CURSO-PERFORACIÓN-DIRECCIONAL

ASESORIA Y ADIESTRAMIENTO

CURSO CURSO BÁ B Á SICO SICO DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL

Primera Versi Versión ón / Juli Ju lio o 2003 2003 Ing. Marcos Fernandez.Msc. Ing. Jorge Jorg e Romero, Romero, Msc .

TABLA DE CONTENIDO Capítulo Capítulo 1: Causas que Originan la Perfo Perforació ración n Direccio nal.

1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 1.14.

Localizaciones Localizaciones inaccesibles. Domo de sal. Fallas. Plataformas. Pozos de alivio. Desvío del pozo (side track). Pozos verticales (control de la verticalidad). verticalidad). Pozos geotérmicos. geotérmicos. Arenas múltiples. Pozo horizontal. Pozo multilateral. multilateral. Económicas.

Capítulo Capítulo 2: Conceptos básicos. Capítulo Capítulo 3: Herramientas Utilizadas en en la perfor ación Direcc ional. ion al.

3.1. Herramientas Herramientas Deflectoras. 3.2. Herramientas Herramientas de Medición. 3.3. Herramientas Herramientas Auxiliares. Capítulo Capítulo 4: Tipos de pozos d ireccionales

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

Pozos tipo tangencial. Pozos tipo “s”. Pozos tipo “j”. Pozos inclinados. Pozos horizontales. horizontales. Ejercicios prácticos

Capítulo Capítulo 5: Métodos de estudio s d ireccionales.

5.1. Método del balance tangencial 5.2. Método de ángulo promedio. 5.3. Método de radio de curvatura. 5.4. Método de curvatura mínima. 5.5. Ejemplo de aplicación de métodos. ii

TABLA DE CONTENIDO Capítulo Capítulo 1: Causas que Originan la Perfo Perforació ración n Direccio nal.

1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 1.14.

Localizaciones Localizaciones inaccesibles. Domo de sal. Fallas. Plataformas. Pozos de alivio. Desvío del pozo (side track). Pozos verticales (control de la verticalidad). verticalidad). Pozos geotérmicos. geotérmicos. Arenas múltiples. Pozo horizontal. Pozo multilateral. multilateral. Económicas.

Capítulo Capítulo 2: Conceptos básicos. Capítulo Capítulo 3: Herramientas Utilizadas en en la perfor ación Direcc ional. ion al.

3.1. Herramientas Herramientas Deflectoras. 3.2. Herramientas Herramientas de Medición. 3.3. Herramientas Herramientas Auxiliares. Capítulo Capítulo 4: Tipos de pozos d ireccionales

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

Pozos tipo tangencial. Pozos tipo “s”. Pozos tipo “j”. Pozos inclinados. Pozos horizontales. horizontales. Ejercicios prácticos

Capítulo Capítulo 5: Métodos de estudio s d ireccionales.

5.1. Método del balance tangencial 5.2. Método de ángulo promedio. 5.3. Método de radio de curvatura. 5.4. Método de curvatura mínima. 5.5. Ejemplo de aplicación de métodos. ii

TABLA DE CONTENIDO Capítulo Capítulo 6: Corrección por declinación magnética.

6.1. Declinación magnética. 6.2. Estudios de la declinación magnética. 6.3. Procedimiento para la corrección magnética. 6.4. Ejemplos de corrección magnética. Capítulo Capítulo 7: Teoría Teoría del diagr ama de vectores. Capítulo Capítulo 8: Teoría Teoría de perfor ación h orizontal. ori zontal.

8.1. Introducción. Introducción. 8.2. Tipos de pozos horizontales. 8.3. Métodos de construcción de pozos horizontales. Referencias bibliográficas.

iii

CAPÍTULO 1 CAUSAS QUE ORIGINAN LA PERFORACIÓN DIRECCIONAL A continuación se describen las causas por las cuales se realiza una perforación direccional en un pozo: 1.1. LOCAL IZACIONES INACCESIBLES.

Los campos petroleros están frecuentemente ubicados justo debajo de obstrucciones naturales o hechas por el hombre, tales como montañas, ríos, carreteras y zonas habitadas. Debido a esto no es posible obtener una permisología en algunas áreas, en las cuales el trabajo de perforación pueda constituir un riesgo para el ambiente, personas o infraestructuras que allí se encuentren. En tales casos, dichos yacimiento son explotados por medio de la perforación de pozos direccionales desde una locación fuera del área restringida. Ver figura 1.

FIGURA1. LOCALIZACIÓNES INACCESIBLES.

CAPÍTULO 1 CAUSAS QUE ORIGINAN LA PERFORACIÓN DIRECCIONAL 1.2

DOMO DE SAL

Frecuentemente las formaciones productoras se encuentran bajo capas o levantamientos de sal. Un pozo vertical tendría que atravesar estas capas para poder llegar al objetivo. Hacerlo, aunque no es imposible, incrementa la posibilidad que ocurran ciertos tipos de problemas tales como lavado de hoyo, perdidas de circulación, corrosión en la tubería y herramientas, los cuales incrementan sustancialmente los costos de la operación. Para estos casos se recomienda realizar una perforación direccional a un lado del domo, e interceptar ell yacimiento. Ver figura 2.

FIGURA 2. DOMO DE SAL .


FALLAS

El perforar un pozo vertical a través de un plano de falla inclinado es muchas veces una tarea difícil, debido a cambios importantes de la presión en las formaciones. En lugar de esto, el pozo puede ser perforado paralelo a la falla, logrando una mejor producción. En áreas inestables, una perforación a lo largo de un falla podría ser un riesgo, debido a la gran posibilidad de desprendimiento de rocas de la formación. Esta situación puede requerir el uso de técnicas de perforación direccional para evitar pasar por la falla. Ver figura 3.

FIGURA 3. FORMACIÓN CON FALLAS.


PLATAFORMAS.

Durante años una de las mayores aplicaciones de la perforación direccional ha sido la explotación de reservorios costeros. Muchos depósitos de petróleo y gas están situados más allá del alcance de los taladros ubicados en tierra. El perforar un gran número de pozos verticales desde plataformas individuales se convierte claramente en un hecho que además de poco práctico es muy costoso. En muchas partes del mundo, la solución para un campo petrolero alejado de la costa, ha sido instalar plataformas fijas al fondo del mar, desde las cuales múltiples pozos direccionales son perforados. Ver figura 4.

FIGURA 4. USO DE PLA TAFORMAS PARA PERFORAR MÚLTIPLES POZOS.


POZOS DE AL IVIO

Una de las aplicaciones de la perforación direccional es la construcción de pozos de alivio, el cual consiste en interceptar un pozo existente cerca del fondo, el cual haya sufrido un reventón, con el objeto de contrarrestar las presiones que ocasionaron la erupción del pozo. Los controles direccionales en este tipo de perforaciones son severos, debido a la extrema exactitud requerida para ubicar el interceptar el fondo del pozo existente. Ver figura 5.

FIGURA 5. POZO DE ALIVIO.


DESVIO DEL POZO (SIDE TRACK)

Esta aplicación es empleada para realizar una desviación en la trayectoria original de un pozo, cuando existen en el mismo, obstrucciones indeseadas tales como tubería de perforación, ensamblajes de fondo, mechas o cualquier herramienta dejada en el fondo del hoyo, por problemas operacionales, o por fenómenos inherentes a las formaciones atravesadas. Ver figura 6.

FIGURA 6. DESVIACIÓN DEL HOYO (SIDE TRACK).


POZOS VERTICALES (CONTROL DE LA VERTICALIDAD)

Por lo general, siempre se espera que la trayectoria del hoyo mantenga una cierta proximidad respecto al eje vertical. Sin embargo, muchas veces la trayectoria del pozo se desvía respecto a la originalmente planificada, debido a la presencia de fallas naturales que originan la desviación del hoyo. En estos casos, urge la necesidad de introducir herramientas mecánicas o de perforación direccional, para realizar las correcciones necesarias. Ver figura 7.

FIGURA 7. CONTROL DE LA VERTICALIDAD.


POZOS GEOTÉRMICOS

La exploración de yacimientos geotérmicos permite localizar aquellos lugares en los que es posible encontrar agua o vapor a temperaturas elevadas y a profundidades cercanas a la superficie. Los pozos geotérmicos pueden ser de tres tipos: 1) vapor, 2) de líquido (agua caliente) y 3) de una mezcla de vapor y líquido. Se utilizan principalmente como fuentes para la generación de energía eléctrica. Es muy aplicable en los países industrializado, donde la conservación de la energía es una prioridad. Ver figura 8.

FIGURA 8. POZOS EN UNA CENTRAL GEOTÉRMICA.


ARENAS MÚLTIPLES

Consiste en la intersección de un yacimiento con varias arenas objetivos mediante un mismo pozo. Figura 9

FIGURA 9. POZO DE ARENAS MÚLTIPLES. 1.10 POZO HORIZONTAL

Pozo que intercepta al yacimiento en forma horizontal. Ver figura 10.

FIGURA 10. POZO HORIZONTAL.

CAPÍTULO 1 CAUSAS QUE ORIGINAN LA PERFORACIÓN DIRECCIONAL 1.11 POZO MULTILATERAL

Consiste en la intersección de múltiples arenas objetivos mediante un pozo simple. Por medio de un brazo principal se sacan otras ramas independientes (pozos multilaterales), con el fin extraer el crudo de zonas de producción adyacentes, evitando la construcción de un pozo por yacimiento. Esto genera un ahorro en los costos de perforación además de un menor impacto ambiental, al aprovechar la misma locación en superficie. Ver figura 11.

FIGURA 11. POZO MULTILATERAL.

CAPÍTULO 1 CAUSAS QUE ORIGINAN LA PERFORACIÓN DIRECCIONAL 1.12 ECONÓMICAS

La decisión de ejecutar un proyecto de perforación direccional puede ser el resultado de una evaluación económica. Por ejemplo, el perforar un pozo horizontal puede ser mas rentable económicamente, que el perforar varios pozos verticales para drenar un mismo yacimiento. Ver figura 12.

FIGURA 12. EL PERFORAR UN POZO HORIZONTAL PUEDE SER MÁS RENTABLE QUE PERFORAR VARIOS POZOS VERTICALES EN UN MISMO YACIMIENTO.

CAPÍTULO 2 CONCEPTOS BASICOS Para la planificación de un direccional, es necesario conocer la definición de los conceptos generales que están relacionados con esta técnica de perforación. 2.1. PROFUNDIDAD MEDIDA (M.D: MEASURED DEPTH)

Distancia que existe desde la superficie a un punto en la trayectoria del pozo,, medida a lo largo del hoyo. Esta medición se realiza con la sarta de perforación. 2.2. PROFUNDIDAD VERTICAL VERDADERA (T.V.D: TRUE VERTICAL DEPTH)

Distancia vertical entre la posición de dos puntos, en la trayectoria del pozo. 2.3.

DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL

Distancia horizontal de cualquier punto de la trayectoria del hoyo, con respecto al eje vertical. 2.4.

PUNTO DE INICIO DEL DESVÍO (K.O.P: KICK OF POINT)

Profundidad del hoyo en la cual se coloca la herramienta de deflexión inicial, para iniciar el desvío del mismo. 2.5.

ÁNGULO DE INCLINACIÓN

Ángulo del pozo existente con respecto al eje vertical. Se mide en grados. 2.6.

TASA DE CONSTRUCCIÓN DE ÁNGULO (BUILD UP RATE)

Número de grados que incrementan o disminuyen el ángulo de inclinación sobre una longitud especifica. 2.7.

DIRECCIÓN

Angulo medido en el plano horizontal, desde el Norte o Sur (hacia el Este u Oeste). La medición del ángulo se realiza en una escala de 90°, de cuatro cuadrantes. También se le denomina como orientación del pozo.

CAPÍTULO 2 CONCEPTOS BASICOS 2.8.

AZIMUTH

Angulo medido en el plano horizontal del pozo, a partir del Norte franco, con base en la escala completa del circulo (360°). La medición del ángulo se realiza, en sentido horario, con un compás magnético. 2.9.

SECCIÓN DE AUMENTO DE ÁNGULO

Parte de la trayectoria del hoyo donde se incrementa el ángulo de inclinación. 2.10. SECCIÓN TANGENCIAL

Parte de la trayectoria del hoyo en donde el ángulo de inclinación y la dirección permanecen constante. Cuando esta se construye después de la sección de aumento de ángulo. 2.11. SECCIÓN DE DISMINUCIÓN DE ÁNGUL O

Es la parte de la trayectoria del hoyo donde disminuye el ángulo de inclinación. 2.12 GIRO

Cambio de dirección u orientación del pozo. 2.13 REGISTRO (SURVEY)

Medición por medio de instrumentos, de los parámetros direccionales que definen la trayectoria del hoyo. Los principales parámetros direccionales son la dirección, inclinación y profundidad medida. El resto de los parámetros se calculan mediante ecuaciones matemáticas, con base en los parámetros principales. 2.14 COORDENADAS

Las coordenadas de una localización o de un punto en la trayectoria del hoyo, son distancias en las direcciones N-S y E-O, con respecto a un punto determinado 2.15 RUMBO

Intersección entre el estrato de la formación y un plano horizontal, medido en el plano N-S.

CAPÍTULO 2 CONCEPTOS BASICOS 2.16 BUZAMIENTO

Angulo de inclinación del estrato respecto al plano horizontal. Se mide perpendicular al rumbo. 2.17 COSENO

Es el valor obtenido entre la longitud del cateto adyacente dividido entre la longitud de la hipotenusa. 2.18 SENO

Es el valor obtenido entre la longitud del cateto opuesto dividido entre la longitud de la hipotenusa. 2.19 PATA DE PERRO

Cambio de ángulo severo en la dirección del hoyo o en la inclinación de dos secciones del mismo. 2.20 SEVERIDAD DE LA PATA DE PERRO

Tasa de cambio de ángulo entre las secciones del hoyo, expresado en grados sobre una longitud especifica. 2.21 LONGITUD DEL RUMBO

Distancia a lo largo del hoyo entre las profundidades de dos registros. 2.22 INCREMENTO DE LA PROFUNDIDAD VERTICAL

Diferencia de longitud entre las profundidades verticales verdaderas de dos registros. 2.23 INCREMENTO DEL DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL

Diferencia de longitud entre los desplazamientos horizontales de dos registros. También se le conoce como desplazamiento horizontal parcial o desvío parcial.

CAPÍTULO 2 CONCEPTOS BASICOS 2.24 SECCIÓN VERTICAL (VERTICAL SECTION)

Proyección del desplazamiento horizontal sobre el plano vertical, usualmente a lo largo de la dirección del objetivo. 2.25 OBJETIVO (TARGET)

Punto fijo del subsuelo en una formación, que debe ser penetrado por el hoyo. 2.26 TOLERANCIA DEL OBJETIVO

Máxima distancia, u holgura, en la cual el objetivo puede ser errado 2.27 DISCO

Película que se inserta en un instrumento de medición del hoyo, y que una vez revelada, muestra los parámetros de dirección, inclinación y cara de la herramienta de perforación. 2.28 GRÁFICO DE DESCRIPCIÓN DE PARÁMETROS.

La figura 13, muestra la descripción gráfica de los principales conceptos utilizados en la perforación direccional.

CAPÍTULO 2 CONCEPTOS BASICOS

FIGURA 13. DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE CONCEPTOS.

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL Existe una gran variedad de herramientas que son útiles y necesarias para ejecutar un proyecto de perforación direccional. Se clasifican en la siguiente forma: 3.1. HERRAMIENTAS DEFLECTORAS.

Son aquellas que dirigen el hoyo hacia una dirección predeterminada. Entre estas se encuentran las siguientes: MECHAS

La fuerza hidráulica generada erosiona un cavidad en la formación, lo que permite a la mecha dirigirse en esa dirección. Su perforación se realiza de forma alternada, es decir, primero se erosiona las formación y luego se continua con la perforación rotatoria. Par lograr el efecto de erosión con la mecha, se utilizan varias técnicas, como utilizar uno o dos chorros de mayor diámetro que el tercero o dos chorros ciegos y uno abierto, por donde el cual sale el fluido de perforación a altas velocidades este efecto se le denomina “yeteo” (jeting), ver figura 14. Solo aplica para mechas tricónicas y bicónicas con un chorro sobresaliente. Actualmente es una técnica que esta en desuso.

FIGURA 14. EROSIÓN DEL HOYO POR EFECTO DEL CHORRO DE LA MECHA.

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL CUCHARAS DEFLECTORAS Se conocen comercialmente con el nombre de “WHIPSTOCKS”. Básicamente son herramientas con cuerpo de acero, cuya forma asemeja una cuchara punteada y que es asentada dentro del pozo con el objeto de desviar el hoyo de su trayectoria original. La cuchara puede ser orientada en una dirección especifica, si esto es requerido. Existen tres diseños de cucharas deflectoras. CUCHARA RECUPERABLE Consiste en una cuña larga invertida de acero, que tiene en su extremo inferior un canal cóncavo punteado, el cual sostiene y guía la sarta de perforación. En el extremo inferior esta provista de una punta de cincel que evita el giro de la herramienta, y en la parte superior de un cuello por el cual se extrae la herramienta fuera del hoyo. CUCHARA DE CIRCULACIÓN La instalación y utilización de este diseño son iguales al de la cuchara recuperable, con la diferencia de poseer un orificio situado en el fondo de la cuchara, el cual permite circular fluido de perforación para desalojar los ripios o en caso de que existan problemas de llenado del hoyo. CUCHARA PERMANENTE Para este diseño, la cuchara deflectora queda permanente en el pozo, la cual es anclada en la parte inferior del revestidor mediante un sistema de cuñas . Una vez fijada la cuchara dentro del revestidor, esta sirve de soporte para un ensamblaje con fresas, las cuales abren y calibran una ventana en el revestidor, y para el ensamblaje de perforación que desvía el hoyo.

Dependiendo de la tecnología utilizada, se requerirán de uno a tres viajes de tuberías, para completar el proceso de desviación.

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL

FIGURA 15. CUCHARA DEFLECTORA. MOTOR DE FONDO

Es una herramienta en la cual al circular en su interior el fluido de perforación proporciona rotación a la mecha independientemente de la sarta de perforación. Se pueden conseguir los siguientes tipos: TURBINA

Esta formadas por diferentes números de etapas. Se utiliza principalmente para formaciones de alta dureza y para incrementar las revoluciones en la mecha a fin de aumentar la tasa de perforación. Ver figura 16. MOTOR DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO (MDP)

Su aplicación esta basada en el principio de bombeo inverso establecido por Rene Moineau, en el cual la circulación del fluido de perforación es utilizada para hacer rotar la mecha, independientemente de la rotación de la sarta de perforación. El principio de Moineau sostiene que un rotor helicoidal con uno o mas lóbulos rotara cuando es colocado excéntricamente dentro de un

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL estator que tenga un lóbulo adicional al rotor. Sus velocidades de diseño oscilan entre 100 a 300 rpm. Ver figura 17. El MDP, esta conformado por: SECCIÓN DE POTENCIA La constituyen el rotor y el estator, los cuales tienen lóbulos helicoidales que se engranan para formar cavidades helicoidales selladas. Al circular el fluido de perforación a través de estas cavidades obliga al rotor a girar. El estator el cual siempre tiene un lóbulo mas que el rotor, esta moldeado con goma, dentro de la carcaza del motor. SECCIÓN DE TRANSMISIÓN Es una junta flexible o articulada encargada de transmitir el torque rotacional al eje conductor, eliminando el movimiento excéntrico de la sección de potencia. La articulación permite a ajustarle al motor una curvatura que oscila de 0° a 3°. SECCIÓN DE RODAMIENTOS El eje conductor esta recubierto por un sistema rodamientos sellados y lubricados, que permiten soportar los cambios de velocidad y torque, sin alterar la transmisión de la cargas axial (PSM) y las cargas laterales de la sarta a la mecha.

Los MDP, tienen muchas ventajas en comparación con el resto de las herramientas deflectoras ya que la construcción de la curva se realiza desde el mismo punto de inicio del desvío, lo cual reduce los tiempos por viajes adicionales. Tanto la tasa de construcción como la orientación del hoyo son más precisos, por lo que se puede obtener un control directo sobre la severidad obtenida durante la perforación, contribuyendo a un mejor control de la trayectoria del hoyo durante la construcción de la curva. En caso de que se presenten durante la perforación variaciones de la tasa de construcción, los PDM permiten incrementar o disminuir el ángulo de construcción cuando la trayectoria del pozo lo requiera, teniendo como resultado una curva más homogénea.


FIGURA FIGURA 16. TURBINA.

ACOPLE

ESTABILIZADOR CAMISA AJUSTABLE SECCIÓN DE RODAMIENTOS EJE CONDUCTOR

SECCIÓN DE POTENCIA POTE NCIA

FIGURA 17. MOTOR DE FONDO.

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL 3.2 HERRAMIENTAS HERRAMIENTA S DE MEDICIÓN

Cuando se perfora un pozo direccional es necesario contar con las herramientas que determinan con exactitud las medidas de inclinación y dirección que se están obteniendo en el fondo del pozo. Esta información es vital para poder llevar un control preciso de la trayectoria del pozo. TOTCO

Se basa en el principio del péndulo y solo indica el grado de inclinación del pozo. Consta de tres partes: un péndulo, un disco y un mecanismo de tiempo (reloj). Su utilización esta en desuso, por el desarrollo de herramientas de nueva tecnología. SINGLE SHOT

Proporciona la información de una medida sencilla de inclinación y dirección del pozo. Se corren en hoyos desnudos, a través de la sarta de perforación, al cual debe instalársele una barra no magnética (monel), para que su lectura no sea afectada por el magnetismo natural de la tierra, y por la influencia magnética del acero del mismo ensamblaje, o un revestimiento cercano. Consta de tres partes: un cronometro o censor de movimiento, una cámara y un indicador de ángulo. Ver figura 18.

FIGURA 18. SINGLE SHOT.

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL MULTI SHOT

Proporciona la misma información que un single shot, pero como su nombre lo indica, provee múltiples medidas en diferentes de inclinación y dirección del pozos a distintas profundidades. Por lo general, el intervalo de tiempo para realizar cada medida es de 20 segundos. Se utiliza igualmente para hoyos desnudo, por lo que al igual que el single shot, requiere de la presencia de un monel. Ver figura 19.

FIGURA 19. SINGLE SHOT. MEDICIONES DURANTE LA PERFORACIÓN (MWD)

Es una herramienta electromecánica, de alta tecnología, posicionada en el ensamblaje de fondo, que realiza mediciones del hoyo, cerca de la mecha de perforación y son transmitidas a la superficie sin interrumpir las operaciones normales de perforación, es decir, en tiempo real. Todos los sistemas MWD, están compuestos típicamente por tres componentes

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL principales: sistema de potencia, sensor direccional y sistema de telemetría. Ver figura 20. Actualmente la herramienta MWD, esta firmemente establecida como un elemento que forma parte integral de las operaciones de perforación direccional. Entre los principales beneficios de la utilización de esta herramienta, se encuentran: Ahorros en reducción de tiempo de taladro, ya que la toma de los registros direccionales (suveys) es menor , en comparación con las técnicas convencionales utilizadas con guaya. Mayor facilidad para orientar la posición de la cara de la herramienta. Con el MWD, la toma del survey es más rápida, por lo que la sarta de perforación permanece menos tiempo en condiciones estáticas, lo cual reduce el riesgo por pegas diferenciales. Mejor monitoreo y control de la trayectoria del pozo, ya que se pueden realizar mediciones en toda la trayectoria del pozo, sin afectar, significadamente, el tiempo del taladro. Los cambios de los paramentos de perforación o los cambios de formación, que se presentan durante la construcción de la trayectoria del pozo, pueden ser detectados mas rápidamente, reduciendo el riesgo de requerir tasa de construcciones más severas o de realizar viajes de correcciones adicionales. El ensamblaje de la herramienta MWD, esta compuesto por un rotor, los sensores direccionales y por una fuente de energía (baterías o turbina). Existen varios sistemas para transmitir las medidas desde la herramienta (en el fondo del pozo) hasta la superficie. Estos pueden ser: mediante pulsos a través del lodo de perforación, mediante sistemas de ondas electromagnéticas, a través de sistema de cables aislados o con la utilización de sistemas acústicos. La sarta de sensores MWD, esta albergada dentro de una barra antimagnética (monel), ya que posee un diámetro interno superior a uno normal, lo cual contribuye a si mismo, a que el flujo del fluido de perforación no sea restringido. Las mediciones realizadas por el MWD, al ser enviadas a la superficie, son decodificadas por un terminal de computación, para transformarlas a un sistema métrico decimal. El sistema en superficie esta compuesto por un

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL traductor, caja de distribuciones, filtro activo, monitor visual, graficador, unidades de cintas magnéticas y un computador.

FIGURA 20. MWD. 3.3 HERRAMIENTAS AUXILIARES

Son herramientas que forman parte del ensamblaje de fondo. Su utilización y posición, dependen del efecto que se desee lograr durante la construcción de la trayectoria del pozo. ESTABILIZADORES

Contribuyen a tener un mejor control de la sarta de perforación sobre el hoyo que sé este desviando. Su ubicación en la sarta de perforación depende del efecto que se quiera obtener en la trayectoria del pozo, ya sea, controlar o modificar el ángulo de inclinación del pozo. Aunque existen varios tipos de estabilizadores, los mas utilizados son: TIPO CAMISA

Es aquel en que solo se requiere cambiar la camisa, en caso de necesitar un estabilizador de diferente diámetro, o cuando exista desgaste en algunas de las aletas. (Ver figura 21)


FIGURA 21. ESTABILIZADOR TIPO CAMISA. TIPO INTEGRAL

Es aquel que se tiene que cambiar completamente, cada vez que se requiera un estabilizador de diferentes diámetro. (Ver figura 22)

FIGURA 22. ESTABILIZADOR TIPO INTEGRAL.

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL BARRA O PORTAMECHA (DRILL COLLAR)

Proporciona el peso requerido sobre la mecha. Es el componente mas rígido en un ensamblaje de fondo. En pozos direccionales pueden utilizarse varias barras con estabilizadores en ciertos puntos, incluso, directamente encima de la mecha, dependiendo del tipo de pozo u su trayectoria. Los mas utilizados para la perforación direccional es el tipo espiral, ya que favorecen la circulación del fluido de perforación. El monel es un portamecha no magnetico de acero inoxidable, cuya función es la de eliminar el efecto de la influencia magnética en las lecturas de un registro direccional. El magnetismo varía de un país a otro, dependiendo de su ubicación con respecto a los polos. Ver figura 23.

FIGURA 23. BARRA O PORTA MECHA. MARTILLO

Es una herramienta que se coloca en la sarta de perforación para ser utilizada únicamente, en caso de que exista una pega tubería en el hoyo. Pueden ser mecánicos, hidráulicos e hidromecánicos. Cuando es accionado, proporciona a la sarta, una a fuerza de impacto hacia arriba o abajo.

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL TUBERIA PESADA O DE TRANSICION (HEAVY WEIGHT DRILL PIPE)

Es simplemente una barra (o portamecha) de menor tamaño que tiene en los extremos, juntas de conexión para tubería de perforación. Debido a su menor tamaño ofrece un menor contacto con las paredes del hoyo, la tubería Heavy Weigth ofrece mayor estabilidad, lo cual permite al operador direccional tener un mejor control del ángulo y dirección del pozo. La experiencia de campo nos indica que entre las barras y la tubería de perforación se deben instalar no menos de 12 a 15 tubos heavy weight. En pozos direccionales suelen usarse hasta 30 tubos o más. Las excesivas fallas en las conexiones y en los portamechas se deben a que estos se doblan, mientras giran a través de los cambios de ángulo, lo cual produce torsión de rotación, posibilidad de atascamiento, arrastre y fricción; afectando el control direccional del pozo. La tubería heavy weight generalmente dobla en la sección del tubo, reduciendo la posibilidad de que las juntas de conexión fallen por fatiga, mientras giran bajo estas condiciones. Ver figura 24.

FIGURA 24. TUBERIA PESADA . BENT SUB

Es un sustituto que esta desviado de su eje axial, por grados específicos, para que proporcione una tasa determinada de construcción por cada 100

CAPÍTULO 3 HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN DIRECCIONAL pies perforados. Era utilizado antes de la introducción de los motores de fondo al mercado. Su mayor limitación era que solo podían construir a una sola tasa de construcción para cada ángulo de desviación (con respecto al eje axial) que presentara la herramienta, adicionalmente, a que no podía ser rotado. Ver figura 25.

FIGURA 25. BENT SUB.

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES Existen varios tipos perfiles de pozos direccionales, diferenciados tanto por su forma como por su función, en función de las limitaciones geológicas, geomecánicas, económicas, y de operación. Entre los perfiles más frecuentemente usados están: a) b) c) d) e)

Pozos Tipo Tangencial. Pozos Tipo “S”. Pozos tipo “J”. Pozos Inclinados. Pozos horizontales.

Para estos pozos un parámetro en común que debe ser calculado es el radio de curvatura producto de la taza de construcción de ángulo. La circunferencia de un círculo (C) producto de un constante cambio de dirección para una distancia de viaje es calculada mediante: C

=

360 BUR

donde BUR es la tasa de construcción de ángulo por unidad de longitud. El radio de un círculo es definido como: C

= 2 ⋅ π ⋅ R

R

=

donde, C

2 ⋅ R

De esta manera podemos definir el radio de curvatura como: R

=

360 2 ⋅ π ⋅ BUR R

o,

=

180 BUR ⋅ π

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES 4.1.

TIPO TANGENCIAL.

Este es uno de los más simples y comunes perfiles para un pozo direccional. El hoyo es perforado verticalmente hasta llegar al KOP, a partir de donde es desviado hasta la inclinación requerida. Esta inclinación es mantenida en la sección tangencial para interceptar el objetivo. Generalmente, se selecciona un punto de inicio de curva bastante superficial ya que esto reduce la magnitud del ángulo de inclinación necesario para alcanzar los objetivos. Este tipo de perfil es frecuentemente aplicado cuando se requiere un desplazamiento horizontal largo a una profundidad de objetivo relativamente baja. Debido a que no hay mayores cambios en la inclinación y dirección después que la sección curva es construida, pocos problemas direccionales se presentan con este tipo de perfil. Bajo condiciones normales la inclinación puede variar entre 15°60°, aunque pozos con inclinaciones mayores han sido perforados. En la figura 26 es mostrado el perfil de este tipo de pozo. Basado en la figura el pozo tipo tangencial, es claro que:

= H2 − R DO = V3 − V 1 DC

mientras que el ángulo DOC será: DC ∠ DOC = arcTan⎜⎛ ⎟⎞ ⎝ DO ⎠

Luego, a partir del ángulo DOC encontramos la distancia OC, OC

=

DO

cos( DOC )

el ángulo BOC se calcula sabiendo que cos( BOC ) = OB

=R

R OC

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES tenemos que: R ⎞ ∠ BOC = arcCos⎛ ⎜ ⎟ ⎝ OC ⎠

el ángulo BOD será:

∠ BOD = BOC − DOC y el ángulo de inclinación: α = 90 − BOD

ahora, BC es calculada utilizando el teorema de Pitágoras, 2

− R2

BC

=

BE

= BC ⋅ cos(α )

EC

= BC ⋅ sen(α )

OC

y,

Resultados:

a) El ángulo al final de la curva será la inclinación del pozo representado por α b) La profundidad medida hasta el final de la curva será calculada por, MDFINALCURVA

= V 1 +

α BUR

c) La profundidad medida hasta el objetivo final será, MDFINALOBJETIVO

= V 1 +

α BUR

+ BC

d) La profundidad vertical hasta el final de la curva será V 2, V2

= V3 − BE

e) El desplazamiento horizontal hasta el final de la curva H 1, se calcula mediante, H1

= H 2 − E C

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES

FIGURA 26. TIPO TANGENCIAL

4.2.

POZO TIPO “ S”

Este perfil es similar al tangencial, es decir, igual hasta la sección tangencial después de la sección curva. A partir de aquí se tumba ángulo por medio de otra sección curva en la cual se reduce la inclinación, que en algunos casos llegará a ser cero. Este es el perfil más difícil a perforar, ya que su sección de caída de ángulo debe coincidir justamente sobre el objetivo a alcanzar. Además, los problemas de torque y arrastre también se incrementan al haber mayor roce de la tubería con las paredes del hoyo, debido a la mayor curvatura que presenta el pozo. Un pozo tipo S es usado cuando la profundidad del objetivo es grande y el desplazamiento vertical es relativamente bajo. Bajo estas condiciones el perfil tipo

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES Slant puede producir un pequeño ángulo de inclinación el cual puede ser una dificultad a la hora de control. Otras aplicaciones importantes consisten en completar un pozo que atraviese por objetivos múltiples y la perforación de pozos de alivio, en los cuales es necesario ir paralelo al pozo en problemas. En la figura 27 se muestra el perfil del tipo S defiendo su geometría. Teniendo ubicados la posición del taladro y el objetivo, y la profundidad vertical total del objetivo dados por los geólogos e ingenieros de yacimiento, la siguiente información es necesaria para calcular la geometría del pozo. a) b) c) d)

Profundidad vertical del KOP. Taza de construcción de ángulo. Taza de tumbado de ángulo. Profundidad vertical del final de la sección de tumbado de ángulo.

Basado en la figura-12 para el pozo tipo S, observamos que: X

= H 3 − ( R1 + R2 )

Entonces,

⎛ X ⎞ ⎟ ⎝ V4 − V 1 ⎠

θ =

arcTan⎜

OF

=

OG

=

y, V4

− V 1

cis(θ ) 2

OF

− ( R2 + R1 )2

el ángulo FOG será, R + R ⎞ ∠FOG = arcSin⎛ ⎜⎝ 1 2 ⎠⎟ OF

la inclinación, α,será α

= ∠FOG + θ

una vez con esta información podemos calcular los demás parámetros importantes necesarios para la construcción de la curva:

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES a) Angulo al final de la sección de construcción de ángulo α. b) Profundidad medida hasta el final de la sección de construcción de ángulo. MDFINALDELBUR

= V 1 +

α BUR

c) Profundidad vertical hasta el final de la sección de construcción de ángulo. V2

= V1 + R1 ⋅ sin(α )

d) Desplazamiento horizontal hasta el final de la sección de construcción de ángulo. H1

= R1 ⋅ (1 − cis(α ) )

e) Profundidad medida hasta el final de la sección tangente. MDFINALSECCIONTANGENTE

= V 1 +

α BUR

+ OG

f) Profundidad vertical hasta el final de la sección tangente. V3

= V2 + OG ⋅ cis(α )

g) Desplazamiento horizontal hasta el final de la sección tangente. H 2

= H1 + OG ⋅ sin(α )

h) Profundidad medida hasta el final de la sección de tumbado de ángulo. MDFINALDLDOR

= V 1 +

α BUR

+ OG +

α DOR


FIGURA 27. POZO TIPO “ S” .

4.3.

POZO TIPO “ J”

Este perfil es usado en situaciones particulares tales como domos de sal o para desvío de pozos (sidetrack). La profundidad del KOP en este perfil presenta ciertas desventajas: a) La formación probablemente será dura y no facilitará la deflexión de la sarta de perforación y el ensamblaje de fondo.

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES b) La taza de construcción de ángulo presenta más dificultades para ser controlada. c) Mayor tiempo en el viaje de cambio de ensamblaje de fondo mientras este se deflecta. Al igual que en el tipo de pozos anteriores, una vez conocidas las coordenadas de los objetivos, la posición del taladro y la profundidad total verdadera, se determina la siguiente información necesaria para calcular la geometría del pozo: a) Profundidad del KOP en donde se comenzará a construir la curva. b) Taza de construcción de ángulo para construir la sección curva. c) Angulo de inclinación máximo deseado. De la figura 28 calculamos los parámetros que nos hacen falta. Considerando la taza de constru cción de ángulo constante a lo largo de toda la curva, entonces,

⎛ R1 − H 1 ⎞ ⎟⎟ R ⎝ 1 ⎠

α = arcCos⎜⎜

y, KOP

= V2 − R1 ⋅ sin(α )

si el KOP es el criterio , entonces,

⎛

⎞ ⎟⎟ − V V ⎝ 2 1 ⎠

α = 2 ⋅ arcTan⎜⎜

H 1

y la taza de construcción de ángulo requerida será, BUR

=

180 ⋅ sin(α ) π ⋅ (V 2 − V 1 )

el BUR será por unidad perforada (metros o pies).


FIGURA 28. POZO TIPO “ J”

4.4.

POZOS INCLINADOS

Son pozos iniciados desde superficie con un ángulo de desviación predeterminado y constantes, para lo cual se utilizan taladros especiales inclinados. Un taladro inclinado es aquel en el cual la cabria puede moverse de 90° de la horizontal hasta un máximo de 45°. Ver figura 29. Entre las características más importantes del equipo se pueden mencionar: a) Una torre de perforación inclinada para perforar desde pozos verticales hasta pozos de 45° de desviación vertical. b) Un brazo hidráulico para manejar los tubulares, accionado desde el piso de la torre de perforación, eliminando el trabajo del encuellador en los taladros convencionales.

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES c) Un bloque viajero, provisto de un sistema giratorio diseñado para efectuar el enroscado y desenroscado de los tubulares. El bloque se desliza a través de un sistema de rieles instalado en la estructura de la torre. d) Sistema hidráulico para aplicar el torque recomendado a cada conexión de los tubulares. e) Movilización mediante un sistema de orugas, disminuyendo los tiempos de mudanza entre los pozos. f) Los equipos auxiliares del taladro permanecen fijos durante los trabajos de perforación, incrementando la vida útil de los mismos, por disminuir el deterioro al que son sometidos durante la mudanza entre pozo y pozo.

FIGURA 29. TAL ADRO INCLINADO.

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES 4.5.

POZOS HORIZONTALES

Los pozos horizontales son pozos perforados en forma paralela a la zona productora con la finalidad de contar con mayor área de producción. Los pozos horizontales se caracterizan por alcanzar grandes ángulos de inclinación, a veces hasta de 90º. No existe una geometría especifica para su diseño o construcción, ya que dependiendo de su función serán definidos como pozos de alto, medio o bajo radio. 4.6.

EJERCICIOS PRACTICOS

Desplazamiento hor izontal con coordenadas de superfici e y ob jetivo.

El primer paso en la planificación de un nuevo pozo direccional es el cálculo del desplazamiento horizontal y la dirección, por medio de la definición de la ubicación del taladro y el objetivo en coordenadas geográficas.

DIRECCIÓN =

Diferencia de coordenadas (Objetivo- Superficie) E-O

Tg -1 Diferencia de coordenadas (Objetivo- Superficie) N-S

Desplazamiento Horizontal = ((Diferencia de coordenadas Obj. Sup. E-O ) 2 + Diferencia de coordenadas Obj. Sup. N-S ) 2 ) ½ Ejemplo 1. Dadas las coordenadas del taladro 410261 E , 6833184.2 N (mts) y las coordenadas del objetivo 412165.0 E , 6834846.0 N, calcular el desplazamiento horizontal del pozo y la dirección del objetivo. Respuesta: 2527.21 m y N 48.90° E.

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES Diseño de un pozo tipo Tangencial.

Ejemplo 2. Dados, la profundidad vertical al objetivo de 3144 m, KOP de 400 m y una tasa de construcción de 2°/30m. Calcular : (Nota utilizar los datos del Ejemplo 1) d) El ángulo de inclinación del pozo al final de la curva. b) La profundidad medida hasta el final de la curva. c) La profundidad medida hasta el objetivo final. d) La profundidad vertical hasta el final de la curva. d) El desplazamiento horizontal hasta el final de la curva.

CAPÍTULO 4 TIPOS DE POZOS DIRECCIONALES Diseño de un pozo tipo “ S”.

Ejemplo 3. Desplazamiento del objetivo 2300m TVD del objetivo 3100m KOP de 375m Tasa de construcción de 2°/30m. Tasa de descenso 2°/30m Profundidad al final del descenso 3100m. Calcular : a) Angulo al final de la sección de construcción de ángulo. b) Profundidad medida hasta el final de la sección de construcción de ángulo. c) Profundidad vertical hasta el final de la sección de construcción de ángulo. d) Desplazamiento horizontal hasta el final de la sección de construcción de ángulo. e) Profundidad medida hasta el final de la sección tangente. f) Profundidad vertical hasta el final de la sección tangente. g) Desplazamiento horizontal hasta el final de la sección tangente. h) Profundidad medida hasta el final de la sección de tumbado de ángulo.


CAPÍTULO 5 MÉTODOS DE ESTUDIOS DIRECCIONALES El resultado de una medición direccional viene dado en términos de la dirección e inclinación del hoyo a cierta profundidad. En este capítulo comentaremos los distintos métodos de cálculo de los parámetros que permiten definir la trayectoria del pozo y los beneficios de cada uno de ellos. Con estos métodos se calcula la posición del hoyo que se está perforando con respecto a la ubicación superficial del taladro. En orden con esto se calculan los desplazamientos horizontales y verticales entre las estaciones de verificación. Luego, una vez definidas las coordenadas de la estación superior, las de cualquier punto de la trayectoria pueden ser encontradas. Mediante la unión de varias estaciones de medición se genera la forma de la trayectoria, dejando definido todos los puntos que la conforman. Para trazar estos segmentos de línea existen diversos métodos que se diferencian por la exactitud de su resultado, generando unos segmentos de recta y otros de curva. Los siguientes símbolos serán usados en la explicación de estos métodos: la inclinación y la dirección estarán representados por y respectivamente, con el subíndice 1 para la estación situada arriba y 2 para la estación más abajo. La longitud medida a lo largo de la trayectoria entre dos estaciones será L. Los símbolos V, N y E son los incrementos de distancias ente estaciones a lo largo de los tres ejes vertical, norte y este respectivamente. 5.1.

MÉTODO DEL BALANCE TANGENCIAL.

Este método se basa en la suposición de que el pozo mantiene la misma inclinación y el mismo rumbo entre dos estaciones, es fácil de calcular, pero muy impreciso, especialmente en pozos de configuración tipo tangencial y “S”. Este método supone que la trayectoria a diseñar puede ser aproximada por dos segmentos de línea recta de igual longitud. El primer segmento es definido por α1 y β1, mientras que el que el segmento inferior es definido por α2 y β2. La longitud de cada segmento es L/2. Las siguientes relaciones, pueden entonces ser establecidas (ver figura 30):

CAPÍTULO 5 MÉTODOS DE ESTUDIOS DIRECCIONALES

FIGURA-30. MÉTODO DE BALANCE TANGENCIAL.

1 1 ∆V = ⋅ L ⋅ cos α 1 + ⋅ L ⋅ cos α 2 2 2 ∆ V =

1 ⋅ L ⋅ (cos α 1 + cos α 2 ) 2

1 1 ∆ N = ⋅ L ⋅ sinα 1 ⋅ cis β 1 + ⋅ L ⋅ sinα 2 ⋅ cis β 2 2 2 1 ∆ N = ⋅ L ⋅ (sinα 1 ⋅ cis β 1 + sinα 2 ⋅ cos β 2 ) 2 1 1 ∆ E = ⋅ L ⋅ sinα 1 ⋅ sin β 1 + ⋅ L ⋅ sinα 2 ⋅ sin β 2 2 2 1 ∆ E = ⋅ L ⋅ (sinα 1 ⋅ sin β 1 + sinα 2 ⋅ sin β 2 ) 2

CAPÍTULO 5 MÉTODOS DE ESTUDIOS DIRECCIONALES 5.2.

MÉTODO DE ÁNGUL O PROMEDIO.

El método del ángulo promedio provee grandes mejoras en la disminución del error del ángulo entre las estaciones de medición. El cálculo entre cualquiera de estas estaciones consecutiva estará basado en los valores de los ángulos de inclinación y de dirección. Su precisión irá de acuerdo con la distancia entre las estaciones y la taza de curvatura, a menor distancia y curvatura mayor precisión. Ciertas suposiciones son hechas con este método de cálculo, el cual describirá una línea recta entre dichas estaciones de medición. Se promedia el valor de los ángulos de los punto de chequeo, obteniendo un resultado para la inclinación y otro para la dirección, los cuales se asumen constantes a lo largo del segmento recto. El valor de la taza de curvatura será considerado muy pequeño o casi constante, el cual se mantendrá a lo largo del segmento. Así, se irán juntando, dándole la forma curva a todo el camino para crear la trayectoria del hoyo que unirá la superficie con los objetivos de fondo. Las siguientes relaciones [4], se muestran en la figura 31. α + α 2 ∆V = L ⋅ cos⎛ ⎜⎝ 1 2 α +α2 β + β2 ∆ N = L ⋅ sin⎛ ⋅ cos⎛ ⎜⎝ 1 ⎜⎝ 1 2 2 α + α ⎞ ⎛ β + β ⎞ ∆ E = L ⋅ sin⎛ ⎜ 1 2 ⎟ ⋅ sin⎜ 1 2 ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠

FIGURA-31. MÉTODO DE ÁNGULO PROMEDIO.

CAPÍTULO 5 MÉTODOS DE ESTUDIOS DIRECCIONALES 5.3.

MÉTODO DE RADIO DE CURVATURA.

Este método de cálculo es el más complicado de todos, aunque también uno de los más precisos. No es significativamente afectado por la relativa longitud del camino, sin embargo mayor exactitud puede ser alcanzada con longitudes de trayectoria pequeñas. La mayor asunción hecha con este método de cálculo es que la trayectoria actual o real del hoyo perforado tiene una curvatura constante, o un radio de curvatura. Por esto, es el único de los cuatro métodos a explicar que hace el cálculo para diseñar un camino curvo tanto en el plano vertical como en el plano horizontal. La trayectoria del hoyo es mostrada como una pequeña porción de cilindro cuyo eje es vertical, y el cual tiene un radio igual al calculado en el plano horizontal (figura 32). El cálculo está basado en esta curva, la cual es una curva en el espacio tridimensional e irregular. En el plano vertical,

∠ AOB = α 2 − α 1 por esto, α 2 − α 1

360

=

L

2 ⋅ π ⋅ R

v

el radio de curvatura en el plano vertical, R v, puede ser encontrado del despeje 180 ⎞ L ⋅ ⎛ R = ⎜ ⎟ α 2 − α 1 ⎝ π ⎠ v

el delta de profundidad vertical verdadera entre las dos estaciones será

⎛ ⎞ ∆V = R ⋅ sinα 2 − R ⋅ sinα 1 = R ⎜⎜ sinα 2 − sinα 1 ⎟⎟ ⎝ ⎠ v

v

v

sustituyendo por Rv, el incremento vertical será

∆V =

180 ⎞ ⋅ ⎛ ⎜ ⎟ ⋅ (sinα 2 − sinα 1 ) α 2 − α 1 ⎝ π ⎠ L

el incremento horizontal es encontrado por

CAPÍTULO 5 MÉTODOS DE ESTUDIOS DIRECCIONALES ∆ H = R ⋅ (cos α 1 − cos α 2 ) v

En el plano horizontal

∠ EOB = β 2 − β 1 por esto β 2 − β 1

360

=

∆ H 2 ⋅ π ⋅ R

h

el radio en el plano horizontal, Rh, será

∆ H ⎛ 180 ⎞ ⋅⎜ ⎟ β 2 − β 1 ⎝ π ⎠ ∆ N = R ⋅ sin β 2 − R ⋅ sin β 1 = R ⋅ (sin β 2 − sin β 1 )

Rh

=

h

h

h

sustituyendo por Rh

∆ N =

∆ H ⎛ 180 ⎞ ⋅⎜ ⎟ ⋅ (sin β 2 − sin β 1 ) β 2 − β 1 ⎝ π ⎠

sustituyendo por ∆H

∆ N =

Rv

⋅ (cos α 1 − cos α 2 ) ⎛ 180 ⎞ ⋅⎜ ⎟ ⋅ (sin β 2 − sin β 1 ) β 2 − β 1 π ⎝ ⎠

sustituyendo por Rv 2 180 ⎞ (cos α 1 − cos α 2 ) ⋅ (sin β 2 − sin β 1 ) ⎛ ∆ N = ⋅⎜ ⎟ ⋅ α 2 − α 1 ⎝ π ⎠ β 2 − β 1

L

similarmente para ∆E 2

180 ⎞ (cos α 1 − cos α 2 ) ⋅ (cos β 1 − cos β 2 ) ∆ E = ⋅ ⎛ ⎜ ⎟ ⋅ α 2 − α 1 ⎝ π ⎠ β 2 − β 1 L

CAPÍTULO 5 MÉTODOS DE ESTUDIOS DIRECCIONALES Este método provee mejores resultados que el de ángulo promedio.

FIGURA 32. MÉTODO DE RADIO DE CURVATURA. 5.4.

MÉTODO DE CURVATURA MÍNIMA.

Este método es realmente uno de los más precisos en el cálculo de trayectorias para construcción de pozos. Así como el de radio de curvatura, es un poco complejo, por esto no se usan procedimientos normales ni cálculos comunes. Es una extensión del método de balance tangencial en donde se reemplazan los segmentos rectos por un arco circular. Esto se logra aplicando un factor de radio basado en la intensidad de la curva de la trayectoria entre las dos estaciones de medición “Pata de Perro” (dog-leg). Por esto, este método produce un arco circular para las secciones del camino como el método de radio de curvatura, con la diferencia que en vez presentar una curva constante, el factor de radio tiende a minimizar la curva de la trayectoria. Ver figura 33. El ángulo de pata de perro puede ser calculado por [4]: φ = cos −1 [cos α 1 ⋅ cos α 2

+ sinα 1 ⋅ sinα 2 ⋅ cos( β 2 − β 1 )]

De la siguiente figura se puede ver que el factor de radio F puede ser calculado desde:

CAPÍTULO 5 MÉTODOS DE ESTUDIOS DIRECCIONALES F

=

AB

+ BC

arcAC

como AB

φ ⎞ = BC = R ⋅ tan⎛ ⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠

y AC

2 ⋅ π ⋅ R

=

φ

360

⇔ AC =

π ⋅ R ⋅ φ

180

FIGURA 33. MÉTODO DE MÍNIMA CURVATURA.

por esto F

2 180 ⎞ ⎛ φ ⎞ = ⋅ ⎛ ⎜ ⎟ ⋅ tan⎜ ⎟ φ ⎝ π ⎠ ⎝ 2 ⎠

El factor de radio es entonces aplicado para el resultado de ∆V, ∆N y ∆E como el método del balance tangencial. Las ecuaciones para el método de mínima curvatura pueden ser resumidas como

CAPÍTULO 5 MÉTODOS DE ESTUDIOS DIRECCIONALES L

∆V = F ⋅ ⋅ (cos α 1 + cos α 2 ) 2 L

∆ N = F ⋅ ⋅ (sinα 1 ⋅ cis β 1 + sinα 2 ⋅ cos β 2 ) 2 L

∆ E = F ⋅ ⋅ (sinα 1 ⋅ sin β 1 + sinα 2 ⋅ sin β 2 ) 2 Este método es el más comúnmente utilizado para el cálculo de mediciones direccionales. 5.5.

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOS.

La tabla 5.1 muestra un datos de un registro de inclinación y dirección calculados con los diferentes métodos de estudios direccionales.

CAPÍTULO 6 CORRECCIÓN POR DECLINACIÓN MAGNÉTICA Todos los instrumentos de orientación y estudios magnéticos están diseñados para apuntar hacia el norte magnético, mientras que los planos direccionales se grafican con relación al norte real, por lo cual, es necesario realizar una corrección magnética, para corregir el ángulo de dirección de los pozos a la dirección real del mismo. 6.1.

DECLINACIÓN MAGNÉTICA.

El grado de corrección necesaria varía según la ubicación geográfica de cada zona, existen gráficos denominados Isogónicos que muestran estas variaciones para cada localidad. El origen de estas variaciones está determinado por los polos magnéticos de la tierra, los cuales mantienen un gran campo de magnetismo que puede ir variando con el tiempo. Es necesario realizar estudios de magnetismo frecuentemente en aquellos lugares donde la precisión debe ser lo más exacta posible. Durante muchos años los geógrafos han advertido cambios periódicos en la dirección del norte magnético de la tierra, los suficientemente importantes como para obligar a la revisión de mapas, en un promedio de un grado por década. 6.2.

ESTUDIOS DE LA DECLINACIÓN MAGNETICA.

Recientemente los científicos han elaborado una nueva teoría que explica el por qué de los desplazamientos misteriosos del polo norte magnético del planeta Tierra. Para indagar sobre este fenómeno, se realizó un estudio de laboratorio en la Universidad de California a cargo del profesor de Geofísica Raymond Jeanloz. Este experimento intentaba reproducir las condiciones de temperatura y presión del lugar donde la manta rocosa se encuentra en contacto con el magma, a unos 2800 kilómetros bajo la superficie del planeta. Se cree que esta zona de mayor actividad química de la tierra. Los experimentos sugirieron que el nivel inferior de la capa rocosa interacciona con el intenso calor del magma, incrustando glóbulos de aleaciones ricas en hierro en la capa rocosa. Dicho material rico en metales desvía las líneas del campo magnético generadas en el centro de la Tierra, haciéndolas converger en algunas regiones y divergir en otros. La moderna teoría sostiene que los cambios dentro del magma controlan los cambios regionales de intensidad del campo magnético. Teniendo éxito en la comprensión de los procesos físicos que se producen ahora se podrá entender la causa y la dinámica de inversiones en el campo magnético de la Tierra, que ocurren cada varios millones de años.

CAPÍTULO 6 CORRECCIÓN POR DECLINACIÓN MAGNÉTICA 6.3.

PROCEDIMIENTO PARA LA CORRECCIÓN MAGNETICA.

Para realizar la corrección magnética es necesario identificar el lugar de declinación magnética, es decir, declinación Oeste o declinación Este. Para declinación Oeste, figura 34, si trabajamos en coordenadas rectangulares, en los cuadrantes N-E y S-O, es necesario restar el valor de declinación magnética al valor de dirección obtenido en función del Norte magnético, para obtener el valor de dirección en función del Norte real, caso contrario en los cuadrantes N-O y SE, el valor corregido se obtiene sumando a la lectura medida el valor de declinación magnética de la zona. Si trabajamos en coordenadas Polares al azimuth magnético se le resta la declinación para obtener el azimuth verdadero. N Verdadero N Magnético

N Verdadero

Azimuth Real

O

E Azimuth Magnético

S

O

+ -

+

E

S

FIGURA 34. CORRECCIÓN MAGNÉTICA PARA DECLINACIÓN OESTE.

Para declinación Este, figura 35, para coordenadas rectangulares, en los cuadrantes N-E y S-O, el valor corregido se obtiene sumando a la lectura medida el valor de declinación magnética de la zona, mientras que en los cuadrantes N-O y S-E se resta. Para coordenadas polares, al azimuth magnético se le suma la declinación para obtener el azimuth verdadero.

CAPÍTULO 6 CORRECCIÓN POR DECLINACIÓN MAGNÉTICA N Verdadero

N Verdadero

N Magnético Azimuth Real

O

Azimuth Magnético

E

O

+

S

+ -

E

S

FIGURA 35. CORRECCIÓN MAGNÉTICA PARA DECLINACIÓN OESTE.

En Venezuela, se considera en la actualidad una declinación de 6° Oeste para el Lago de Maracaibo y 11° Oeste para el Oriente del país. Ver figura 36 . 6.4.

EJEMPLOS DE CORRECCIÓN MAGNETICA.

Determinar el Norte verdadero y el valor de azimuth para las siguientes declinaciones magnéticas. La figura 37, muestra la conversión de coordenadas rectangulares (ángulo de dirección) a polares (azimuth). (a) Declinación 2° Este N Magnético N 40 E N 30 O S 88 O N 89 O N 89 E

N Verdadero

Azimuth

N Verdadero

Azimuth

(b) Declinación 4° Oeste N Magnético N 40 E N 30 O S 88 O N 89 O N 89 E

CAPÍTULO 6 CORRECCIÓN POR DECLINACIÓN MAGNÉTICA

FIGURA 36. MAPA DE DECLINACIÓN MAGNETICA.

CAPÍTULO 6 CORRECCIÓN POR DECLINACIÓN MAGNÉTICA N

N DIRECCIÓN = 360° Azimuth

DIRECCIÓN = Azimuth

O

AZIMUTH = 360° Ángulo de dirección

E DIRECCIÓN = Azimuth - 180°

DIRECCIÓN = 180° Azimuth

S CONVERSIÓN DE AZIMUTH A DIRECCIÓN

AZIMUTH = Ángulo de dirección

O

E AZIMUTH = 180° + Ángulo de dirección

AZIMUTH = 180° Ángulo de dirección

S CONVERSIÓN DE DIRECCIÓN A AZIMUTH

FIGURA 37. CONVERSIÓN DE COORDENADAS RECTANGULARES A POLARES.

CAPÍTULO 7 TEORÍA DEL DIAGRAMA DE VECTORES El diagrama de vectores es una solución gráfica para determinar en que dirección se debe orientar la cara de la herramienta para obtener a un cambio de ángulo, cambio de dirección o ambos. Para establecer el ángulo de orientación de la herramienta, se requiere saber tres parámetros involucrados: el ángulo de inclinación, el cambio de dirección y la tasa de construcción. El diagrama incluye cuatro líneas que representan las características del hoyo y de la herramienta deflectora. Estas cuatro líneas son: 1. Una línea recta, que representa la dirección original y la inclinación de una sección del hoyo. Las divisiones de la línea esta determinado por el numero de grados de inclinación. Ejemplo: 5° de inclinación, en dirección N25E.

2. Un circulo, que representa la severidad de la pata de perro.. Ejemplo: 1.5°/100´.

3. Orientación de la herramienta deflectora con respecto a la dirección original. Ejemplo: Girar 45° a la derecha desde la dirección original (N70E).

CAPÍTULO 7 TEORÍA DEL DIAGRAMA DE VECTORES 4. Orientación obtenida con respecto a la dirección original. El ángulo obtenido entre las dos direcciones es de 10°. Por lo tanto la nueva dirección es N35E.

En el punto de intersección, coinciden las líneas de dirección del desvío de la herramienta, del circulo de la severidad de la pata de perro y la de dirección obtenida. Es necesario conocer al menos dos de estas incógnitas para determinar la tercera.

CAPÍTULO 8 TEORÍA DE PERFORACIÓN HORIZONTAL 8.1. INTRODUCCIÓN

La técnica de perforación horizontal se ha incrementado notablemente en diferentes regiones alrededor del mundo, básicamente por el desarrollo de herramientas de nueva tecnología que habían impedido, en el pasado, su popularización. La principal razón por la que se perforan pozos horizontales, es debido a que su economía, en la correcta aplicación, es superior a la de un pozo convencional. Los pozos horizontales son generalmente mas costosos de perforar y completar que u pozo vertical, pero esto se compensa, con un incremento de la tasa de producción y del recobro, lo cual mejora el retorno de la inversión. El desarrollo de la perforación de pozos horizontales puede mejorar la rentabilidad de un campo en particular y permitir el desarrollo de áreas poco atractivas, las cuales su desarrollo seria antieconómico con la perforación de pozos convencionales. Entre las principales ventajas de los pozos horizontales se encuentran; el incremento de la tasa de producción debido a que existe una mayor longitud del hoyo en contacto con la zona de interés. Esto puede igualmente incrementar la tasa de producción general de un campo o reducir el numero de pozos convencionales requeridos para alcanzar dicha tasa. Con el desarrollo de esta tecnología se puede reducir el riesgo de conificación de agua y gas, debido a que se reduce la fuerza de arrastre del fluido en el yacimiento. Igualmente, debido a que existe una menor caída de presión y velocidad del fluido alrededor del pozo, se puede obtener una reducción en la producción de arena de los pozos. También, es notable mencionar, la obtención de un mayor y más eficiente patrón de drenaje del yacimiento, con lo que se incrementa el recobro total de las reservas. 8.2 TIPOS DE POZOS HORIZONTALES

Los pozos horizontales pueden clasificarse, de acuerdo a la tasa de construcción requerida para alcanzar una sección horizontal. Ver figura 38. RADIO LARGO

Requiere una tasa de construcción que oscila de 2° a 8° /100 pies. Pueden alcanzar secciones horizontales de hasta 1750 m y requiere de 300 m a 900m de TVD, para alcanzar su construcción. Utiliza equipos convencionales de perforación direccional.

CAPÍTULO 8 TEORÍA DE PERFORACIÓN HORIZONTAL RADIO MEDIO

Requiere de una tasa de construcción que oscila de 8° a 20°/100 pies. Par su construcción requiere de 90m a 300m de TVD. Puede alcanzar secciones horizontales de hasta 1250m. Utiliza equipos de perforación convencionales y especiales. Son particularmente utilizados para interceptar objetivos de poco espesor. En esta clasificación se incluyen los pozos de diámetros delgados los cuales requieren una tasa de construcción de hasta 30°/100 pies y requieren de equipos direccionales de alta tecnología. RADIO CORTO

Requiere de una tasa de construcción que oscila entre 20° a 90°/100 pies. Pueden alcanzar una sección horizontal de hasta 350 m de longitud. Se construyen en profundidades que oscilan de 9 m a 18 m de TVD y requiere de equipos especiales de perforación direccional para su construcción. Tiene como limitante el tamaño del hoyo y son completados a hoyo abierto o con revestidores ranurados flexibles. RADIO ULTRA CORTO

Requiere una tasa de construcción de 90°/1 pies. No utilizan equipos de perforación direccional convencionales. Su tecnología envuelve la utilización de equipos de alta presión (>10000 psi), para inyectar agua y perforar el hoyo. Puede alcanzar una sección horizontal entre 20m a 60m. Su profundidad esta limitada a menos de 10 m de TVD. 8.3 MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN DE POZOS HORIZONTALES

Existen cuatro métodos de construcción de pozos horizontales, los cuales difieren en la forma de construir el ángulo máximo al objetivo. Ver figura 39. CURVA DE CONSTRUCCIÓN SENCILLA Esta compuesta por un intervalo de construcción continua, el cual se comienza desde el punto de inicio del desvío (K.O.P), y finaliza al alcanzar el ángulo máximo al objetivo. Este tipo de curva se perfora con un motor de fondo con ángulo ajustable sencillo. CURVA DE CONSTRUCCIÓN TANGENTE SIMPLE Esta compuesta por dos intervalos de incremento de ángulo separados por una sección tangencial (ángulo constante). Generalmente para las dos

CAPÍTULO 8 TEORÍA DE PERFORACIÓN HORIZONTAL curvas de construcción se utiliza el mismo ángulo ajustable del motor de fondo. CURVA DE CONSTRUCCIÓN TANGENTE COMPLEJA Este método difiere del tangente simple debido a que en la segunda curva requiere de una combinación de tasa de construcción y giro (cambio de dirección). CURVA DE CONSTRUCCIÓN IDEAL Utiliza dos intervalos de construcción, los cuales difieren en la tasa de incremento de ángulo. No presenta sección tangencial.

Radio Largo 2° - 8° / 100’

Radio Medio

Radio Corto 8° - 20° / 100’

20° - 90° / 100’

FIGURA 38. TIPOS DE POZOS HORIZONTALES.

CAPÍTULO 8 TEORÍA DE PERFORACIÓN HORIZONTAL

FIGURA 39. MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN DE POZOS HORIZONTALES.

CURSO-PERFORACIÓN-DIRECCIONAL

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