través de la tubería de producción, generan residuos, los que permanecen en el pozo una vez terminada la operación. Lossistemas recuperables entubados, o cañones de revestidores, son bajados con cable de acero, tuberíade producción o tubería flexible y se pueden diseñar de manera tal que retengan los residuos dentrodel tubo transportador. La detonación ocurre dentro del tubo transportador bajo presión atmosférica.

embargo, estas limitaciones se superan utili-zando los sistemas permanentes de completacióny disparo (PCP, por sus siglas en Inglés).

El sistema de cañones apilables GunStack,también denominado CDAD (Conjunto de Fondopara Completaciones y Desconexión), permiteensamblar en el fondo varias secciones decañones hasta cualquier longitud con o sin el usode un equipo de perforación o terminación. Esteequipamiento se puede bajar y recuperar conlínea de arrastre, cable de acero eléctrico otubería flexible y permite disparar con desba-lance en intervalos prolongados en una solacarrera. Por otra parte, las secciones del cañón sepueden recuperar sin matar el pozo cuandoresulte necesario, por lo cual este sistema sepuede utilizar para disparar pozos sin interrumpirla producción. En combinación con las técnicasdel tipo WXAR o MAXR, el sistema GunStack, oel CDAD, también permiten correr los cañones ensecciones de acuerdo con la longitud disponibledel lubricador y la capacidad de carga del métodode transporte e instalación.

La primera sección del cañón se corre y seconecta a un ancla de fondo, tapón obturador oempacador colocado con cable de acero para uncontrol preciso de la profundidad. La sarta decañones también se puede asentar sobre el fondodel pozo. En esta configuración, la sarta no seencuentra anclada. Las secciones consecutivasse ensamblan y se conectan una encima de laotra hasta que se alcanza la longitud necesaria.Los cañones se pueden desconectar en cualquiermomento en forma mecánica. Por otra parte, losconectores se desconectan automáticamentedespués de un retraso que se produce despuésde la detonación del cañón, lo cual impide que lassecciones se muevan hacia arriba durante ladetonación y suaviza la oleada inicial causadapor el desbalance, Además, permite disparar lospozos con el máximo nivel de desbalance.

El sistema de Inserción de la Completación yRecuperación bajo Presión CIRP fue diseñado demanera tal que todo el proceso de ensamble delas sartas de cañones en la superficie, así comola introducción de los cañones en los pozos y laextracción y desarmado de los mismos se puedanrealizar sin matar los pozos. El sistema CIRP per-mite bajar una sarta larga de cañones en los po-zos bajo presión utilizando cable de acero otubería flexible, por lo cual se puede disparar latotalidad de un intervalo en una sola operación ycon un desbalance apropiado. Al poder recuperary desarmar los cañones bajo presión ya no haynecesidad de aumentar la profundidad final delpozo para alojar los cañones desechados ni dematar los pozos después del disparo. El sistemaCIRP se utiliza con cañones de 2 a 4,5 pulgadas

de diámetro. Se han corrido cañones de 610 m[2000 pies] de largo con un máximo de 60conectores.

La Válvula de Aislamiento de la FormaciónFIV, integrada dentro del diseño de completaciónpermanente, permite bajar en los pozos sartas decañones de gran longitud sin necesidad de con-trolar la sobrepresión hidrostática. Se trata deuna válvula de completación de diámetro pleno,que normalmente se corre por debajo de unempacador permanente, y actúa como unaválvula lubricadora en el fondo del pozo que aislalos intervalos agujereados de la columna de pro-ducción que se encuentra encima. La longitud delcañón por bajada está limitada sólo por lasrestricciones de la carga admitida por el métodode transporte utilizado.

Una vez terminada la operación de disparo,los cañones se levantan por encima de la herra-mienta FIV, que se cierra por medio de un meca-nismo de cambio de posición que se encuentra alfinal de la sarta de cañones. La presión del pozose alivia a través de una válvula de purga y serecuperan los cañones. A continuación se abre laherramienta FIV para iniciar la producción, apli-cando una secuencia predeterminada de ciclosde presión. La herramienta FIV se puede abrir ycerrar un número infinito de veces con un meca-nismo de cambio de posición. Este sistema deválvula fue desarrollado para el campo Andrewde BP Amoco ubicado en el Mar del Norte.44

A partir del éxito de la herramienta FIV se di-señó la válvula de aislamiento al tope de la cañe-ría corta (LTIV, por sus siglas en Inglés), que operabajo los mismos principios. La LTIV es una válvulaesférica de pleno diámetro que aisla lasformaciones de los fluidos de completación unavez que una zona ha sido completada con unatubería corta no cementada. La herramienta LTIVse corre directamente por debajo del empacadordel colgador de la tubería corta y se puede abriry cerrar tantas veces como sea necesario. Unavez que la válvula esférica está cerrada, la for-mación queda aislada del fluido de completaciónhasta que el pozo se encuentra listo para iniciarla producción. La válvula mantiene la presiónexistente por encima y por debajo, lo cual la haceadecuada para su uso como barrera a largo plazo.

Pozos muy desviados—En los pozos muydesviados y en los pozos horizontales, puedeocurrir que el cable de acero no permita eldescenso de los cañones si no se utiliza unmecanismo de arrastre. En estos casos es preferi-ble utilizar tubería flexible, a menos que una sec-ción horizontal sea tan larga que se atasque latubería flexible y se produzca una flexión heli-coidal antes de alcanzar el intervalo que se debedisparar. Los mecanismos de arrastre también sehan utilizado con éxito para extender el alcancemáximo de la tubería flexible. En muchos de lospozos sumamente desviados o de alcance exten-dido que se perforan hoy en día, es probable quelos sistemas TCP o PCP representen las mejoresopciones para el disparo.

Si se debiera ejercer una fuerza mecánicapara jalar o empujar un sistema de cañones, elsistema TCP, las unidades para entubar contrapresión, la tubería flexible y los mecanismos dearrastre ofrecen mayor versatilidad que loscables de acero eléctricos y las líneas de arras-tre. En el caso de las sartas de cañones largascomo las que se utilizan en los pozos horizon-tales, se debe tener en cuenta la resistencia a latracción en el diseño de las mismas. Se han utili-zado con todo éxito adaptadores de granresistencia y sartas de cañones de diámetrovariable. Por otra parte, también se debe simulary tener en cuenta la flexión de los cañones.

La tecnología de bajada de los cañones haevolucionado desde los primeros cañones baja-dos con líneas eléctricas y con la tubería de pro-ducción o la sarta de perforación y, en laactualidad, incluye las tuberías flexibles, con osin línea eléctrica, las unidades para entubarcontra presión, las líneas de arrastre y los meca-nismos de arrastre de fondo operados con cablede acero y tuberías flexibles. Cada método detransporte tiene sus ventajas y desventajas rela-cionadas con la realización de las operacionesen el fondo, la longitud de los cañones y el con-trol de la presión, la posibilidad de disparar sinmatar los pozos, la resistencia mecánica y elángulo del hueco, la correlación de la profundi-dad, las intervenciones sin equipo de per-foración/terminación y el tipo de cañón utilizado.Para optimizar el diseño de los disparos, se

76 Oilfield Review

Bajo ciertas condiciones, es necesario un alto nivel de desba-

lance para limpiar los disparos y generar el flujo posterior al

disparo. Cuando los cañones se bajan con cable de acero, esto

es posible sólo si se anclan los cañones durante los disparos

para impedir que los cañones asciendan a causa del impacto.

A través de la tubería de producción

SXAR

MAXR

WXAR

FIV

CIRP operado a cable

CIRP operado con tubería flexible

GunStack (CDAD)

1 Se requiere equipo de perforación/terminación

para la instalación, pero no para el disparo3

Los cañones se hallan en sitio y dificultan la limpieza

2 Mejores resultados en completaciones de

pequeño diámetro4

Requiere un transportador de cañones apropiado

Yacimiento TécnicaEconomía

1

3

3

3

3 44

1

1

2

4

Nunc

a cer

rar e

l poz

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te de

sviad

os

Nuev

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ción,

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Pozo

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Repa

racio

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No se

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term

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Ventaja

Limitaciones

> Opciones de sistemas de transporte de los cañones. Para optimizar las operaciones de disparo, sedeben ponderar las ventajas, desventajas y limitaciones de todos los sistemas de cañones considera-dos para cada completación específica. Esta tabla enumera los beneficios económicos, técnicos yprácticos de los equipos que se utilizan para disparar sin necesidad de matar el pozo.

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deben ponderar todas las ventajas y desventajascorrespondientes a los sistemas de cañones quese consideran adecuados para cada com-pletación específica (derecha). Otras considera-ciones incluyen el desbalance de presión y laduración de las operaciones.

Desbalance—Las opciones de disparo condesbalance han llegado a un alto nivel de sofisti-cación como resultado del hardware disponiblepara los sistemas TCP y PCP y los dispositivos deanclaje operados por cable de acero. Cualquierasea el método utilizado, por lo general es posibledisparar con el desbalance suficiente. Las excep-ciones prácticas en las que no se puede alcanzarel nivel óptimo de desbalance son los yacimien-tos agotados, los pozos poco profundos o lospozos con disparos abiertos existentes.

Bajo ciertas condiciones, es necesario un altonivel de desbalance para limpiar los disparos ygenerar el flujo posterior al disparo. Cuando loscañones se bajan con cable de acero, esto esposible sólo si se utilizan los dispositivos deanclaje durante los disparos para impedir que loscañones asciendan a causa del impacto. Estosdispositivos de anclaje también se recomiendancuando no se conoce el nivel de desbalance y loscañones se encuentran expuestos a un ingresosúbito del fluido, como por ejemplo, cuando sedisparan nuevos intervalos en formaciones conintervalos productores que presentan nivelesdiferentes de agotamiento.

La herramienta de disparo con anclaje opera-da por cable de acero (WPAT, por sus siglas enInglés) fue desarrollada para anclar los cañonesen pozos de pequeño diámetro con completacio-nes de un solo diámetro y para impedir que los ca-ñones se movieran después de la detonación. Eldispositivo WPAT, que ahora se encuentra dispo-nible en dos tamaños (uno para cañones de 2 pul-gadas de diámetro para tuberías de 27⁄8 pulgadasy el otro para cañones de 21⁄4 ó 21⁄2 pulgadas paracompletaciones de 31⁄2 pulgadas), contrarrestapotencialmente las grandes fuerzas generadaspor los fluidos que pueden impulsar los cañoneshacia arriba con consecuencias desastrosas.

La aplicación principal del dispositivo WPAT esdisparar con un desbalance extremadamente altoy, además, proteger los puntos débiles del cablecuando se alcanza un alto esfuerzo a la tracción.

La herramienta cuenta con mecanismos posi-tivos de anclaje y desenganche. Las cuñasmecánicas están diseñadas para no causar dañosy, si los cañones quedan aprisionados después dela operación, pueden recuperarse accionando lospercusores hacia arriba.

Un orificio calibrado que mide el petróleo auna tasa específica provee el período de espera,que se puede fijar hasta un máximo de una hora;

tiempo suficiente para establecer un desbalance,disparar y conducir una prueba de fluencia. Laherramienta se libera en forma automática unavez transcurrido el tiempo programado. Además,se puede configurar en dos formas: una operasobre la presión del pozo y la otra, para un huecoseco, opera sobre la presión suministrada por unabotella de gas que forma parte del sistema.

Duración de las operaciones—La duración delas operaciones varía en cada pozo. Si los inter-valos son verticales y cortos—menos de 12 m [40pies]—y están agujereados en condiciones debalance o de sobrepresión, por lo general el dis-paro operado por cable de acero se puede realizaren cuestión de horas y puede resultar el métodomás eficiente. Si el intervalo es más largo o tienevarias secciones, las operaciones mediante cablede acero requieren más de un viaje, lo cualimpide el uso del desbalance durante las corridassubsiguientes de los cañones. A medida queaumenta la desviación del pozo, el tiempo deoperación también aumenta, especialmente si elpeso de la sarta de cañones es bajo y se utiliza un

equipo de control de la presión instalado en lasuperficie. Cuando la desviación del pozo superalos 65°, se deben utilizar otros métodos detransporte como el TCP y el PCP que requierenun tiempo de operación más prolongado. Si losintervalos fueran mucho más largos, la duracióntotal de TCP es más corta que las operacionesefectuadas con cable de acero y la totalidad delintervalo se puede disparar con desbalance paralograr una óptima limpieza de los disparos.

44.Patel D, Kusaka, Mason J y Gomersall S: “The Developmentand Application of the Formation Isolation Valve,” presen-tado en la Conferencia y Exhibición Mediterránea deOperaciones Marinas, Ravenna, Italia, Marzo 19-21, 1997.Kusaka K, Patel D, Gomersall S, Mason J y Doughty P:“Underbalance Perforation in Long Horizontal Well inthe Andrew Field,” artículo de la OTC 8532, presentadoen la OTC, Houston, Texas, EE.UU., Mayo 5-6, 1997. Mason J y Gomersall D: “Andrew/Cyrus Horizontal WellCompletions,” artículo de la SPE 38183, presentado en laConferencia Europea sobre Daño de la Formación, LaHaya, Holanda, Junio 2-3, 1997.

SeguridadEn los cañones se utilizan dos tipos de detona-dores: detonadores eléctricos, o cascos explosi-vos, y detonadores a percusión. Los detonadoreseléctricos convencionales están expuestos aaplicaciones accidentales de energía a partir dediferencias del potencial eléctrico (EPD, por sussiglas en Inglés), lo cual constituye un peligro.Los detonadores a percusión que se utilizan enlos sistemas TCP se disparan en forma mecánicacuando una clavija de disparo golpea una mem-brana sellada a presión y detona un explosivoprimario.

El Equipo de Disparo Activado por ImpactoS.A.F.E. fue desarrollado para ser inmune a todaslas diferencias de potencial creadas por las radio-frecuencias, las corrientes de los sistemas de pro-tección catódica a la corrosión, las soldaduraseléctricas, las líneas de energía de alta tensión ylos motores de inducción como los utilizados en sis-temas ‘topdrive’ de los equipos de perforación. Es-te sistema elimina la necesidad de suspender las

comunicaciones radiales vitales y los equipos du-rante el desarrollo de las operaciones de disparo.45

En el sistema S.A.F.E. el mecanismo de deto-nación es un Activador de Explosión (EFI, por sussiglas en Inglés) en lugar de un explosivo pri-mario. Para disparar un cañón, se carga un capa-citor que se encuentra en el cartucho electrónicode fondo y que luego produce una descarga enforma abrupta. El calor generado por estadescarga vaporiza una sección del disco delgadode metal, el cual golpea una carga explosivaadyacente pre-formada con la energía suficientepara hacerla detonar. Esta detonación corta unpequeño disco de aluminio que impacta un deto-nador que hace disparar el cañón. El equipoS.A.F.E. presenta la gran ventaja de que elensamble al pie del pozo es más rápido que en elcaso de los detonadores eléctricos convenciona-les. Las desventajas son el costo y el tamaño, yaque quita espacio al lubricador.

El detonador Secure es un dispositivo del tipoS.A.F.E. de tercera generación que también utiliza

un EFI, ya que no contiene explosivos primariosni un cartucho electrónico en el fondo. Un micro-circuito realiza las mismas funciones que el car-tucho electrónico y el EFI juntos, en un empaquecuyo tamaño es similar al del detonador eléctricoconvencional. El sistema Secure tiene todas lasventajas técnicas de los detonadores S.A.F.E.,pero resulta más confiable, es totalmentedescartable y es más pequeño, de manera quelas sartas de cañones pueden ser más cortas.

Diseño y análisis de las operaciones de disparoPara diseñar las completaciones con disparos sepuede utilizar el software de Análisis deOperaciones de Disparo de Schlumberger SPAN,que predice la eficiencia de la operación de dis-paro bajo condiciones de fondo.46 El programacombina módulos que estiman la penetración enel fondo, calculan la productividad y determinanel nivel óptimo de desbalance. En el primermódulo, se estiman la profundidad de la pene-tración y el tamaño del hueco, que se utilizan enel segundo módulo para calcular la productividaddel pozo. En el tercer módulo, se determina eldesbalance óptimo para los disparos con factorde daño nulo, utilizando algoritmos para los cri-terios de desbalance aceptados corriente-mente.47 Cuando los cálculos no se puedenrealizar mediante el uso de algoritmos, como enel caso de la corrección de la penetración depruebas de superficie por los efectos ambien-tales en sitio tales como la resistencia de la rocay los esfuerzos de la formación, se utiliza unaextensa base de datos que incluye el rendimientode los disparos sobre núcleos o muestras dearenisca Berea, datos API y resultados de otraspruebas.

En el modo de diseño, este software permiteseleccionar los sistemas de cañones sobre labase de los parámetros específicos del pozo: lageometría de la completación, los fluidos en elpozo y el desbalance seleccionado (izquierda).Cuando el desbalance real es menor que el míni-mo exigido para lograr un daño nulo, se calculael factor de daño del disparo provocado por eldaño residual para estimar la reducción de laproductividad.

El programa SPAN también se puede utilizarpara analizar la producción después que lospozos han sido completados o recompletados. Silos datos de producción real coinciden con loscálculos del programa SPAN, la completacióncon disparos se considera exitosa. Cuando no sealcanzan los objetivos de producción, es nece-sario determinar las razones, que pueden ser lainvasión profunda de la formación, la remociónincompleta del daño, o bien haber partido de

78 Oilfield Review

Cañón12345

Fase dppDescripción41/2 pulg HSD UltraJet41/2 pulg HSD PowerJet111/16 pulg Enerjet21/8 pulg Power Enerjet41/2 pulg HSD UltraJet

Rela

ción

de

la p

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año

Zona triturada versus permeabilidad de la formación, kc/k

Cañón 2Cañón 5Cañón 1

Cañón 4

Cañón 3

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

Relación de anisotropía: 10Espesor de la zona dañada: 4 pulg

Relación de la zona dañada versus permeabilidad de la formación, kd/k: 0,5Espesor de la zona triturada: 1 pulg

SPAN Versión 6.0© Copyright 1999 Schlumberger

135°72°0°0°

72°

125465

> Diseño y análisis de las operaciones de disparo. El programa de Análisis de Operaciones de Disparode Schlumberger SPAN se utiliza para pronosticar la eficiencia de las completaciones y seleccionar elmejor sistema de cañones. Los cálculos de desbalance se basan en los criterios más modernos. Si eldiferencial real de presión es menor que el desbalance mínimo para alcanzar el daño nulo, se calculael factor de daño provocado por el daño residual para mostrar la reducción de la productividad. Eneste caso la productividad se calcula para cinco tipos de cañones con varias densidades de disparo y distintos ángulos de fase.

Verano de 2000 79

suposiciones incorrectas. Por otra parte, como elprograma SPAN también incorpora aspectosgeológicos, resulta útil para integrar las descrip-ciones del yacimiento en el diseño de las opera-ciones de disparo.48

Disparo inteligenteTodos los pozos revestidos deben tener orificiospara poder producir hidrocarburos, pero las dis-tintas combinaciones de yacimientos y completa-ciones tienen diferentes exigencias al respecto.Debido a que el disparo es un elemento tancrítico para la productividad del pozo, los requeri-mientos de cada pozo deberían ser optimizadossobre la base de las propiedades específicas dela formación. El mejor modo de alcanzar esto escomprender de qué manera responden losyacimientos a las completaciones naturales,estimuladas y las completaciones específicaspara el manejo de la arena. Los factores que sedeben tomar en cuenta son: la resistencia a lacompresión y los esfuerzos de la formación, lapresión y la temperatura del yacimiento, el espe-sor y la litología de la zona, la porosidad, la per-meabilidad, la anisotropía, el daño y el tipo defluido (gas o petróleo).

Las formaciones duras, de alta resistencia, ylos yacimientos dañados por los fluidos de per-foración son los que más se benefician de los dis-paros de penetración profunda que atraviesan eldaño de la formación y aumentan el radio efec-tivo del hueco. Los yacimientos de baja permea-bilidad, que necesitan estimulación porfracturación hidráulica para producir en formaeconómica, requieren disparos espaciados yorientados correctamente. Las formaciones noconsolidadas que pueden producir arena necesi-tan orificios grandes, que permiten reducir lacaída de presión y se pueden empacar con gravapara mantener las partículas de la formaciónfuera del disparo y del hueco. Los disparos tam-bién se pueden diseñar a fin de prevenir la falladel túnel y de la formación provocados por la pro-ducción de arena.

En el pasado, el hecho de integrar las consi-deraciones relativas a la formación y a los dis-paros, incluyendo el desbalance, constituía unaexcepción y no una regla. Si bien se disponía dela teoría y del software necesarios para analizarel comportamiento de los disparos, las deci-siones relativas a las completaciones casi siem-pre se basaban en las propiedades promedio dela formación o en las limitaciones de los disparosno relacionadas con la productividad. Hoy en día,en cambio, la actitud predominante consiste enpensar en términos de lo que es más convenientepara el yacimiento. Los operadores consideranlas necesidades de desarrollo de cada campo en

particular y luego seleccionan las mejores técni-cas de completación y el hardware disponibles.

Ahora bien, algunas veces los equipos están-dares y los servicios convencionales no se ajus-tan a estas necesidades, por lo cual es precisodesarrollar nuevas herramientas, procedimientosy servicios: cargas huecas, equipos de com-pletación, alternativas de transporte y aplica-ciones para condiciones de desbalance,sobrepresión o sobrepresión extrema. Comoresultado de ello, buena parte de los recursos deingeniería y de investigación de Schlumbergerestán dedicados al desarrollo de solucionesespeciales. Muchos de estos nuevos desarrollosterminan por convertirse en productos y serviciosestándares que amplían el rango de opcionesdisponibles para los operadores. Los mejores di-seños se basan en las exigencias específicas delos pozos con el fin de optimizar la producción.Este enfoque de sistemas globales—denomi-nado disparo inteligente—pone énfasis en lastécnicas que maximizan la productividad del pozoy ayudan a los operadores a obtener los mayoresbeneficios a partir de las soluciones disponiblespara superar los dilemas asociados con las com-pletaciones con disparos de los pozos (arriba).

Al adaptar los diseños de los disparos a losyacimientos específicos, la tecnología de disparose integra con la geología, la evaluación de lasformaciones y las técnicas de completación para

determinar cuáles son los equipos, la cargahueca, el sistema de transporte, el método deinstalación y las condiciones de presión más ade-cuadas para realizar operaciones de disparoeficientes y efectivas. Gracias a las simulacionescomputarizadas utilizadas para comparar elcomportamiento real con respecto a las expec-tativas del diseño, se podrán perfeccionar lasherramientas y los métodos existentes parahacerlos más efectivos. El objetivo final consisteen diseñar soluciones específicas para maximizarla productividad de cada pozo. —MET

InvestigaciónConsideraciones

del yacimientoLimitaciones del

equipamiento estándarDisparo

inteligente

Herramientas activadas

por cañones

Ancla operada a cable

Requisitos de la formación

Rocas duras

Requisitos del pozoDisparo

sin matar el pozo

Control de la producción

de arena

Cañones descartables

Sistemasrecuperables

entubados

Métodos de transporte

para TCP y PCP

Estimulación por fractura hidráulica

Fase Orientación opcional

Empaque de grava en una sola operación

DesbalanceAngulo de fase Pozos con

tasas altas

Pozos altamente desviados

Alta densidad

de disparos

Fracturasnaturales

Cañones que dejan pocos

residuosDaño de la formación Cargas de

hueco amplio

Control de producciónde arena

Productividad del pozo

Daño inducido por el disparo

Soluciones adaptadas a necesidadesespecíficas

Cargas de

penetración profunda

Densidad de disparos

Tamaño del hueco

> Organización de las piezas del rompecabezas. Las diversas opciones de disparo y una gran variedad defactores relativos a la completación del pozo aumentan en forma exponencial el número de decisionesque se deben tomar antes de comenzar la operación de disparo. Un enfoque de sistemas de disparointeligente permite a los operadores obtener mayores beneficios a partir de las soluciones de disparodisponibles para superar los dilemas técnicos relacionados con las completaciones con disparos.

45. Huber KB y Pease JM: “Safe Perforating Unaffected byRadio and Electric Power,” artículo de la SPE 20635, pre-sentado en la Conferencia y Exhibición Anual No 65 dela SPE, Nueva Orleáns, Luisiana, EE.UU., Septiembre 23-26, 1990.Huber et al: “Method and Apparatus for Safe TransportHandling Arming and Firing of Perforating Guns Using aBubble Activated Detonator,” Patente de EE.UU., No.5.088.413 (Febrero 18, 1992).Lerche et al: “Firing System for a Perforating GunIncluding an Exploading Foil Initiator and an OuterHousing for Conducting Wireline Current and EFICurrent,” Patente de EE.UU., No. 5.347.929 (Septiembre 20, 1994).

46. Carnegie A: “Application of Computer Models toOptimise Perforating Efficiency,” artículo de la SPE38042, presentado en la Conferencia de Petróleo y Gasdel Pacífico y Asia de la SPE, Kuala Lumpur, Malasia,Abril 14-16, 1997.

47. Behrmann y Elbel, referencia 32.48. de Araujo PF y Coelho de Souza Padilha TC: “Integrating

Geology and Perforating,” World Oil 218, no. 2 (Febrero de 1997): 128-131.