9 - Apuntalantes

TALLER DE FRACTURA HIDRAULICA

Ingeniería y Geociencias, S.A. de C.V.

Ingenieria & Geociencias, S.A. de C.V.

INGENIERIA Y GEOCIENCIAS, S.A. DE C.V.

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Apuntalantes

Son críticos en el éxito de un Tratamieto de Fractura  Cantidad  Tipo

apropiada de apuntalante

de apuntalante


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APUNTALANTES: El propósito del apuntalante (también llamado agente de sostén o propante) es mantener la fractura abierta y altamente conductiva después que la presión de bombeo ha sido retirada o se ha disipado por filtrado.


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Propiedades Factores que afectan la Conductividad de la Fractura 

Propiedades Físicas     

  

Esfuerzo Tamaño y distribución del grano Finos e impurezas Redondez y esfericidad Densidad

Concentración Areal Permeabilidad del empaquetamiento del apuntalante Efectos del post-cierre   

Concentración del polímero Movimiento de los finos de formación dentro de la fractura Degradación de agente de sostén a largo plazo Ingenieria & Geociencias, S.A. de C.V.


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Efecto de la Resistencia y del Tamaño del Grano Resistencia

Tamaño de grano


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EFECTO DE LA RESISTENCIA Y EL TAMAÑO DE GRANO: Cuando se selecciona el tipo de apuntalante es importante saber el valor de esfuerzo (stress) al cual va a ser sometido. Todos los agentes de sostén van a presentar un valor muy alto de finos debido a la ruptura de los granos después de cierto valor de stress, reduciendo la permeabilidad del empaque de arena y, por lo tanto, su capacidad de flujo. Luego, el valor del esfuerzo aplicado al cuál el porcentaje de finos supera un cierto porcentaje máximo, determina el límite superior para la utilización de ese apuntalante dado. Resistencia:

La siguiente tabla representa los esfuerzos máximos generales a los que pueden ser sometidos cada tipo de apuntalante sin sufrir ruptura significativa que los sitúe fuera de la Norma API: Arena: Arena Resinada: Cerámico de resistencia Intermaedia (ISP): Cerámico de Alta Resistencia (HSP):

< 6,000 psi < 8,000 psi < 10,000 psi > 10,000 psi

Tamaño del Grano

Cuanto mayor es el tamaño de grano, mayor es la porosidad y la permeabilidad de un apuntalante. Sin embargo su resistencia disminuye debido a la distribución de las cargas dentro de la matriz empacada, por lo tanto a mayor tamaño de grano, mayor capacidad de generación de finos a altas presiones de confinamiento. De igual forma al aumentar el tamaño se incrementa la dificultad en el transporte y colocación del agente de sosten dentro de la fractura. Cuando se seleciona el tamaño de grano, el factor determinante va a ser el beneficio neto que cada apuntalante puede generar:

Beneficio Neto = Produccion ( $ ) - Costo ( $ )


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Selección del Grano

Distribución: Tamaño único

Efecto del Tamaño

Distribución: Varios Tamaños


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TAMAÑO DE GRANO: Comparando el primer caso con el segundo, es claro que aunque la porosidad ( volumen vacio ) es practicamente el mismo, la capacidad de flujo es mayor ( permeabilidad ) debido a que la dimensión de los canales de flujo ( Poros ) es mayor. Al comparar el primer caso con el tercero en éste último es evidente que la porosidad es menor debido a que los granos pequeños llenan el espacio que hay entre los de mayor tamaño, resultando en una permeabilidad inferior. También es posible que en el tercer caso la resistencia a la carga final sea mayor, ya que los granos pequeños traban a los grandes, permitiendo que la carga se distribuya más uniformemente por efecto del contacto.


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Finos e Impurezas


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EFECTO DE LOS FINOS E IMPUREZAS: La gráfica muestra como la permeabilidad de diferentes empaques de arena se reduce drásticamente después de cierta presión de confinamiento, debido a la ruptura de los granos y la generación de finos que taponan la permeabilidad.


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Otras propiedades del Apuntalante Redondez y Esfericidad


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REDONDEZ Y ESFERICIDAD: La Redondez y la Esfericidad son medidas con la escala Krumbein. Estas dos propiedades pueden tener un gran impacto en la permeabilidad de un empaque de arena, ya que influyen directamente en la distribución de cargas dentro de la fractura. La Redondez se refiere a la angularidad de la superficie, mientras que la Esfericidad se refiere a que tan parecido a una esfera ( balón / b ola ) es la partícula. Así por ejemplo, una moneda tiene un alto índice de redondez, pero no de esfericidad; mientras que un cubo tiene un alto índice de esfericidad, pero no de redondez, por sus bordes angulares.


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Otras propiedades del Apuntalante • Redondez y esfericidad – Tienen un efecto drámatico en la conductividad de la fractura – Es una medida de la curvatura del grano – La redondez y el tamaño del grano son acotados en un rango estrecho – Una mejor distribucion del esfuerzo resulta en una mayor resistencia a la compresión. • Densidad del Apuntalante – Importante para determinar la capacidad de transporte del fluido de fractura. – Influye en las presiones durante el tratamiento: a mayor hidrostática menor presión en cabeza. Ingenieria & Geociencias, S.A. de C.V.

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OTRAS PROPIEDADES:


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Clases de Apuntalantes • Arena • Arena resinada  

Precurada Curable

• Cerámicos de Resistencia Intermedia (ISP)  No resinada  Resinada • Bauxita Sinterizada de Alta Resistencia (HSP)



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Arena 

Son los apuntalantes más comunmente usados



Algunas marcas comerciales: Jordan; Northern White; Texas Brown; Colorado; Arizona y Ottawa



Presión de Cierre límite :

6000 psi



Gravedad especifica :

2.65


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ARENA: La arena es normalmente el agente de sostén más económico y comúnmente utilizado. Los dos tipos principales son la Blanca y la Marrón. La primera indica un mayor grado de pureza, por lo que es más resistente.


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Arena Resinada 

Arena Resinada Precurada  



Curada durante el proceso de fabricación Para mejorar su resistencia a la compresión

Arena Resinada Curable 

Cura y adhiere las partículas del apuntalante durante el cierre de la fractura al estar sometida a temperatura de formación

Mayor aplicación: para prevenir el retorno del apuntalante (Proppant flowback).  Presión de Cierre límite: 8,000 psi  Gravedad Específica: 2.55 


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ARENAS RESINADAS: Existen dos tipos de arena resinada con diferentes aplicaciones: Arena Pre-Curada:

Tiene una cubierta de resina que aumenta su resistencia al esfuerzo confinante o de cierre y disminuye la cantidad de finos generados y liberados. Puede ser utilizada para llenar toda la fractura y no necesita químicos activadores para que la resina actúe posteriormente al cierre. El efecto de la temperatura del pozo es suficiente. Arena Curable:

La arena curable es bombeada normamente en la parte final del tratamiento, y está recubierta con algunos quimicos. Para activarla en el fluido se bombea un catalizador que va a hacer que la resina se active una vez que la fractura a cerrado uniendo los granos. Esta arena requiere de un tiempo de curado sin fluir el pozo y es utilizada para prevenir el retorno de agente de sostén cuando el pozo es producido (Flowback). Las arenas resinadas –especialmente las curables- tienen efectos colaterales en los fluidos de tratamiento, ya que normalmente alteran el pH, retardando o impidiendo el reticulado del fluido. Es necesario realizar pruebas de laboratorio previamente a cualquier tratamiento que utilice este tipo de arena para establecer su compatibilidad con el fluido de fractura que se piensa utilizar.


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Cerámicos de Resistencia Intermedia (ISP) 

Son apuntalantes manufacturados por proceso de “Sinterización”



Cerámicos de Baja Densidad (CarboLITE)  Presión

de Cierre límite:  Gravedad Específica: 

10,000 psi 2.70

Cerámicos de Densidad Media (CarboPROP)  Presión

de Cierre límite: específica:

 Gravedad

10,000 psi 3.20


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CERAMICOS DE RESISTENCIA INTERMEDIA (ISP):


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Apuntalante de Alta Resistencia 

Son utilizados cuando se requiere muy alta resistencia a la compresión



Bauxita Sinterizada (Ferroaluminato)  Presión

de Cierre límite:

 Gravedad 

Específica:

15,000 psi 3.49

Es muy costoso Ingenieria & Geociencias, S.A. de C.V.

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APUNTALANTES DE ALTA RESISTENCIA (HSP):


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Conductividad Factores que afectan la conductividad     

Esfuerzo de cierre Empotramiento del apuntalante (Hundimiento) Porosidad del empaquetamiento de arena Amplitud o ancho de Fractura Polímero utilizado


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CONDUCTIVIDAD DE LA FRACTURA: La Conductividad de la fractura es la medida de que tan efectivo es el empaque de arena para conducir el fluido, y es calculado con la siguiente ecuación:

Fc = K(frac) x W Fc= K(frac)= W=

Conductividad de la Fractura Permeabilidad del empaque (mD) Ancho de la Fractura (pie)

La conductividad adimensional (Fcd) es la comparación de que tanto puede producir la formación contra que tanto puede transportar la fractura, un buen valor de Fcd se ubica entre 1 y 10 ( 1-3 alta permeabilidad, 3-10 baja permeabilidad ). El Fcd se calcula con la siguiente e cuación:

F CD = Fcd = KF = w= ke = XF =

k F w keX F

Conductividad adimensional (mD) Permeabilidad de la fractura (mD) Ancho de fractura (pie) Permeabilidad de la formacion (mD) Largo de un ala de la fractura (pie)

En formaciones muy blandas el efecto de empotramiento (Embedment) puede afectar seriamente la geometría de fractura y debe ser compensado incrementando el ancho durante el diseño. Así, la porosidad de la fractura es la efectiva, es decir, deben descontarse las pérdidas debido al rompimiento por efecto de confinamiento.


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TALLER DE FRACTURA HIDRAULICA El ancho puede calcularse con la siguiente ecuación:

W F =

12C p

(1 − φ ) ρ p

p

Donde: WF = Cp =

Ancho de la fractura (pulg) 2 Concentración Areal del apuntalante (lb/pie )

φp = ρp =

Porosidad de la fractura (Fracción) 3

Densidad Absoluta del apuntalante (lb/pie )


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Apuntalantes Guía de Selección


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GUIA DE SELECCION DE APUNTALANTES: NOMENCLATURA: NWS =

Arena Blanca (Northern White Sand)

TBS =

Arena Marrón (Texas Brown Sand)

CRCS =

Arena Resinada Curable (Curable Resin-Coated Sand)

PCRCS =

Arena Resinada Pre-Curada (Precured Resin-Coated Sand)

HSRCS =

Arena Resinada de Alta Resistencia (High-Strength Resin-Coated Sand)

ISP =

Cerámica de Resistencia Intermedia (Intermediate-Strength Proppant)

ISP-LD =

Cerámica de Resistencia Intermedia de Baja Densidad (Intermediate-Strength Proppant - Low density)

HSP =

Cerámica de Alta Resistencia (High-Strength Proppant


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