7.1 DETERMINAR EN QUE CONSISTE LA L A APLICACIÓN DE UNA PERFORACION DIRECCIONA. OBJETIVOS Y APLICACIONES DE LA PERFORACION DIRECCIONAL La perforación fue inicialmente usada como una operación de remediación. En desvíos de pozos por herramientas dejadas, pérdidas o atascadas, retornado luego al pozo a la verticalidad, así como pozo de alivio para matar un pozo descontrolado o en reventón. La perforación direccional es la ciencia y el arte que se ocupa de dirigir un agujero a lo largo de una trayectoria predeterminada para intersecar un objetivo sub-superficial pre-definido. Tanto la locación de origen como el objetivo, están dados por un sistema de coordenadas. 1. Pozos multilaterales desde una plataforma offshore.- La perforación de
pozos múltiples en offshore (mar adentro) es la manera más económica de desarrollar un campo offshore. Muchos pozos direccionales son perforados en grupos (ramas) sobre una plataforma offshore (mar adentro).
2. Pozos de alivio.- Los pozos de alivio son perforados para matar un pozo que se
encuentra en reventón a través de intersecar el fondo del pozo descontrolado. El pozo de alivio, es perforado de tal manera que su trayectoria intercepte tan cerca como sea posible el pozo descontrolado en el reservorio. El lodo es bombeado en el reservorio, para poder vencer la presión y controlar el pozo.
3. Desvió (Sidetrack).- Se utilizaba para la pesca de alguna herramienta perdida
en el pozo, han sido perfeccionadas para cambiar la trayectoria del pozo en lugares donde existen cambios inesperados de la configuración geológica.
4. Locaciones inaccesible.- Se utiliza este tipo de perforación cuando el
reservorio se encuentra bajo ciudades, rio o áreas medioambientalmente sensibles, por lo que se coloca la torre de perforación en zonas alejadas del objetivo.
3. Desvió (Sidetrack).- Se utilizaba para la pesca de alguna herramienta perdida
en el pozo, han sido perfeccionadas para cambiar la trayectoria del pozo en lugares donde existen cambios inesperados de la configuración geológica.
4. Locaciones inaccesible.- Se utiliza este tipo de perforación cuando el
reservorio se encuentra bajo ciudades, rio o áreas medioambientalmente sensibles, por lo que se coloca la torre de perforación en zonas alejadas del objetivo.
5. Perforación a través de fallas geológicas.- Se utiliza para minimizar el daño
que las formaciones pueden ocasionar a la tubería al perforar verticalmente, por lo que se perfora paralelamente a la línea d falla.
6. Perforación de domos salinos.- Los domos salinos suelen actuar como
trampas donde se acumula el hidrocarburo. Un pozo direccional es usado para alcanzar el reservorio y prevenir los problemas que puede ocasionar la formación salina, como la contaminación de lodo y la corrosión de la tubería.
7. Perforación onshore (tierra) hacia objetivo offshore (mar adentro).- Se
localiza la plataforma en tierra y la perforación es direccional por debajo del lecho marino, hasta alcanzar el objetivo. Es una técnica que economiza bastante ya que las torres de perforación en tierra son más baratas que las plataformas marinas.
8. Multilaterales.- Se refiere a la perforación de múltiples pozos que tienen como
origen un mismo pozo. Esto permite explorar las estructuras sin necesidad de perforar otros nuevos pozos.
9. Perforación horizontal.- Se utilizan para intersecar una formación productora
horizontalmente, con el fin de mejorar la producción del reservorio.
CONFIGURACIONES BASICAS DE LOS POZOS DIRECCIONALES
TECNOLOGÍA DE POZOS HORIZONTALES La técnica de perforación horizontal se remonta a los años 50, cuando se realizaron los primeros pozos horizontales en Rusia, y no es hasta 1970 que se obtienen las mejoras en la técnica de perforación direccional, constituyendo actualmente una tecnología de nivel avanzado y confiable. La perforación horizontal es una derivación directa de la perforación direccional. Con la aplicación de esta técnica se puede perforar un pozo direccionalmente hasta lograr un rango entre 80° y 90° de desviación a la profundidad y dirección del objetivo a alcanzar a partir del cual se iniciará la sección horizontal. Si un pozo horizontal es perforado paralelamente al plano de la arena aumenta el área de contacto entre el pozo y la formación; esto puede implicar que éste no sea totalmente horizontal. En realidad existen muy pocos pozos horizontales debido a que los yacimientos regularmente presentan buzamiento. Esto se refleja en un incremento de la productividad del pozo con respecto a un pozo vertical.
RAZONES QUE ORIGINAN LA PERFORACIÓN DIRECCIONAL Existen varias razones que hacen que se programen pozos direccionales, estas pueden ser planificadas previamente o por presentarse problemas en las operaciones que ameriten un cambio de programa en la perforación. Las más comunes son las siguientes: Localizaciones inaccesibles: Son aquellas áreas a perforar donde se encuentra algún tipo de instalación o edificación (parque, edificio), o donde el terreno por condiciones naturales (lagunas, ríos, montañas) hacen difícil su acceso.
Domo de sal: donde los yacimientos a desarrollar están bajo la fachada de un levantamiento de sal por razones operacionales no se desee atravesar el domo.
Formaciones con fallas: donde el yacimiento está dividido por varias fallas que se originan durante la compactación del mismo.
Múltiple pozo con una misma plataforma: desde la plataforma se pueden perforar varios pozos para reducir el costo de la construcción de plataformas individuales y minimizar los costos por instalación de facilidades de producción.
Pozo de alivio: es aquel que se perfora para controlar un pozo en erupción. Mediante el pozo se contrarresta las presiones que ocasionaron el reventón.
Desarrollo múltiple de un yacimiento: cuando se requiere drenar el yacimiento lo más rápido posible o para establecer los límites de contacto gas/petróleo o petróleo/agua
TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES Los pozos direccionales pueden clasificarse de acuerdo a la forma que toma el ángulo de inclinación en: Tipo Tangencial: La desviación deseada es obtenida a una profundidad relativamente llana y esta desviación se mantiene constante hasta el objetivo. Este tipo de pozo presenta muchas ventajas tales como: Configuración de la curva sencilla a lo largo de un rumbo fijo. Ángulo de inclinación moderado. Generalmente puntos de arranques someros. Menor riesgo de pega.
a) En Forma de “J”: Este tipo de pozos es muy parecido al tipo tangencial, pero el hoyo comienza a desviarse más profundo y los ángulos de desviación son relativamente altos y se tiene una sección de construcción de ángulo permanente hasta el punto final.
b) En Forma de “S”:
En este tipo de pozo la trayectoria está configurada por una zona de incremento de ángulo, otra tangencial y una de disminución de ángulo. Estos tipos de pozos pueden ser de dos formas: Tipo “S”: constituido por una sección de aumento de ángulo, una sección tangencial y una sección de caída de ángulo que llega a cero grados (0º). “S” Especial: constituido por una sección de aumento de ángulo, una sección tangencial intermedia, una sección de caída de ángulo diferente a cero grados (0º) y una sección de mantenimiento de ángulo al objetivo.
Inclinados o de Alto Ángulo: Son pozos iniciados desde superficie con un ángulo de desviación predeterminado constante, para lo cual se utilizan taladros especiales inclinados. Los Taladros Inclinados son equipos cuya cabria puede moverse de 90º de la horizontal hasta un máximo de 45º. Entre las características más resaltantes del equipo se pueden mencionar: Una torre de perforación inclinada para perforar desde pozos verticales hasta pozos de 45º de desviación vertical. Brazo hidráulico para manejar tubulares que puede ser accionado desde el piso de la torre de perforación, eliminando el trabajo del encuellador de los taladros convencionales. Un bloque viajero, provisto de un sistema giratorio diseñado para enroscar y desenroscar la tubería, que se desliza a través de un sistema de rieles instalado en la estructura de torre. Sistema hidráulico especial para darle el torque apropiado a cada conexión de los tubulares. Los equipos auxiliares del taladro permanecen fijos durante la perforación, lo que incrementa la vida útil de los mismos, por disminución el deterioro al que son sometidos durante la mudanza entre pozo y pozo. Capacidad de movilización mediante un sistema de orugas, lo cual reduce los tiempo de mudanza. a) Horizontales: Son pozos perforados horizontalmente o paralelos a los planos de estratificación de un yacimiento con la finalidad de tener mayor área de producción. También se denominan pozos horizontales aquellos con un ángulo de inclinación no menor de 86º respecto a la vertical. La longitud de la sección horizontal depende de la extensión del yacimiento y del área a drenar en el mismo. Adicionalmente, se requiere un ensamblaje especial de la sarta de perforación para poder obtener los grados de inclinación máximo hasta el objetivo. Según el radio de curvatura, existen cuatro tipos de pozos horizontales básicos, cada uno de los cuales poseen una técnica que va en función directa con la tasa de incremento de ángulo y del desplazamiento horizontal.
Clasificación de los pozos horizontales
Radio Ultracorto: El radio de curvatura en esta técnica de perforación horizontal varía de 1 a 2 pies, y el ángulo de construcción entre 45° y 60° por pie, con sección horizontal entre 100 a 200 pies. Ventajas: Son efectivos en formaciones suaves y fáciles de penetrar como arenas de crudos pesados y bitumen. Desarrollo del campo mediante pozos verticales múltiples. Realización de pozos horizontales múltiples a través de varias capas originadas desde un pozo vertical. Desventajas: Requiere equipo especializado. Necesita que se agrande el hoyo en la cercanía lateral del objetivo de perforación. Es imposible correr registros en la sección horizontal, y no pueden tomarse núcleo debido a lo severo del radio de curvatura. La longitud de drenaje del pozo, generalmente es menor de 300 pies. Radio Corto: En esta técnica el radio de curvatura varía de 20 a 40 pies con variaciones del ángulo de construcción de 2° a 5° por pies, con una sección horizontal de 100 a 800 pies de longitud. Ventajas: Más precisión para drenar el yacimiento que el de radio medio y largo. Atractivo en yacimientos pequeños. Se emplea desde un pozo convencional (Reentry). Posibilidad de tocar contacto entre fluidos. Se pueden aislar zonas problemáticas inmediatas a la zona productora Desventajas Requiere de un motor de fondo con una articulación ensamblada. La longitud de drenaje en el pozo, generalmente es menor que 300 pies. Se completa únicamente a hoyo abierto. No pueden tomarse núcleos, ni perfilarse; en vista del radio de curvatura presente. Radio Medio: El radio de curvatura varía de 300 a 800 pies, con un ángulo de construcción de 6° a 20° por cada 100 pies. La sección horizontal varía de 2000 a 4000 pies de longitud.
Ventajas: Menor torque y arrastre que en pozos de radio corto. Para drenar el yacimiento puede perforarse horizontalmente hasta una longitud de 300 pies. Existe la posibilidad de sacar núcleos convencionales.
Puede ser normalmente completado. Puede acomodarse normalmente el tamaño de la herramienta (MWD); la cual tiene un acceso desde 1 ¾” de diámetro hasta 4 ¾”.
Desventajas: No aplicable para formaciones superficiales y delgadas Equipo especial de perforación requerido. Radio Largo: El radio de curvatura varía de 1000 a 3000 pies y el ángulo de construcción entre 2° y 6° por cada 100 pies. La sección horizontal varía entre 1000 y 4000 pies de longitud. Ventajas: Fácil para perforar usando un equipo de perforación convencional y revestidor estándar. Los costos por día de los servicios, frecuentemente son más bajos que los de radio medio y corto. Permite perforar longitudes horizontales de aproximadamente 5000 pies, con un promedio de 3500 pies. Existe un mayor acomodo para la completación. Se puede acomodar fácilmente el juego completo de herramientas de perfilaje. Desventajas: Frecuentemente se requiere de un tope en el manejo del sistema, largas bombas y grandes cantidades de lodo. El riesgo a hueco abierto es mayor; ya que la tubería de perforación puede pegarse y causar daño al yacimiento mientras se perfora. Es menos preciso para determinar la profundidad vertical verdadera (TVD), porque el comienzo de la perforación (superficie), queda muy lejos (horizontalmente) de la sección horizontal perforada. Es mucho más costoso en revestidores, cemento y fluidos. Multilaterales: Consisten básicamente en un hoyo primario y uno o más hoyos secundarios que parten del hoyo primario, cuyo objetivo principal es reducir el número de pozos que se perforan, además de optimizar la producción de las reservas. Según la geometría del yacimiento se puede construir distintas configuraciones de pozos multilaterales para lograr drenar losyacimientos de manera más eficiente, entre ellas tenemos: Hoyos de Diámetro Reducido o “Slim Hole”: Son pozos que se perforan con propósitos de hacer el trabajo economizando recursos y obteniendo más provecho, utilizando mecha de 7” o menos. La utilización de este método es muy efectiva en exploración y/o captura de información sobre los yacimientos. Hasta la fecha no se ha encontrado una manera de clasificar al tipo de pozo multilateral ya que la forma y variedad está solo limitada a nuestra imaginación y a las características de nuestros reservorios. Así podemos tener:
Reentradas o “Reentries”:
Son pozos perforados desde pozos ya existentes, pudiéndose reperforar un nuevo hoyo utilizando parte de un pozo perforado previamente. Esta nueva sección puede ser reperforada con una sección vertical o direccional.
HERRAMIENTAS UTILIZADAS EN LA PERFORACIÓN DE POZOS DIRECCIONALES Herramientas Deflectoras: Son las encargadas de dirigir el hoyo en la dirección predeterminada, dentro de las cuales tenemos:
Mecha: constituye la herramienta básica del proceso de perforación, ya que permite cortar y penetrar las formaciones. En perforación direccional suelen utilizarse mechas de tamaño convencional con uno o dos chorros de mayor diámetro que el tercero, o dos chorros ciegos y uno especial, a través del cual sale el fluido de perforación a altas velocidades y la fuerza hidráulica generada erosiona una cavidad en la formación, lo que permite a la mecha dirigirse en esta dirección. Este método se utiliza normalmente en formaciones blandas.
Cucharas
Deflectoras (“Whipstocks”): son piezas de acero en forma de
cuchara con una punta cincelada colocada en el hoyo para iniciar la desviación del hoyo. Pueden ser de tres tipos:
a) Cucharas removible: consta de una larga cuña de acero, cóncava de un lado para sostener y guiar la sarta de perforación, posee una punta de cincel para evitar el giro y de un tubo portamecha para recuperar la herramienta. b) Cuchara de circulación: su instalación es igual a la anterior, pero en este caso el fluido de perforación circula por un orificio en el fondo removiendo los ripios. c) Cuchara permanente tipo revestidor: queda permanentemente en el pozo y su principal aplicación es desviar a causa de una obstrucción colapso del revestidor o para reingresar a un pozo existente con un pez.
Motores de Fondo: tienen la particularidad de eliminar la rotación de la tubería, mediante una fuerza de torsión en el fondo, impulsada por el lodo de perforación. Pueden ser: a) Tipo Turbina: es una unidad axial multietapa que demuestra ser muy eficiente y confiable, especialmente en formaciones duras. b) De Desplazamiento Positivo: consta de un motor helicoidal de dos etapas, válvula de descarga, conjunto de bielas, conjuntos de cojinetes y ejes.
Herramientas de Medición: Cuando se está perforando un pozo direccional, se deben tener los equipos de medición para determinar precisamente la dirección e inclinación del pozo. Estos equipos o instrumentos sirven para localizar posibles “patas de perro” o excesivas curvaturas. Las herramientas de medición son los equipos disponibles para conocer la inclinación y dirección del pozo en el subsuelo. Las más usadas son: Péndulo invertido o Totco: es uno de los más elementales y sencillos instrumentos con los que se puede detectar la desviación.
Toma
sencilla o “Single Shot” y toma múltiple o “Multishot”: son métodos
magnéticos que requieren el uso de una barra no magnética (monel) y ofrecen la información simultánea del rumbo e inclinación del pozo. La información es obtenida después que la sección es perforada y arroja lecturas según la calibración de un cronómetro.
Monel: es una herramienta que corrige los efectos del campo magnético de la Tierra y el material metálico de la sarta de perforación en la obtención de los datos tanto del MWD y el LWD. Está hecho de una aleación que permite despreciar la interferencia magnética y así la herramienta MWD pueda brindar datos confiables de azimuth e inclinación.
Martillo (Jar): están diseñados para desarrollar un impacto tanto en las subidas como en las bajadas del BHA. Son empleados para pozos direccionales para que la tubería pueda liberarse en caso de hoyos ajustados o que este atascada.
Herramienta Double Pin: es una herramienta cuyas conexiones son PIN x PIN, para unir juntas cuyos extremos son caja.
Estabilizador: Son necesarios para un BHA direccional. Los que están cercanos a la mecha tienen conexiones BOX x BOX., y los que se colocan en el resto de la sarta tienen conexionen PIN x BOX. Poseen espiral hacia la derecha Se emplean para controlar la desviación del hoyo, reducir el riesgo de pegas diferenciales y dog legs (patas de perro).
HEL (Hostil Environment Logging): herramienta que permite cuantificar la profundidad de la perforación. Instala el MWD (Measuring While Drilling: Midiendo mientras se perfora). Esta herramienta permite ubicar la trayectoria de la sarta de perforación y por ende la del pozo en construcción debido a que proporciona los datos de Profundidad, Inclinación respecto a la vertical y azimut (inclinación respecto al plano horizontal), con lo cual se construyen los SURVEY’s, importantes datos que registran la secuencia del Pozo y permiten hacer una comparación respecto a la trayectoria planificada. En esta junta también cuando se requiera su corrida, se ubica el registro BAP (Bore Annular Pressure), que permite calcular las presiones en tiempo real en el hoyo anular, y con ello monitorear la limpieza del hoyo y asi optimizar una alta ROP sin alterar la estabilidad del revoque.
MFR (Multiply Frecuency Resistivity): lleva instalada la herramienta LWD (logging while drilling: Registrando Mientras se perfora), la cual permite registrar cada una de las profundidades y obtener datos para cada una de ellas. Este es un servicio primordial que permite obtener data en tiempo real de la litología y fluidos presentes mientras se está perforando. Ello permitirá el estudio de las características geológicas presentes, y conllevará a la toma de decisiones, sobre todo a la hora de fijar los topes y bases de cada una de las formaciones, marcadores y arenas. La principal desventaja de estos equipos es la imposibilidad de realizar mediciones en tiempo real. A comienzos de los años 90 se desarrollaron las primeras herramientas direccionales de medición durante la perforación MWD (Measuring While Drilling), que son equipos adaptados a la sarta de perforación. La medición del sistema MWD proporciona los parámetros inclinación y dirección del pozo, los cuales se determinan mediante u conjunto de acelerómetros, magnetómetros y giroscopios instalados en la herramienta. También es posible incorporar un emisor-receptor de rayos gamma a fin de permitir en tiempo real, la correlación y evaluación de las formaciones atravesadas. A partir de la inclinación y la dirección tomada en cada intervalo de la perforación o estación direccional y considerando la profundidad medida, la cual es equivalente a la longitud total de la sarta de perforación dentro del hoyo, se determinan los valores de:
Profundidad Vertical Verdadera (TVD), Coordenadas Rectangulares de Fondo, Severidad de la Pata de Perro y Desplazamiento Horizontal (VS) que se presentan en el reporte direccional del pozo. Actualmente se emplean los sistemas de registros durante la perforación LWD (Logging While Drilling). Esta modalidad permite la medición de la Resistividad, Registros de Densidad-Neutrón y Espectroscopía Natural de Rayos Gamma, adicionalmente a todos los parámetros que se incluyen en el reporte direccional. Las herramientas MWD y LWD también proporcionan información mecánica sobre la sarta de perforación como lo son Torque, Tasa de Penetración, Peso sobre la Mecha y Dirección de la misma, que pueden contribuir a una mejor interpretación de las condiciones de operación, también en tiempo real. Los equipos MWD y LWD se instalan en portamechas especialmente diseñadas para contener el conjunto de sensores y material electrónico. Éstos se ubican lo más cerca posible de la mecha (evitando interferencias) para hacer más eficientes las mediciones. Las señales son transmitidas a la superficie a través de pulsos electrónicos que viajan en el fluido de perforación y son descodificados por un equipo receptor instalado en la superficie.
INTRODUCCIÓN Los sistemas rotativos direccionales, desarrollados inicialmente para perforar pozos dealcance extendido, también resultan efectivos en costos en aplicaciones de perforación convencional, ya que permiten reducir el tiempo de perforación en forma considerable. Los avances realizados tanto en la tasa de penetración como en la confiabilidad de estas herramientas han impulsado su difusión en el mundo entero. Existen ciertas situaciones que requieren el uso de tecnología de perforación de avanzada. La geología local puede determinar una trayectoria complicada para un pozo, tal como perforar alrededor de domos salinos o láminas
de sal. Se podría incrementar el drenaje o la producción del yacimiento desde un pozo en particular, si el mismo penetrara varios bloques de fallas o se construyera en forma horizontal para interceptar fracturas o maximizar la superficie del hueco que se encuentra dentro del yacimiento. Un pozo con múltiples tramos laterales, por lo general, drena varios compartimientos del yacimiento. En los campos maduros, los compartimientos pequeños también pueden ser producidos en forma económica si los pozos direccionales se encuentran ubicados de manera adecuada. Resulta evidente, que sin la tecnología de avanzada de la perforación direccional, no sería físicamente posible perforar un pozo determinado, ya que el mismo sería perforado en una locación poco adecuada o resultaría más costoso o más riesgoso. Los sistemas rotativos direccionales permiten planificar geometrías de pozos complejas, incluyendo pozos horizontales y de alcance extendido. Posibilitan la rotación continua de la columna de perforación mientras se dirige la trayectoria del pozo, con lo cual se elimina el problemático modo de deslizamiento, propio de los motores direccionales convencionales.
Los pozos direccionales pueden clasificarse de acuerdo a la forma que toma el ángulo de inclinación en: Tipo Tangencial. En Forma de S: − Tipo “S”. − Tipo “S” Especial.
Inclinados o de Alto Ángulo. Horizontales. Reentradas: − Verticales. − Direccionales.
Multilaterales.
Tipo Tangencial: La desviación deseada es obtenida a una profundidad relativamente llana y esta desviación se mantiene constante hasta el objetivo. Este tipo de pozo presenta muchas ventajas tales como: −Configuración de la curva sencilla a lo largo de un rumbo fijo. −Ángulo de inclinación moderado. −Generalmente puntos de arranques someros. −Menor riesgo de pega. En Forma de “J”:
Este tipo de pozos es muy parecido al tipo tangencial, pero el hoyo comienza a desviarse más profundo y los ángulos de desviación son relativamente altos y se tiene una sección de construcción de ángulo permanente hasta el punto final. En Forma de “S”:
En este tipo de pozo la trayectoria está configurada por una zona de incremento de ángulo, otra tangencial y una de disminución de ángulo. Estos tipos de pozos pueden ser de dos formas: Tipo “S”:
constituido por una sección de aumento de ángulo, una sección tangencial y una sección de caída de ángulo que llega a cero grados (0º). “S” Especial:
constituido por una sección de aumento de ángulo, una sección tangencial intermedia, una sección de caída de ángulo diferente a cero grados (0º) y una sección de mantenimiento de ángulo al objetivo.
In c l i n a d o s o d e A l t o Á n g u l o :
Son pozos iniciados desde superficie con un ángulo de desviación predeterminado constante, para lo cual se utilizan taladros especiales inclinados. Los Taladros
Inclinados son equipos cuya cabria puede moverse de 90º de la horizontal hasta un máximo de 45º. Entre las características más resaltantes del equipo se pueden mencionar: Una torre de perforación inclinada para perforar desde pozos verticales hasta pozos de 45º de desviación vertical. Brazo hidráulico para manejar tubulares que puede ser accionado desde el piso de la torre de perforación, eliminando el trabajo del encuellador de los taladros convencionales. Un bloque viajero, provisto de un sistema giratorio diseñado para enroscar y desenroscar la tubería, que se desliza a través de un sistema de rieles instalado en la estructura de torre. Sistema hidráulico especial para darle el torque apropiado a cada conexión de los tubulares. Los equipos auxiliares del taladro permanecen fijos durante la perforación, lo que incrementa la vida útil de los mismos, por disminución el deterioro al que son sometidos durante la mudanza entre pozo y pozo. Capacidad de movilización mediante un sistema de orugas, lo cual reduce los tiempo de mudanza.
Horizontales: Son pozos perforados horizontalmente o paralelos a los planos de estratificación de un yacimiento con la finalidad de tener mayor área de producción. También se denominan pozos horizontales aquellos con un ángulo de inclinación no menor de 86º respecto a la vertical. La longitud de la sección horizontal depende de la extensión del yacimiento y del área a drenar en el mismo. Según el radio de curvatura, existen cuatro tipos de pozos horizontales básicos, cada uno de los cuales poseen una técnica que va en función directa con la tasa de incremento de ángulo y del desplazamiento horizontal. Adicionalmente, se requiere un ensamblaje especial de la sarta de perforación para poder obtener los grados de inclinación máximo hasta el objetivo. − Perforación Horizontal Vs. Perforación Vertical:
El pozo vertical atraviesa todo el espesor de la formación, mientras que en el horizontal la mecha penetra por el centro del espesor de la formación hasta la longitud que sea mecánicamente aconsejable. −El ángulo de penetración del hoyo horizontal en la formación tiene que ver con la facilidad de meter y sacar la sarta de perforación del hoyo. A medida que la longitud del hoyo horizontal se prolonga, la longitud y el peso de la sarta que descansa sobre la parte inferior del hoyo son mayores. Esto crea más roce, más fricción, más esfuerzo de torsión y más esfuerzo de arrastre al extraer la sarta de perforación. Condiciones similares de esfuerzos se presentan durante la inserción y cementación del revestidor de terminación y durante la toma de registros o perfiles corrientes o integrantes de la sarta de perforación. −En el hoyo vertical, el desplazamiento del flujo del gas y/o petróleo del yac imiento hacia el pozo es radial; la permeabilidad horizontal (KH) y permeabilidad vertical (KV) se miden en la dirección indicada en la figura.
Ventajas: ·Mejora la eficiencia de barrido. · Incrementa la productividad del yacimiento y mejora el recobro final del mismo, debido a que se incrementa el área de contacto entre el yacimiento y el pozo. · Reduce la conificación y/o adedamiento de los fluidos viscosos.
Desventajas: · Altos costos de perforación, debido a que se incrementa el tiempo y el riesgo de problemas operacionales. · Las opciones de recompletación son limitadas especialmente cuando se trata de alto corte de agua y/o alta relación gas/petróleo. Reentradas o “Reentries”:
Son pozos perforados desde pozos ya existentes, pudiéndose reperforar un nuevo hoyo utilizando parte de un pozo perforado previamente. Esta nueva sección puede ser reperforada con una sección vertical o direccional. Multilaterales:
Consisten básicamente en un hoyo primario y uno o más hoyos secundarios que parten del hoyo primario, cuyo objetivo principal es reducir el número de pozos que se perforan, además de optimizar la producción de las reservas. Según la geometría del yacimiento se pueden construir distintas configuraciones de pozos multilaterales para lograr drenar los yacimientos de manera más eficiente, entre ellas tenemos: Hoyos de Diámetro Reducido o “Slim Hole”:
Son pozos que se perforan con propósitos de hacer el trabajo economizando recursos y obteniendo más provecho, utilizando mecha de 7” o menos. La utilización de este método es muy efectiva en exploración y/o captura de información sobre los yacimientos.
Herramientas utilizadas. Herramientas Deflector as:
Son las encargadas de dirigir el hoyo en la dirección predeterminada, dentro de las cuales tenemos: −Mecha: constituye la herramienta básica del proceso de perforación, ya que permite cortar y penetrar las formaciones. En perforación direccional suelen utilizarse mechas de tamaño convencional con uno o dos chorros de mayor diámetro que el tercero, o dos chorros ciegos y uno especial, a través del cual sale el fluido de perforación a altas velocidades y la fuerza hidráulica generada erosiona una cavidad en la formación, lo que permite a la mecha dirigirse en esta dirección. Este método se utiliza normalmente en formaciones blandas. −Cucharas Deflectoras (“Whipstocks”): son piezas de acero en forma de cuchara
con una punta cincelada colocada en el hoyo para iniciar la desviación del hoyo. Pueden ser de tres tipos: a) Cucharas removible: consta de una larga cuña de acero, cóncava de un lado para sostener y guiar la sarta de perforación, posee una punta de cincel para evitar el giro y de un tubo portamecha para recuperar la herramienta. b) Cuchara de circulación: su instalación es igual a la anterior, pero en este caso el fluido de perforación circula por un orificio en el fondo removiendo los ripios. c) Cuchara permanente tipo revestidor: queda permanentemente en el pozo y su principal aplicación es desviar a causa de una obstrucción colapso del revestidor o para reingresar a un pozo existente con un pez. − Motores de Fondo: tienen la particularidad de eliminar la rotación de la tubería, mediante una fuerza de torsión en el fondo, impulsada por el lodo de perforación. Pueden ser: a) Tipo Turbina: es una unidad axial multietapa que demuestra ser muy eficiente y confiable, especialmente en formaciones duras. b) De Desplazamiento Positivo: consta de un motor helicoidal de dos etapas, válvula de descarga, conjunto de bielas, conjuntos de cojinetes y ejes.
Herramientas de Medición: Cuando se está perforando un pozo direccional, se deben tener los equipos de medición para determinar precisamente la dirección e inclinación del pozo. Estos equipos o instrumentos sirven para localizar posibles “patas de perro” o excesivas curvaturas. Las herramientas de medición son los equipos disponibles para conocer la inclinación y dirección del pozo en el subsuelo. Las más usadas son: −Péndulo invertido o Totco: es uno de los más elementales y sencillos instrumentos con los que se puede detectar la desviación. −Toma sencilla o “Single Shot” y tomas múltiples o “Multishot”: son métodos magnéticos que requieren el uso de una barra no magnética (monel) y ofrecen la información simultánea del rumbo e inclinación del pozo. La información es obtenida después que la sección es perforada y arroja lecturas según la calibración de un cronómetro.
7.2.- CONFIGURACIONES BASICAS DE LOS POZOS DIRECCIONALES. La perforación direccional es el proceso de dirigir el pozo a lo largo de una trayectoria hacia un objetivo predeterminado, ubicado a determinada distancia lateral de la localización superficial del equipo de perforación. En sus principios esta tecnología surgió como una operación de remedio. Se desarrolló de tal manera que ahora se considera una herramienta para la optimización de yacimientos. Comprende aspectos tales como: tecnología de pozos horizontales, de alcance extendido, y multilaterales, el uso de herramientas que permiten determinar la inclinación y dirección de un pozo durante la perforación del mismo
(MWD), estabilizadores y motores de fondo de calibre ajustable, barrenas bicéntricas, por mencionar algunos. Con frecuencia el control de la desviación es otro concepto que se relaciona con la perforación direccional. Se define como el proceso de mantener al agujero dentro de algunos limites predeterminados, relativos al ángulo de inclinación, o al desplazamiento horizontal con respecto a la vertical o a ambos. Se ha tratado el diseño de pozos verticales, considerando la perforación como el proceso unidimensional de penetrar la tierra con la barrena a determinada profundidad vertical. Sin embargo, la perforación es un proceso tridimensional. La barrena no sólo penetra verticalmente, si no que se desvía intencionalmente o no hacia los planos X-Y (Fig.12.1). El plano X se define como el plano de dirección y el Y como el inclinación. Los ángulos asociados con los desplazamientos en los planos X y Y son llamados ángulos de "dirección” y de “inclinación", respectivamente.
Figura 12.1 Planos de inclinación y dirección conforme un pozo avanza en el plano de la profundidad.
Razones para perforar un pozo direccional. La perforación de un pozo petrolero, ya sea debido a problemas de perforación o a consideraciones económicas, tiene muchas aplicaciones. A continuación se mencionarán algunas de las más comunes. En la Fig. 12.2 se muestra un ejemplo típico de la situación de control de trayectoria. Aquí, una estructura se ubica casi por completo debajo de un lago. El pozo 1, perforado sobre una parte de la estructura que no se encuentra debajo del lago, puede ser perforado desde tierra como un pozo con control de la desviación. Sin embargo para desarrollar el resto del campo, se necesitará de la perforación de pozos direccionales. La única manera en que se podrían perforar pozos verticales es desde embarcaciones de perforación o plataformas, terminando los pozos sobre el lecho del lago (terminaciones sublacustres), o bien desde una plataforma flotante o fija. Los aspectos económicos de estas opciones pudieran
ser menos atractivos que la perforación de pozos direccionales desde alguna localización terrestre, en la cual se puede utilizar un equipo terrestre convencional. En algunas situaciones, no existen alternativas para perforar un pozo direccional. Por ejemplo, el lago puede ser la única fuente de agua potable en el área, por lo tanto, pueden existir restricciones ambientales que prohíban el uso de embarcaciones y equipos tales como los equipos de perforación y las instalaciones de producción.
Figura 12.2 Vista en planta de un yacimiento típico de aceite y gas debajo de un lago, mostrando como se pueden utilizar los pozos direccionales para desarrollar el campo.
En sus inicios, la perforación de pozos direccionales fue evidentemente motivada por los aspectos económicos. Los campos costa fuera en California fueron el área de oportunidades tanto para la aplicación de esta tecnología, como para un grupo especial de personas llamadas “perforadores direccionales”. Descubrimientos posteriores de aceite y gas en el Golfo de México y otros países, promovieron la expansión de la perforación direccional. El desarrollo de campos costa afuera ha absorbido la mayoría de las actividades de perforación direccional. La Fig. 12.3 muestra una típica plataforma de desarrollo costa fuera. En varias ocasiones se han descubierto campos debajo de zonas urbanas, y la única manera de desarrollarlos de manera económica ha sido perforando direccionalmente (Fig. 12.4). Frecuentemente, las obstrucciones naturales tales como montañas u otros accidentes topográficos impiden la construcción de una localización superficial y la perforación de un pozo casi vertical (Fig. 12.5). Otra aplicación de la perforación direccional es el efectuar una desviación desde un pozo existente. Esta desviación puede ser efectuada para “puentear” una obstrucción (un “pez”) en el agujero original (Fig. 12.6) o para buscar horizontes productores adicionales en los sectores adyacentes del campo (Fig. 12.7).
Figura 12.3
Figura 12.4
Figura 12.5
Figura 12.6
Figura 12.7
Relevantes aspectos ambientales y económicos han incrementado el uso de la perforación direccional. En algunas áreas simplemente ya no es posible desarrollar un campo haciendo caminos a cada localización superficial y perforando un pozo vertical. En lugar de esto, así como en las instalaciones costa fuera, es necesario construir plantillas desde las cuales se puedan perforar varios pozos. Lo anterior, no sólo ha incrementado la actividad de perforación direccional, si no que también los programas de trayectorias son más complicados, aplicándose en situaciones y áreas donde no era común hacerlo. Por ejemplo, se están perforando pozos direccionales para desarrollos geotérmicos, los cuales están siendo perforados en granitos duros y en otras rocas ígneas y metamórficas. También se están perforando pozos de alcance extendido con desplazamientos horizontales de más de 10,000 m y con miras a incrementarse. Conforme se incrementen los costos de desarrollo de campos (en aguas profundas, localizaciones remotas, ambientales hostiles y zonas productoras mas profundas) el uso de la perforación direccional también se incrementará.
PLANEACIÓN DEL PROYECTO DIRECCIONAL La planeación de la perforación es la base del proceso completo. El cliente conceptualiza el proyecto y proporciona la información básica de las formaciones que se van a atravesar, las condiciones de la localización y los pozos de correlación. Este proceso normalmente se lleva a cabo en el ciclo de planeación del cliente (Carreño, 2005). El primer paso en la planeación de cualquier pozo direccional es diseñar la trayectoria del pozo para alcanzar un objetivo dado. El diseño inicial debe proponer los diferentes tipos de trayectorias que pueden ser perforados económicamente. El segundo, o diseño final debe incluir los efectos de las condiciones geológicas sobre los BHA´s que serán utilizados y otros factores que pudieran influenciar la trayectoria final del pozo. Por lo tanto, podemos decir que la selección del tipo de trayectoria dependerá principalmente de los siguientes factores:
Características de la estructura geológica
Espaciamiento entre pozos
Profundidad vertical
Desplazamiento horizontal del objetivo
TRAYECTORIA TIPO SLANT
Tomada de: Directional Surveying Fundamentals.
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La figura muestra una trayectoria sencilla de incremento y mantenimiento de ángulo, la cual intercepta un objetivo a una profundidad vertical verdadera (TVD) de D3 y a un desplazamiento horizontal de X 3 (punto B). El punto de desviación se encuentra a una TVD de profundidad D 1, donde el ritmo de incremento del ángulo de inclinación es q, el cual está en grados por unidad de longitud (Carreño, 2005). En esta trayectoria el hueco penetra al objetivo a un ángulo igual al máximo
ángulo de incremento.
Trayectoria “Tipo S” (incrementar, mantener y disminuir).
Trayectoria “Tipo S” en donde r 1< x3 y r 1+r 2< x4
Tomada de: Directional Surveying Fundamentals.
2
El segundo tipo de trayectoria es la de incrementar, mantener y disminuir el ángulo de inclinación, la cual se muestra en la figura 4 en donde r 1< x3 y r 1+r 2< x4. La inclinación máxima se reduce a cero en D 4, con un radio de disminución r 2. En esta trayectoria el pozo penetra verticalmente el objetivo (Carreño, 2005).
Trayectoria “Tipo S modificada” (Incrementar, mantener, disminuir
parcialmente y mantener) . Trayectoria “S modificada” para r 1< x3 y r 1+r 2< x4
Tomada de: Directional Surveying Fundamentals.
2
Para cualquiera de las curvas “tipo S”, las profundidades desarrolladas y los desplazamientos horizontales pueden calcularse del mismo modo que para la trayectoria de incrementar y mantener, derivando las relaciones apropiadas para las distintas geometrías (Carreño, 2005).
DISEÑO DE UN POZO DIRECCIONAL
A partir de consideraciones geológicas o de otro tipo, establecer las coordenadas de superficie del pozo, coordenadas del objetivo, profundidad del objetivo, el número de objetivos, el radio del objetivo y el desplazamiento horizontal al mismo.
Estado mecánico propuesto para el pozo
Columna estratigráfica ( Formaciones a perforar)
Información de pozos vecinos o de correlación
Seleccionar el punto de desviación que parezca apropiado y escoger el tipo de trayectoria. Realizar un plan en dos dimensiones,
Calcular el punto de máxima inclinación y demás información de la trayectoria.
Determinar el ángulo principal y estimar el ritmo de cambio en la dirección.
Calcular la trayectoria del pozo en tres dimensiones para alcanzar el objetivo utilizando el plan inicial de dos dimensiones como guía.
Con este procedimiento se puede obtener una trayectoria para la mayoría de los pozos direccionales. Las consideraciones prácticas en el diseño de un pozo direccional se verán a continuación.
2.2.1 Consideraciones para la selección del tipo de trayectoria. Los parámetros necesarios para la planeación de pozos direccionales dependen de la zona en que se realizará la perforación. De esta zona se debe conocer la litología, la situación estructural y la profundidad vertical de los posibles intervalos productores. Realizando un análisis de esta información, se deben considerar los siguientes factores:
Características del Objetivo: Cuando se planea un pozo direccional, se proporcionan la profundidad y el desplazamiento horizontal del objetivo, así
como sus dimensiones. Los objetivos pueden ser rectangulares, cuadrados o circulares. Si el objetivo es un círculo el radio es fijado. El área del objetivo proporciona una zona de tolerancia para que la trayectoria del pozo pase a través de ella. Usualmente, el tamaño y las dimensiones del objetivo se basan en factores relacionados con las condiciones de drenaje del yacimiento, los criterios geológicos y las restricciones de frontera (Carreño, 2005).
Profundidad Vertical del Objetivo: Este dato no es posible modificarlo, ya que es función de la profundidad a la cual se encuentra la estructura productora.
Localización del equipo: La localización superficial del equipo de perforación depende de la distribución estructural de las formaciones a perforar. Se deberá aprovechar la tendencia que presentan determinadas formaciones de desviar el curso de la broca o de mantener su rumbo dentro de la perforación, de tal manera que la broca sea dirigida hacia el objetivo según la trayectoria planeada. El conocimiento de las tendencias de desviación y el tipo de formaciones, determinará la posición del equipo de perforación, la profundidad de inicio de desviación y en consecuencia, el desplazamiento horizontal a los objetivos.
Desplazamiento Horizontal del objetivo: Este valor es función de la localización superficial que tenga el equipo de perforación. Se supone que dicha localización fue determinada considerando la distribución estructural de las formaciones a perforar, por lo tanto puede considerarse como un dato fijo.
Profundidad de inicio de desviación (KOP): Este dato debe obtenerse considerando las características de las formaciones a perforar. Se recomienda que la etapa de incremento de ángulo se lleve a cabo en formaciones suaves a
medias suaves. Puede considerarse que la profundidad del KOP y la velocidad de incremento de ángulo darán la pauta para elegir el patrón de desviación.
Velocidad de incremento de ángulo: Si el espesor y la tendencia de las formaciones que se espera encontrar lo permiten, se pueden utilizar diferentes velocidades de incremento. El personal encargado de las operaciones direccionales debe seleccionar la más conveniente de acuerdo a los ángulos máximos observados y a la experiencia acumulada en otros pozos.
Tipo de Formación: Siempre que se analice un estudio direccional, se deberá tener en cuenta la columna geológica que se desea perforar (dureza de las formaciones a atravesar, entre otros), para planear el trabajo direccional en las formaciones mas estables y con mejores tasas de penetración, además predecir la variación del rumbo del pozo durante la perforación.
Diámetro del pozo: El diámetro del pozo y consecuentemente, el programa de tuberías de revestimiento, son parámetros que dependen de la profundidad del objetivo, de las características de las formaciones (Presión de poro, estabilidad etc.) a perforar y de la producción esperada.
Consideraciones Anticolisión: La colisión con pozos vecinos puede ser un problema cuando se perforan varios pozos a partir de una misma localización superficial, lo cual se presenta en plataformas marinas y en campos, que tienen pozos adyacentes en producción y una colisión podría resultar en una situación extremadamente peligrosa. La planeación anticolisión comienza con la toma de registros de desviación exactos del pozo en cuestión y con la recolección de todos los pozos vecinos, así como de un juego completo de los programas de pozos a perforar en el futuro en la misma localización o plataforma. Los registros y los programas de los pozos se utilizan para “mapear” el pozo propuesto con respecto a todos los existentes.
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Figura 6. Spider Plot
Fuente: La autora.
Estos mapas llamados comúnmente “arañas” muestran la proyección horizontal de los pozos. Generalmente están construidas a una escala pequeña para proporcionar una vista general del campo (figura 6), aunque también pueden construirse a una escala mayor, para permitir realizar análisis detallados de una parte específica del campo, tal como la localización superficial. La araña puede ser utilizada para trazar una trayectoria programada y analizar visualmente el riesgo de colisionar con otros pozos. Actualmente, existen varios programas que ofrecen un análisis de anticolisión o un análisis de proximidad (Sperry utiliza el software COMPASS). El realizar
estos cálculos a mano no es práctico debido a que se involucran un gran número de estaciones de registro.
2.3 CÁLCULO DE LA TRAYECTORIA DE UN POZO DIRECCIONAL 2.3.1 Datos e información requerida. Para elaborar el cálculo del proyecto direccional se deberán tener los siguientes datos:
Coordenadas de superficie
Coordenadas del objetivo
Profundidad vertical del objetivo
Con esta información preliminar es posible determinar las siguientes incógnitas:
Desplazamiento Horizontal
Rumbo
Ángulo Máximo
2.3.2 Métodos de Cálculo. El método normal para determinar la trayectoria de un pozo es establecer las coordenadas. Se utiliza algún tipo de instrumento de medición, para determinar la inclinación y la dirección a diferentes profundidades (estaciones) y con esto, calcular la trayectoria. En cada estación se miden los
ángulos de inclinación y dirección, así como distancia entre estaciones. Cada ángulo de dirección obtenido por medio de un dispositivo magnético debe ser corregido con respecto al norte verdadero y cada giroscópico debe corregirse por la inclinación. Todas las lecturas de dirección están corregidas por la declinación de la interferencia magnética (Carreño, 2005). Existen 18 o más técnicas de cálculo para determinar la trayectoria del pozo. La principal diferencia entre dichas técnicas es que un grupo utiliza aproximaciones
