C APÍTULO
1
1-1
P RINCIPIOS D E L A P RESIÓN Recuerde, debe pensar sobre el fondo del pozo. Los conceptos propuestos en esta sección cubren los fundamentos para un buen control de pozos.
E
ntender la presión y las relaciones de la presión es importante se queremos comprender el control del pozo. Por definición, la presión es la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área, tal como libras sobre pulgadas cuadradas (psi). Las presiones con las que nosotros tratamos a diario en la industria petrolera incluyen las de los fluidos, formación, fricción y mecánicas. Cuando se exceden ciertos límites de presión, pueden resultar consecuencias desastrosas, incluso descontroles y / o la pérdida de vidas.
P RESIÓN D E UN F LUIDO ¿Que es un fluido? Un fluido es simplemente algo que no es sólido y puede fluir. El agua y el petróleo son obviamente fluidos. El gas también es un fluido. Bajo temperatura extrema y/o presión
C APÍTULO 1 1-2 Presión (Fuerza)
¿Que es la presión?
Presión (Fuerza)
Fluido
Presión
casi todo se torna fluido. Bajo ciertas condiciones la sal o las rocas se tornan fluidos. Para nuestros propósitos, los fluidos que consideraremos son aquellos normalmente asociados con la industria del petróleo, tales como el petróleo, el gas, el agua, los fluidos de perforación, los fluidos de empaque, las salmueras, los f luidos de terminación, etc. Los fluidos ejercen presión. Esta presión es el resultado de la densidad del fluido y la altura de la columna de fluido. La densidad es normalmente medida en libras por galón (ppg) o kilogramos por metro cúbico (kg/m³). Un fluido pesado ejerce más presión porque su densidad es mayor.
Presión: 1:La fuerza por unidad de área que es ejercida sobre una superficie 2: La fuerza que un fluido ejerce cuando de alguna manera es confinado en un recipiente.
La fuerza o presión que un fluido ejerce en cualquier punto dado es normalmente medida en libras por pulgada cuadrada (psi) o en el sistema métrico, bar. Para averiguar cuanta presión ejerce un fluido de una densidad dada por cada unidad de longitud, usamos el gradiente de presión. El gradiente de presión normalmente se expresa como la fuerza que el fluido ejerce por pie (metro) de profundidad; es medido en libras por pulgada cuadrada por pie (psi/ft) o bar por metro (bar/m). Para obtener el gradiente de presión debemos convertir la densidad del fluido en libras por galón, en libras por pulgada cuadrada por pie (kilogramos por metro cúbico, kg/m³ a bar/m).
F ACTOR DE C ONVERSIÓN DE D ENSIDAD El factor de conversión usado para convertir la densidad en gradiente en el sistema inglés es 0.052. En el sistema métrico, es 0.0000981. Recuerde que la definición de gradiente de presión es el aumento de presión por unidad de profundidad debido a su densidad. Para nuestro texto, nosotros usaremos libras por galón (ppg) para medir la densidad y pies (pie) para las medidas de profundidad en el sistema inglés y kilogramos por metro cúbico (el kg/m³) para medir densidad y metros (m) para las medidas de profundidad en el sistema métrico. La manera como 0.052 se deriva es usando un pie cúbico (un pie de ancho por un pie de largo por un pie de alto). Se necesita aproximadamente 7.48 galones para llenar ese cubo con fluido. Si el f luido pesa una libra por galón, y se tienen 7.48 galones, entonces el peso total del cubo es 7.48 libras, o 7.48 libras por pie cúbico. El peso de cada una de las pulgadas cuadradas, por un pie de altura, puede encontrarse dividiendo el peso total del cubo por 144: 7.48 ÷ 144 = 0.051944 El factor de conversión 0.052 que normalmente se usa para los cálculos en el campo petrolero.
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-3
G RADIENTE
DE
P RESIÓN
Para encontrar el gradiente de presión de un fluido, multiplique la densidad del fluido por 0.052; o en el sistema métrico, por 0.0000981. Gradiente de Presión = Densidad del fluido x Factor de Conversión
Por tanto el gradiente de presión de un fluido de 10.3 ppg (1234 kg/m³) puede ser calculada multiplicando el peso del fluido por el factor de conversión.
Para calcular la presión en el fondo de un pozo utilice la profundidad vertical
Gradiente de Presiónpsi/ pie = Densidad del Fluidoppg x Factor de Conversión = 10.3 ppg × 0.052 = 0.5356 psi/pie Gradiente de Presión bar/m = Densidad del fluido kg/m³ x Factor de conversión = 1234 kg/m ³ x 0.0000981 = 0.1211 bar/m
E JEMPLO 1 ¿Cuál es el gradiente de presión de un fluido con una densidad de 12.3 ppg (1474 kg/m ³)? Gradiente de Presiónpsi/ pie = Densidad del Fluidoppg x Factor de Conversión = 12.3 X 0.052 = 0.6396psi/pie Gradiente de Presión bar/m
= Densidad del fluido kg/m³ x Factor de conversión = 1474kg/m³ x 0.0000981 = 0.1446bar/m
PROBLEMA 1 A ¿Cuál es el gradiente de presión de un fluido que pesa 9.5 ppg (1138 kg/m³)? Gradiente de Presión psi/pie = Densidad del fluido ppg X Factor de conversión
1'
Gradiente de Presión bar/m = Densidad del fluido kg/m³ X Factor de conversión
PROBLEMA 1B ¿Cuál es el gradiente de presión de un fluido que pesa 8.33 ppg (998 kg/m³)? 1' Si un fluido que pesa una libra por galón, el peso de una pulgada cuadrada y un pie de largo es 0.052 libras
1'
C APÍTULO 1 1-4
P ROFUNDIDAD V ERTICAL V ERSUS M EDIDA
Presión Hidrostática: Fuerza ejercida por un cuerpo o fluido parado; aumenta con el peso y la longitud de la columna de fluido.
Una vez que sabemos determinar la presión ejercida por pie, se podrá calcular la presión hidrostática a una determinada profundidad. Todo lo que tenemos que hacer es multiplicar el gradiente de presión por el numero de pies a dicha profundidad vertical. Entonces necesitamos distinguir la profundidad medida (MD) de la profundidad vertical verdadera (TVD). En la ilustración de abajo se puede ver que la profundidad directamente para abajo (como la gravedad atrae) para ambos pozos es 10000 pies (3048 m). El pozo A tiene una profundidad medida de 10.000 pies (3048 m), y una profundidad vertical verdadera de 10000 pies (3048 m). Como la gravedad atrae directamente para abajo, a lo largo del camino vertical (directamente para abajo), para calcular la presión en el fondo del pozo usaremos la profundidad 10000 pies (3048 m). El pozo B tiene una profundidad medida de 11.650 pies (3550.92 m), y su profundidad vertical es 10000 pies (3048 m). La gravedad se mantiene atrayendo en forma vertical, no a lo largo del camino del pozo. Se tiene una profundidad vertical de 10000 pies (3048 m) desde la superficie directamente hasta el fondo del pozo. Por tanto, para calcular la presión en el fondo del pozo B, es necesario utilizar la Well A profundidad vertical verdadera de 10000 pies (3048 m). La ilustración de la pagina siguiente ofrece otra forma de ver la diferencia entre la profundidad vertical verdadera y la profundidad medida. En dicha ilustración, tenemos una figura de bloques cuadrados, 15 por 10. Cuente cuantos bloques cubre el pozo. 1 Esto representa la profundidad 0 . 0 medida del pozo. Ahora cuente P P G los bloques desde el fondo M U directamente hasta la superficie. D El numero de esos bloques representa la profundidad vertical verdadera.
PRESIÓN HIDROSTÁTICA La presión hidrostática es la presión total creada por el peso de una columna de fluido, actuando en cualquier punto dado en un pozo. Hidro significa agua, o fluido, que ejerce presión como agua, y estática significa sin movimiento. Así presión hidrostática es la presión originada por la densidad y la altura de una columna estacionaria (sin movimiento) de fluido. Ya conocemos cómo calcular un gradiente de presión del peso de un fluido. La presión hidrostática puede ser calculada de un gradiente de presión a un punto determinado:
Presión hidrostática = Gradiente de Presión x Profundidad PVV O, puede ser calculada por: Presión hidrostática = Densidad del fluido x Factor de conversión x Profundidad PVV
Profundidad vertical verdadid vs profundidad media.
Well B
1 0 , 0 0 0 '
1 1 , 1 0 . 0 P
6 5 0
P G M U D
' M D
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-5
E JEMPLO 2 ¿Cuál es la presión hidrostática en el fondo de un pozo el cual tiene un fluido con una densidad de 9.2 ppg (1102 kg/m³), una MD de 6.750’ (2057.4 m) y una TVD de 6.130’ (1868.42 m)? Presión Hidrostáticapsi = Densidad del Fluidoppg x Factor de Conversión x Profundidad pies, TVD = 9.2 ppg x 0.052 x 6130 pies = 2933 psi Presión Hidrostáticabar = Densidad del fluido kg/m³ x Factor de Conversión x Profundidadm, TVD = 1102 bar x 0.0000981 x 1868.42 m = 201.99 bar
T V D
PROBLEMA 2 A Encontrar la presión hidrostática en el fondo del pozo es la presión hidrostática en el fondo de un pozo el cual tiene un fluido con una densidad de 9.7 ppg (1162 kg/m³), una MD de 5570’ (1697.74 m) y una TVD de 5420’ (1651.02 m).
MD Prefondidad vertical verdadid vs profundidad media.
Presión Hidrostáticapsi = Densidad del Fluidoppg × 0.052 × Profundidadpies TVD Presión Hidrostática bar = Densidad del fluido kg/m³ × 0.0000981 × Profundidad m, TVD
PROBLEMA 2B Encontrar la presión hidrostática a 4300’ (1310.64 m) TVD, de un pozo con un fluido con una densidad de 16.7 ppg (2001 kg/m³). El pozo tiene una MD de 14980’ (4565.9 m) y una TVD 13700’ (4175.76 m). Las ecuaciones precedentes para gradiente de fluido y presión hidrostática son básicas para comprender los fundamentos de las presiones en los pozos. Para prevenir que un pozo fluya, la presión del fluido en el pozo debe ser por lo menos igual que la presión de formación.
PRESIÓN ATMOSFÉRICA / MANOMÉTRICA Aunque un manómetro sea colocado en el fondo de una columna de fluido leerá la columna hidrostática de dicha columna, también leerá la presión atmosférica ejercida sobre dicha columna. Esta presión varía con las condiciones del clima y la elevación sobre el nivel del mar y es considerada normalmente 14,7 psi (aproximadamente un bar) al nivel del mar. Si un manómetro tiene la notación psig, indica que esta incluyendo la columna atmosférica encima del mismo. Si el manómetro lee en psi, indica que este ha sido calibrado substrayendo la columna atmosférica encima del mismo.
La presión atmosférica al nivel del mar es mas o menos 15 psi; su equivalente en el sistema métrico es aproximadamente un bar.
C APÍTULO 1 1-6
Analogía del tubo en U Columna
Efecto del Tubo en U Fluido de Mayor densidad
Efecto tubo en U
Columna Anular
Anular
TUBO EN U
Efecto tubo en U: la tendencia de los líquidos de buscar un punto de balance de presión en un pozo abierto.
Es muy útil visualizar el pozo como un tubo en U (ver arriba). Una columna del tubo representa el anular y la otra columna representa el interior de la tubería en el pozo. El fondo del tubo representa el fondo del pozo. En la mayoría de los casos, hay fluidos creando presiones hidrostáticas, en ambos lados, en la tubería y el anular. La presión atmosférica puede ser omitida, puesto que tiene el mismo efecto en las dos columnas. Si hubiera un fluido de 10 ppg (1198 kg/m³) tanto en el anular como al interior de la tubería, las presiones hidrostáticas serían iguales y el fluido estaría estático en ambos lados del tubo U. Sin embargo, ¿qué pasaría si el fluido en el anular fuera de mayor densidad que el fluido en la columna de tubería?. El fluido mas pesado del anular ejerciendo mayor presión hacia abajo fluirá hacia la tubería, desplazando algo del f luido liviano fuera de la sarta, originando un f lujo en superficie. El nivel del fluido caerá en el anular, igualando la presiones. Cuando hay una diferencia en las presiones hidrostáticas, el fluido tratará de alcanzar un punto de equilibrio. Esto es llamado de efecto de tubo en U, y nos explica por qué siempre hay flujo en los tubos cuando se hacen las conexiones.
Esto es a menudo evidente cuando se está perforando rápido debido a la densidad efectiva en el anular incrementada por los recortes. Otro ejemplo del tubo en U es cuando se bombea un colchón o píldora. La píldora con mayor densidad es con el propósito de permitir que los tubos sean sacados vacíos o secos, debido a la caída del nivel del fluido por debajo de la longitud media del tiro que esta siendo extraído. La profundidad a la que la píldora debe caer y la cantidad de fluido que entra en el efecto del tubo en U dentro del pozo puede calcularse utilizando las siguientes ecuaciones:
Ganancia en Tanques = (Densidad de la píldora - Densidad en anular) x Volumen de la píldora ÷ densidad en anular Distancia de la caída = Ganancia en tanques ÷ capacidad de tubería.
E JEMPLO 3 ¿Cuál será la ganancia en tanques, y cuánto caerá la píldora si la densidad del fluido es 10 ppg (1198 kg/m³), la capacidad de los tubos es de 0.0178 bbls/pie (0.00929 m³/m)? El volumen de la píldora es de 30 bbls (4.77 m³) y pesa 11 ppg (1318 kg/m³).(1318 kg/m³).
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-7 Ganancia en Tanques bbls = (Densidad de píldorappg - Densidad en anular ppg) x Volumen de píldorabbls ÷ Densidad en anular ppg = (11ppg - 10ppg) x 30 bbls ÷ 10 ppg = 3 bbls Distancia de la caídapies
= Ganancia en tanquesbbls ÷ capacidad de tuberíabbls/pie = 3 bbls ÷ 0.0178bbls/pie = 168.5 pies
Ganancia en Tanquesm³ = (Densidad de píldorakg/m³ - Densidad en anular kg/m³) x Volumen de píldora m³ ÷ Densidad en anular kg/m³ = (1318kg/m³ - 1198kg/m³) x 4,77 m³ ÷ 1198 kg/m³ = 0.478m³ Distancia de la caída m
= Ganancia en tanquesm³ ÷ capacidad de tubería m³/m = 0.478m³ ÷ 0.00929m³/m = 51.45m
PROBLEMA 3 ¿Cuál será la ganancia en tanques, y cuánto caerá la píldora si la densidad del fluido es 11.6 ppg (1390 kg/m³), la capacidad de la tubería es 0.00579 bbls/pie (0.00302 m³/m)?. El volumen de la píldora es 15 bbls (2.39 m³) y su densidad es 22.4 ppg (1486 kg/m³). Ganancia en Tanquesbbls = (Densidad de píldorappg – Densidad en anular ppg) × Volumen de píldorabbls ÷ Densidad en anular ppg Distancia de la caídapies = Ganancia en tanquesbbls ÷ Capacidad De Tuberíabbls/pie Ganancia en Tanquesm³ = (Densidad de píldorakg/m³ - Densidad en anular kg/m³) x Volumen de píldora m³ ÷ Densidad en anular kg/m³ Distancia de la caída m
= Ganancia en tanquesm³ ÷ capacidad de tubería m³/m
Dos características importantes de las rocas reservorio son la porosidad, aberturas microscópicas en la roca (a la izquierda) y la permeabilidad, la conexión de esas aberturas, que permiten a los fluidos moverse (a la derecha)
La porosidad es la medida de las aberturas o huecos dentro de la roca expresada como porcentaje.
C APÍTULO 1 1-8
Presión de fractura es la cantidad de presión necesaria para deformar en forma permanente la estructura de una roca de una formación.
CARACTERISTICAS DE LAS FORMACIONES La porosidad y la permeabilidad, junto con las presiones diferenciales, deben ser consideradas si queremos entender el control de pozos. Una roca reservorio parece sólida a simple vista. Un examen microscópico revela la existencia de aberturas diminutas en la roca. Estas aberturas se llaman poros. La porosidad de la roca se expresa en porcentaje. Esta es la relación de los espacios (poros) y el volumen sólido. Otra característica de la roca reservorio es que debe ser permeable. Esto es, que los poros de la roca deben estar conectados de tal manera que los hidrocarburos se muevan entre ellos. De otra manera los hidrocarburos quedarían presos en la roca sin poder fluir a través de ella.
PRESION DE FORMACIÓN La presión de formación, es la presión dentro de los espacios porosos de la roca reservorio. Esta presión puede ser afectada por el peso de la sobrecarga (capas de rocas) por encima de la formación, la cual ejerce presión en los granos y los poros con fluidos de la roca reservorio. Los granos son el elemento sólido o roca, y los poros son los espacios entre estos granos. Si los fluidos tienen libertad para moverse y pueden escapar, los granos pierden parte de su soporte y se aproximan entre si. Este proceso se denomina compactación. Las formaciones con presión normal, ejercen una presión igual a la columna del f luido nativo de dicha formación hasta la superficie. El gradiente de presión de los fluidos nativos generalmente fluctúa de 0,433 psi/pie (0.0979 bar/m) a 0.465 psi/pie (0.1052 bar/m), y varía de acuerdo con la región geológica. Las formaciones presurizadas dentro de este rango, son llamadas normales, dependiendo del área. Para simplicidad, en este texto designaremos un gradiente de 0.465 psi/pie (0.1052 bar/m) como normal. En las formaciones con presión normal la mayor parte de la sobrecarga es soportada por los granos que conforman la roca. Cuando la sobrecarga aumenta con la profundidad, los fluidos porales se mueven libremente reduciéndose el espacio poral debido a la compactación. Las formaciones con presión anormal ejercen una presión mayor que la presión hidrostática (o gradiente de presión) que la de los fluidos contenidos en la formación.
Cuando se desarrollan presiones anormales, durante la fase de la compactación, el movimiento de los fluidos de los poros es restringido o paralizado. La presión en los poros aumenta, generalmente excediendo 0.465 psi/pie (0.1052 bar/m). El resultado causado por un incremento de sobrecarga, hace que ésta sea soportada parcialmente por los fluidos porales más que por los granos de la roca. Para controlar estas formaciones puede necesitarse trabajar con altas densidades de f luidos, y a veces, mayores que 20 ppg (2397 kg/m³). Puede haber otras causas para la existencia de presiones anormales, tales como la presencia de fallas, domos de sal, levantamientos, y diferencias de elevación de las formaciones subterráneas. En muchas regiones cientos de pies de capas de rocas preexistentes (sobrecarga) fueron desapareciendo por efecto de la erosión. Al final, a profundidades superficiales por esta pérdida de sobrecarga debido a la erosión, estas formaciones pueden originar que la presión se convierta en anormal, encima de 0.465 psi/pie (0.01052 bar/m), o 8.94 ppg (1072 kg/m³) Cuando una formación normalmente presurizada es levantada hacia la superficie previniendo que no pierda su presión poral durante el proceso, cambiará de presión normal (a mayor profundidad) a presión anormal a profundidad superficial). Cuando esto sucede, y se tiene que perforar en estas formaciones, puede ser necesario usar densidades de fluido de 20 ppg (2397 kg/m³) para controlarlas. Este proceso es la causa de muchas de las presiones anormales en el mundo. En áreas donde hay presencia de fallas, se pueden predecir capas o domos de sal, o son conocidos gradientes geotérmicos altos, las operaciones de perforación pueden encontrar presiones anormales. Las formaciones con presiones anormales pueden a menudo ser detectadas usando antecedentes de otros pozos, la geología superficial, los perfiles del pozo y por medio de investigaciones geofísicas.. Las formaciones con presiones subnormales tienen gradientes menores que los del agua dulce, o menores que 0.433 psi/pie (0.0979 bar/m). Formaciones con presiones subnormales pueden ser desarrolladas cuando la sobrecarga ha sido erosionada, dejando la formación expuesta a la superficie.
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-9 Casing
Cemento
Prueba del Cemento Formación
Prueba de Integridad
La reducción de los fluidos porales originales a través de la evaporación, acción de la capilaridad y dilución producen gradientes hidrostáticos inferiores a los 0.433 psi/pie (0.0979 bar/m). Las presiones subnormales pueden ser también inducidas a través de la depletación de los fluidos de la formación.
PRESIÓN DE FRACTURA La presión de fractura es la cantidad de presión necesaria para deformar permanentemente (fallar o separar) la estructura rocosa de la formación. Superar la presión de formación generalmente no es suficiente para causar una fractura. Si el fluido poral no está libre de movimiento entonces una fractura o deformación permanente pueden ocurrir. La presión de fractura puede ser expresada como un gradiente (psi/pie), un fluido con densidad equivalente (ppg) o por la presión total calculada de la formación (psi). Los gradientes de fractura normalmente aumentan con la profundidad debido al incremento de la presión por sobrecarga. Formaciones profundas, altamente compactadas requieren presiones de fractura muy altas para superar la presión de formación existente y la resistencia estructural de la roca. Formaciones poco compactadas, tales como las que se encuentran debajo de aguas profundas, pueden tener gradientes de fractura bajos.
Las presiones de fractura a una profundidad dada, pueden tener gran variación en función de la geología regional.
PRUEBAS DE INTEGRIDAD MATION INTEGRITY TESTS Una evaluación exacta de los trabajos de cementación del casing así como de la formación es de extrema importancia durante la perforación de un pozo así como para los trabajos subsecuentes. La información resultante de las Pruebas de Integridad de la Formación (PIT por las iniciales en ingles), es usada durante la vida productiva del pozo y de los pozos vecinos. Profundidades de casing, opciones de control de pozo, y densidades límites de los fluidos de perforación, pueden basarse en esta información. Para determinar la resistencia y la integridad de una formación, deben realizarse Pruebas de Admisión (pérdida) (LOT en ingles) o Pruebas de Integridad de la Formación (PIT). Cualquiera que sea la denominación, estas pruebas son primero: un método para verificar el sello del cemento entre el casing y la formación, y segundo: para determinar la presión y/o la densidad del fluido que puede soportar la zona de prueba debajo del casing. Cualquiera que sea la prueba efectuada, debe observarse algunas consideraciones generales. El fluido en el pozo debe ser circulado hasta quedar limpio para asegurar que es de una densidad conocida y homogénea. Si se utiliza lodo para la prueba, debe ser acondicionado en forma adecuada y su resistencia a la gelificacion minimizada. La bomba a utilizar puede ser de alta presión y bajo volumen o bomba de cementación. Las bombas del equipo pueden ser utilizadas cuando tengan fuerza motriz eléctrica y puedan ser fácilmente accionadas a bajas velocidades. Si las bombas del equipo tienen que ser usadas y no puedan ser accionadas a bajas velocidades, entonces debe ser modificada la técnica de admisión. La alternativa sería confeccionar un grafico de presión versus tiempo o volumen para todas las pruebas de admisión como se muestra en las figuras de la página siguiente.
La información resultante de una prueba de integridad de formación es utilizada a lo largo de la vida de un pozo.
C APÍTULO 1 1-10 Incrementos de Volumen Generalmente unos 20 Gal (75 Lt)
Volumen Acumulado Bombeado Detener Bomba
C Límite de recta
P
N ÓI S E R
Pare Aquí
B
IE CI F R E P U S N E N ÓI S E R P
Incrementos de Presión
D Presión de cierre instantánea
Tiempo de Cierre
E
Final de prueba
N ÓI S E R P
Incrementos de Presión por peso
Pare Aquí A Slack in System TIEMPO
Presión vs. Tiempo o volumen para la prueba de formación.
EMBOLADAS DE BOMBA
PRUEBA DE ADMISIÓN (LOT) Una prueba de admisión es utilizada para estimar la presión o peso de lodo máximo (densidad del fluido) que el punto de la prueba puede aguantar antes de romper o fracturar la formación.
TÉCNICA DE A DMISIÓN N° 1
Prueba de jarro: prueba de integridad limitada de la formación, efectuada comúnmente cuando el riesgo de dañar la formación es alto.
Se aplica presión al pozo en incrementos de 100m psi (6.9 bar) o se bombea fluido al pozo en incrementos de volumen aproximados de medio barril (0.079m³). Después de cada incremento de presión, la bomba se detiene y la presión se mantiene durante aproximadamente 5 minutos. Si se logra mantener la presión, se prueba el incremento siguiente. Si la presión no se mantiene, se presuriza nuevamente el pozo. La prueba se termina cuando la presión no se mantiene después de varios intentos, o no es posible aumentarla.
TÉCNICA DE A DMISIÓN N° 2 El estrangulador del manifold se abre y se comienza a operar la bomba en vacío. Se cierra el estrangulador para aumentar la presión en incrementos de 100 psi (6.9 bar). Para cada intervalo se verifica el volumen en los tanques hasta estar seguro que la formación no admite fluido. La prueba se considera completada cuando se alcanza una presión en la que la formación comienza a admitir fluido en forma continua. Para cada incremento de presión se pierde algo de fluido. Si esta técnica es aplicada, se debe utilizar un tanque pequeño para no forzar grandes cantidades
TIEMPO
de fluido hacia la formación. Las pérdidas de presión por fricción que están presentes durante esta operación aumentan inadvertidamente la presión aplicada a la formación probada, las cuales darán resultados ligeramente diferentes (presiones de fractura menores) que las obtenidas en la técnica N° 1.
PRUEBA DE INTEGRIDAD LIMITADA Una prueba de integridad de formación limitada (PIT limitada), también llamada prueba de jarro, se realiza cuando no es aceptado producir una fractura de la formación. Puede ser usada también en los pozos perforados en áreas de desarrollo. En dichos casos, los operadores tienen buena información referente a la resistencia de la formación y no esperan acercarse a las presiones de fractura. En las pruebas de integridad limitada de formación, el pozo es presurizado a un valor de presión o densidad equivalente predeterminadas. Si la formación aguanta las presiones aplicadas se considera buena la prueba. Las dos pruebas, PIT y LOT, tienen sus ventajas y desventajas. En las pruebas PIT limitadas, la formación no se rompe; sin embargo, la presión a la que la formación comienza a admitir no es conocida. En las LOT, la presión a la que la formación comienza a admitir fluido es determinada, pero hay la posibilidad de fracturar la formación.
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-11
RELACIÓN ENTRE PRESIÓN /D ENSIDAD
prueba, se estima por medio de cálculos la densidad estimada del fluido de integridad.
La presión total aplicada causa admisión o daño de formación. Esto es generalmente una combinación de presión hidrostática de un fluido más una presión adicional, tal como la presión de la bomba durante la prueba de admisión. Las presiones aplicadas aumentan la presión total contra la formación. De datos de la
Esta es la presión total, representada como una densidad de fluido, encima de la cual admisión o daño de formación podrían ocurrir. Esta también puede ser llamada de densidad máxima permisible, o densidad de fractura. Los cálculos para determinar la densidad de integridad estimada del fluido son como sigue:
Cuando se estiman valores de Integridad de formación los decimales en resultados no se deben redondear.
Densidad estimada del fluido de Integridadppg = (Presión de la prueba psi ÷ 0.052 ÷ Profundidad de la pruebapies TVD) + Densidad del fluido de pruebappg Densidad estimada del fluido de Integridadkg/m³ = (Presión de la pruebabar ÷ 0.000098 ÷ Profundidad de la pruebam TVD)+ Densidad del fluido de pruebakg/m³ La densidad del fluido de la prueba a manudo es usada a lo largo de todo el pozo. Si esta densidad cambia, entonces la presión de superficie que podría dañar la formación debe ser re-calculada. Para encontrar la nueva presión de integridad estimada con diferente densidad de fluido:
Presión de Integridad estimadapsi = (Densidad Est. del fluido de Integridadppg – Densidad del fluido de pruebappg) × Profundidad de la pruebapies, TVD × 0.052 Presión de Integridad estimada bar = (Densidad Est. del fluido de Integridadkg/m³ – Densidad del fluido de pruebakg/m³) × Profundidad de la pruebam, TVD × 0.0000981
E JEMPLO 4 Resolver las siguientes ecuaciones para la densidad estimada del fluido de integridad (peso máximo del fluido sin causar daño de formación), y la presión estimada de integridad que podría causar daño, utilizando densidad de fluido diferente usando los datos siguientes. Nota: Cuando se efectúen los siguientes ejercicios, los decimales en las respuestas no deben ser redondeados para arriba. La seguridad contra la fractura de la formación se basa en los valores menores. El pozo tiene una profundidad total (TD) de 11226 pies (3421.68 m) y el zapato del casing está asentado a 5821 pies (1774.24 m) TVD. La presión de la prueba de admisión fue de 1250 psi (86.19 bar), con un fluido de prueba de 9.6 ppg (1150 kg/m³). La densidad del fluido actual es 10.1 ppg (1210 kg/m³). Primero encontrar la densidad estimada del fluido de integridad:
Densidad estimada del fluido de Integridadppg = (Presión de la pruebapsi ÷ 0.052 ÷ Profundidad de la pruebapies,TVD) + Densidad del fluido de pruebappg = (1250 ÷ 0.052 ÷ 5821) + 9,6 = 4.1 + 9.6 = 13.7 ppg
Densidad estimada del fluido de Integridadkg/m³ = (Presión de la prueba bar ÷ 0.0000981 ÷ Profundidad de la prueba m, TVD) + Densidad del fluido de pruebakg/m³ = (86.19 ÷ 0.0000981 ÷ 1774.24) + 1150 = 495 + 1150 = 1645 kg/m³
C APÍTULO 1 1-12 En los cálculos de integridad de formación, no se debe redondear el resultado para el decimal superior. Por lo que en el calculo anterior se usó 4,1 en lugar de 4,13 ppg (495 kg/m³ en lugar de 495,19 kg/m³). En el ejemplo, la densidad actual es mayor que la densidad de la prueba, por lo que es necesario calcular la presión de integridad actual.
Presión de Integridad estimadaepsi Si se cambia la densidad del fluido, la presión de superficie que podrían dañar la formación deben ser recalculada.
= (Dens. Est. del fluido de Integridad ppg – Densidad del fluido de prueba ppg) × Profund. de la prueba pies, TVD x 0.052 = (13.7 - 10.1) x 5821 x 0.052 = 1089 psi. Presión de Integridad estimada bar = (Densidad Est. del fluido de Integridadkg/m³ – Densidad del fluido de pruebakg/m³) × Profundidad de la prueba m, TVD x 0.0000981 = (1645 - 1210) x 1774.24 x 0.0000981 = 75.71 bar
PROBLEMA 4 ¿Cuál será la densidad estimada del f luido de integridad y la presión estimada de integridad que podría dañar la formación para un pozo con una MD de 12000 pies (3657,6 m), TVD de 10980 pies (3346,7 m)? El zapato del casing esta a 8673 pies (2643.23 m) TVD. La presión de la prueba de admisión fue de 1575 psi (108.59 bar) con un fluido de prueba con densidad de 11,1 ppg (1330 kg/m³), la densidad del fluido actual es 11.6 ppg (1390 kg/m³). Primero resolvamos la densidad estimada del f luido de integridad:
Densidad estimada del fluido de Integridadppg = (Presión de la pruebapsi ÷ 0.052 ÷ Profundidad de la prueba pies TVD) + Densidad del fluido de pruebappg
Densidad estimada del fluido de Integridad kg/m³ = (Presión de la pruebabar ÷ 0.0000981 ÷ Profundidad de la prueba m, TVD) + Densidad del fluido de prueba kg/m³
Luego, resolvamos la presión estimada de integridad actual: Presión de Integridad estimadapsi = (Dens. Est. del fluido de Integridad ppg – Densidad del fluido de prueba ppg) × Profund. de la prueba pies TVD × 0.052 Presión de Integridad estimada bar = (Densidad Est. del fluido de Integridad kg/m³ – Densidad del fluido de prueba kg/m³) × Profundidad de la prueba m, TVD × 0.0000981 Generalmente se acostumbra colocar un gráfico en el equipo, mostrando los incrementos de densidad del lodo y la presión de integridad estimada para cada uno de ellos. Para hacer esto, calcule la ganancia en presión hidrostática para incrementos de 0.1 ppg (11.9 kg/m³).
Presión hidrostática = Incremento de peso de fluido x factor de conversión x profundidadTVD La presión de integridad estimada que puede aplicarse se reduce por el incremento de presión hidrostática ganado a cada incremento de la densidad del lodo. Una tabla comenzando con la densidad actual del lodo hasta la densidad estimada del fluido de integridad puede ser fácilmente preparada.
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-13
E JEMPLO 5 Prepare una tabla de presiones de integridad estimadas en la superficie para densidades de lodo desde 10.1 hasta 11.1 ppg (1222 a 1330 kg/m³). La profundidad del zapato del casing es 5821 pies (1774.24 m) TVD y la presión estimada de integridad para el lodo de 10.1 (1220 kg/m³) es 1250 psi (86.19 bar). Primero encuentre el incremento en presión hidrostática para cada 0.1 ppg (11.98 kg/m³):
Presión hidrostáticapsi = Incremento de peso de fluido x factor de conversión x profundidadTVD = 0.1 x 0.052 x 5.281 = 30 psi Presión hidrostáticabar = Incremento de peso de fluido x factor de conversión x profundidadTVD = 11.98 x 0.0000981 x 1774.24 = 2.09 bar Basado en la ganancia en presión hidrostática, substraer este valor de la presión estimada de integridad para cada incremento correspondiente a la densidad de fluido.
Presión de Integridad estimada en Superficie Densidad del Fluido (ppg)
Presión estim. de integridad (psi)
Densidad del Fluido (kg/m3)
Presión estim. de integridad (bar)
10.1
1250
1210
86.19
10.2
1220
1222
84.1
10.3
1190
1234
82.01
10.4
1160
1246
79.92
10.5
1130
1258
77.83
10.6
1100
1270
75.74
10.7
1070
1282
73.65
10.8
1040
1294
71.56
10.9
1010
1306
69.47
11.0
980
1318
67.38
11.1
950
1330
65.29
PROBLEMA 5 Prepare una tabla de presiones estimadas de integridad en la superficie para densidades de lodo desde 11,7 hasta 12.6 ppg (1402 a 1510 kg/m³). La profundidad del zapato del casing es 8672 pies (2643.23 m) TVD y la presión estimada de integridad para el lodo de 11.6 (1390 kg/m³) es 1352 psi (93.22 bar):
Presión hidrostáticapsi = Incremento de peso de fluidoppg × 0.052
Presión de Integridad estimada en Superficie
× profundidadTVD Presión hidrostática bar = Incremento de peso de fluido kg/m³ × 0.0000981 × profundidadm, TVD Luego, llene la tabla de la derecha. Términos alternativos tales como lodo con densidad de fracturas, también MASP (Presión Máxima Permisible en Superficie) o MAASP (Presión Máxima Anular Permisible en Superficie) son también utilizados para estimar la densidad del fluido de integridad y la presión estimada de integridad. Si tales términos juntos son utilizados como factores limitantes sin una adecuada comprensión de los límites de presiones versus el mantenimiento del control del pozo, pueden resultar serias complicaciones en el control del pozo. Si esta información es utilizada durante una operación de control de pozos debe considerarse además la localización del influjo, su distribución así como su densidad.
Densidad del Fluido (ppg)
Presión estim. de integridad (psi)
Densidad del Fluido (kg/m³)
Presión estim. de integridad (bar)
C APÍTULO 1 1-14
DENSIDAD EQUIVALENTE De los análisis precedentes puede ser deducido que cualquier presión aplicada aumenta la presión total en cualquier punto determinado. Si la presión aplicada es conocida, entonces puede ser calculada su densidad equivalente en dicho punto. Alternativamente, si una zona debe ser presurizada a una densidad equivalente, entonces pueden realizarse cálculos para determinar la presión de la prueba.
La densidad equivalente del lodo (EMW) es también la sumatoria de todas las presiones (hidrostática, contrapresión del estrangulador, presiones aplicadas, presión del influjo, pérdida de presión por circulación, etc.) a una profundidad o zona dadas, y puede ser expresada como una densidad de fluido. Si las presiones son conocidas o pueden ser estimadas, la EMW puede calcularse como sigue:
EMW = (Presión ÷ Factor de Conversión ÷ Profundidad de InterésTVD) + Densidad actual
E JEMPLO 6 ¿Cuál es la EMW para una zona con una MD de 3.120 pies (950,97 m) y una TVD de 3.000 pies (914,4 m) cuando el pozo es cerrado con 375 psi (25,86 bar) registradas en el manómetro del casing? La densidad del fluido actual es 8,8 ppg (1055 kg/m³). EMWppg
= (Presiónpsi ÷ 0.052 ÷ Profundidad de Interéspies TVD) + Densidad actualppg = (375 ÷ 0.052 ÷ 3000) + 8.8 = 2.4 + 8.8 = 11.2 ppg
EMWkg/m³ = (Presiónbar ÷ 0.0000981 ÷ Profundidad de Interés m, TVD) + Present Fluid Density kg/m³ = (25.86 ÷ 0.0000981 ÷ 914.4) + 1055 = 288 + 1055 Resistencia a la fricción: La oposición al flujo creada por un fluido cuando fluye a través de un conducto u otro contenedor.
= 1343 kg/m3
PROBLEMA 6 ¿Cuál es la EMW para una zona con una MD de 7320 pies (2231.14 m) y una TVD de 6985 pies (2129.03 m) se las presiones registradas en el casing compuestas por las presiones estimadas en el estrangulador y la perdida de carga en el anular suman 730 psi (50.33 bar). La densidad del fluido actual es 13.8 ppg (1654 kg/m³). EMWppg = (Presiónpsi ÷ 0.052 ÷ Profundidad de Interéspies TVD) + Densidad actualppg EMWkg/m³ = (Presiónbar ÷ 0.0000981 ÷ Profundidad de Interésm, TVD) + Densidad actualkg/m³
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-15
Para determinar cuánta presión puede ser aplicada es necesario probar a una densidad equivalente (EMW) a una profundidad dada: Presión de Pruebapsi = (EMWppg – Densidad Actualppg) × 0.052 × Profundidad. de Interéspies TVD Presión de Pruebabar = (EMWkg/m³ – Dens. Actualkg/m³) × 0.0000981 × Profundidad de Interés m, TVD
E JEMPLO 7 ¿Cuánta presión de prueba puede ser aplicada para probar una formación con una profundidad medida MD de 5890 pies (1795.27 m) y una profundidad vertical TVD de 5745 pies (1751.08 m) a una densidad equivalente de 13.4 ppg (1606 kg/m³)? La densidad actual es 9.1 ppg (1090 kg/m³).
Presión de Pruebapsi = (EMWppg – Densidad Actualppg) × 0.052 × Profundidad. de Interéspies TVD = (13.4 - 9.1) x 0.052 x 5.745 = 4.3 x 0.052 x 5.745 = 1285 psi
Presión de Pruebabar = (EMWkg/m³ – Dens. Actualkg/m³) × 0.0000981 × Profundidad de Interés m, TVD = (1606 - 1090) x 0.0000981 x 1751,08 = 516 x 0.0000981 x 1751.08 = 88.64 bar
PROBLEMA 7 ¿Cuánta presión de prueba puede ser aplicada para probar una formación con una profundidad medida MD de 5890 pies (1795.27 m) y una profundidad vertical TVD de 5745 pies (1751.08 m) a una densidad equivalente de 13,4 ppg (1606 kg/m³)? La densidad actual es 9,1 ppg (1090 kg/m³). Presión de Pruebapsi = (EMWppg – Densidad Actualppg) × 0.052 × Profundidad. de Interéspies TVD
Presión de Pruebabar = (EMWkg/m³ – Dens. Actualkg/m³) × 0.0000981 × Profundidad de Interés m, TVD
La mayor parte de la pérdida de presión ocurre en la columna de tubería y a través de restricciones tales como las boquillas del trépano
C APÍTULO 1 1-16
PÉRDIDA DE PRESIÓN POR FRICCIÓN/PRESIÓN DE CIRCULACIÓN
Presión de Fondo de Pozo: 1:La presión ejercida por una columna de fluido en el pozo. 2: Presión de la formación a la profundidad de interés.
las líneas de superficie, hacia abajo por la columna de tubería y hacia arriba por el espacio anular. La presión en la bomba es en realidad, la cantidad de fricción que se debe superar para mover el fluido por el pozo a un determinado caudal. La mayor parte de la pérdida de presión ocurre en la columna de tubería y en las restricciones tales como las boquillas del trépano(1). Las pérdidas de presión también ocurren en otras partes del sistema de circulación, tales como cuando se ajusta el estrangulador para mantener contrapresión en el casing durante las operaciones de control de pozo. Cuando el fluido retorna finalmente a los tanques, se encuentra a presión atmosférica, o casi cero. Cuando se está circulando el pozo, la presión en el fondo del pozo se aumenta en función de la fricción que se necesita superar en el anular. Cuando las bombas están paradas, la presión en el pozo se reduce porque no hay fuerza de fricción a ser superada.
La fricción es la resistencia al movimiento. Es necesario aplicar una fuerza, o presión, para superar la fricción para mover cualquier cosa. La fricción debe ser superada para levantar una tubería, mover un fluido, aun para caminar. La cantidad de fricción que está presente para ser superada depende de muchos factores, tales como la densidad o peso, tipo y rugosidad de las dos superficies en contacto, área de las superficies, propiedades térmicas y eléctricas de las superficies, y la dirección y velocidad de los objetos. La cantidad de fuerza que se utiliza para superar la fricción es denominada como perdida por fricción y puede medirse de varias maneras. Algunas de ellas son el torque, el arrastre (amperios, pies-libras, [Kg.-m], Caballos Potencia HP [CV], etc.) y y la fuerza para mover el fluido (psi o bar). Se pueden perder miles de psi (bar) de presión en el sistema de los pozos mientras se bombea fluido por
Tubo Vertical 2950
Tubería de
3000
Bomba
0 Flowline
Tanque Casing
Presión de Circulación
Trépano 900
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-17 Pozo Estático
Circulación Normal
Bomba
Bomba
Circulación con Cabeza Rotativa
Circulación De Una Surgencia Al Exterior Del Pozo
Bomba
Bomba BOP Stack
Rotation Head
BHP = HP
BHP = HP + APL
Dado que la fricción agrega presión al pozo, el peso efectivo o densidad equivalente de circulación (ECD) aumenta en el fondo. Su valor total es el equivalente a la presión de fondo de pozo con la bomba en funcionamiento. Si la presión de una formación permeable está casi en balance por efecto de la ECD, el pozo puede fluir cuando la bomba se detenga. Datos obtenidos de registros mientras se perfora (LWD) pueden ser utilizados para obtener lecturas aproximadas de la presión en el anular, con la que se puede determinar la ECD.
DENSIDAD EQUIVALENTE Las paredes del pozo están sujetas a presión. La presión hidrostática de la columna de fluido constituye la mayor parte de la presión, pero la presión que se requiere para mover el fluido también actúa sobre las paredes. En diámetros grandes esta presión es muy pequeña, raramente excede los 200 psi (13.79 bar). En pozos de pequeño diámetro puede alcanzar hasta 400 psi (27.85 bar) a veces más. La contrapresión, o presión ejercida en el estrangulador, también aumenta la presión de fondo, la que puede ser estimada sumándole todas las presiones conocidas que actúan sobre o en el fondo. La presión de fondo puede ser estimada durante las siguientes actividades.
BHP = HP + APL + Perdida de Presión de Cabeza Rotaria
BHP = HP + APL + Presión en el estrangulador
POZO ESTÁTICO No hay fluido en movimiento, el pozo esta estático. La presión de fondo (BHP) es igual a la presión hidrostática del fluido (HP) en el anular del pozo mas la presión que hubiera en el casing en superficie.
CIRCULACIÓN NORMAL Durante la circulación, la presión de fondo del pozo es igual a la presión hidrostática del fluido más las pérdidas de presión por fricción en el anular (APL)
CIRCULACIÓN CON C ABEZA R OTATIVA Cuando se circula con una cabeza rotativa la presión en el fondo es igual a la presión hidrostática del fluido más las pérdidas de presión por fricción en el anular, más la contrapresión de la Cabeza Rotativa.
CIRCULACIÓN DE U NA SURGENCIA A L E XTERIOR DEL POZO La presión del fondo del pozo es igual a la presión hidrostática del fluido más las pérdidas de presión por fricción en el anular, más la presión en el estrangulador (casing). (para operaciones submarinas, sume las pérdidas de presión en la línea del estrangulador).
La presión hidrostática es controlada a través de un cuidadoso monitoreo y control de la densidad del fluido.
C APÍTULO 1 1-18
MOVIENDO LA TUBERÍA, PRESIÓN DE COMPRESIÓN / PISTONEO (SURGE/SWAB) CIRCULACIÓN
Presión de Fondo de Pozo: 1:La presión ejercida por una columna de fluido en el pozo. 2: Presión de la formación a la profundidad de interés.
La presión total que actúa en el pozo es afectada por los movimientos para bajar y para sacar la columna del pozo. En la sacada se genera una presión de pistoneo (swab pressure), la cual reduce la presión en el fondo del pozo. El pistoneo ocurre porque el fluido en el pozo no baja tan rápido como la columna es subida. Esto crea una fuerza de succión y reduce la presión debajo de la columna. Arena Esta fuerza puede ser comparada con el efecto del embolo de una jeringa, la que aspira fluido de la formación hacia el pozo. Cuando se baja la columna muy rápido, se crea una fuerza de compresión, porque el fluido no tiene tiempo de desplazarse hacia arriba. Como el fluido es mínimamente compresible, la presión en el pozo puede aumentar y producir una admisión o una fractura. Los dos fenómenos están afectados por la velocidad de movimiento de la columna, el espacio entre la columna y la pared del pozo y por las propiedades del fluido. Si bien es casi imposible eliminar esas presiones, pueden ser minimizadas reduciendo la velocidad de la maniobra. Se pueden hacer cálculos para estimar la velocidad máxima de la maniobra así como las presiones de compresión (surge) y de pistoneo (swab), sin embargo esos cálculos están fuera del alcance de este manual.
MARGEN DE MANIOBRA Y DE SEGURIDAD A menos que haya un exceso de densidad de fluido para compensar el efecto de pistoneo, los fluidos de la formación puede entrar al pozo y provocar una surgencia. El margen de maniobra es un incremento estimado en la densidad del fluido antes de una maniobra para compensar la pérdida de presión por fricción que cesa al parar las bombas (ECD). El margen de maniobra también compensa las presiones de pistoneo cuando la tubería es sacada del pozo.
Presión de Pistoneo Movimiento de lo tubos
Propiedades del Fluido
Swab
El uso de ajustes en la densidad para un margen de seguridad o de maniobra requiere hacerlo en forma juiciosa. Si el margen es muy alto, se puede causar pérdida de circulación. Un margen muy bajo podría permitir que el pozo entre en surgencia. El margen depende del diámetro del pozo, de las condiciones, la velocidad de movimiento de la tubería, las propiedades del fluido y de la formación.
PRESIÓN DIFERENCIAL La diferencia entre la presión de formación (PF) y la presión hidrostática en el fondo del pozo (PH) es la presión diferencial. Esta se clasifica como Sobre balanceada, Sub balanceada y Balanceada.
SOBRE B ALANCEADA Sobre balanceada significa que la presión hidrostática ejercida en el fondo del pozo es mayor que la presión de formación:
PH > PF
SUB B ALANCEADA Sub balanceada significa que la presión hidrostática ejercida en el fondo del pozo es menor que la presión de formación:
PH < PF
P RINCIPIOS DE LA PRESIÓN 1-19
B ALANCEADA Balanceada significa que la presión hidrostática ejercida sobre el fondo del pozo es igual a la presión de formación: PH = PF
La mayoría de los pozos son perforados o reparados, en condiciones de balance o sobre balance. Si se está circulando o perforando, la fricción y los recortes contribuyen a una presión efectiva en el fondo del pozo.
Sobre balance PH > PF
RESUMEN Hay dos fuerzas principales que trabajan en forma opuesta en un pozo. Estas son la presión de la columna hidrostática de fluido y la presión de formación. Si una de las presiones supera a la otra entonces puede ocurrir una surgencia o una pérdida de circulación. Debido a que la presión hidrostática es función de la densidad del fluido de trabajo en el pozo, su valor debe ser muy controlado. Realizando cálculos pequeños y con cuidado, y manipulando las ecuaciones para la presión hidrostática, es posible probar trabajos de cementación, estimar la presión de integridad de la formación, proyectar las densidades máximas del fluido de perforación y controlar la surgencia de los pozos. Las surgencias y los reventones son prevenidos por personas que son capaces de trabajar en forma rápida y decidida bajo situaciones de estrés. Uno de los aspectos más importantes del entrenamiento necesario para la prevención de reventones es entender los conceptos de presión y la habilidad para realizar cálculos exactos. t
Presión diferencial es la diferencia entre la presión de formación y la presión hidrostática
Sub balance PH < PF
Balance PH = PF
Las surgencias son prevenidas por personas que son capaces trabajar en forma rápida y decidida bajo situaciones de estrés.
