Programa de pozo MR Condiciones de perforación ______________________ _________________________________ ______________________ _________________ ______
Revoque/Control de filtrado Introducción El sellado de zonas permeables en el pozo es una función primaria del fluido de perforación. El control de filtrado representa una gran porción del costo del fluido. Tradicionalmente, la mayor parte de este costo proviene de controlar el índice de filtración y no la calidad del revoque. Esto es comprensible porque es más fácil cuantificar cierta velocidad de filtración que hacer una evaluación subjetiva sobre la calidad del revoque. La calidad del revoque es, a menudo, difícil de definir y comunicar. Por lo tanto, una revisión de ciertos principios básicos, así como de algunos procedimientos de ensayo nuevos y viejos promoverá una mejor comunicación, un mejor diseño del fluido de perforación y la adecuada utilización de los productos. Los objetivos primarios del control de filtración son: •
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Reducir el daño a las zonas productivas. Reducir la hidratación de arcillas de formación. Mejorar la evaluación de la formación. Evitar pegamiento Evitar pegamiento diferencial de la tubería. Evitar hueco Evitar hueco de bajo calibre debido a revoques gruesos.
Estos objetivos se logran enfocando importantes factores de diseño: •
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Compatibilidad Compatibilidad del filtrado con la formación Revoques delgados, impermeables, y deformables. Revoques con lubricidad y erosionables
Factores de diseño para control de filtrado/revoque Compatibilidad del filtrado con la formación La composición química de un fluido de perforación es un factor clave de diseño que facilitará la habilidad del fluido en mantener la estabilidad del hueco y reducir el daño a las zonas productivas. La velocidad específica de filtración de un fluido es importante, pero también lo es el reducir la hidratación y la dispersión de los sólidos de arcilla. El movimiento del filtrado a través de las microfracturas en la lutita es frecuentemente una acción capilar. Este movimiento espontáneo del fluido no se frena con la reducción de la filtración exclusivamente. Sin embargo, viscosificando el filtrado, sellando las fracturas, o ajustando la química del filtrado se puede reducir el movimiento del fluido en la f ractura.
Permeabilidad del revoque La permeabilidad del revoque está determinada por la concentración de sólidos del fluido, la distribución del tamaño de partículas, la deformabilidad de los sólidos y las propiedades electroquímicas de los mismos. La permeabilidad se reduce a medida que los sólidos se van depositando en el medio filtrante. La permeabilidad también se reduce por el puenteo de partículas de varios tamaños. Para puentear se requieren tamaños de partículas de un tercio del diámetro de la apertura de la garganta poral. Además, la permeabilidad se reduce por los sólidos que tienen la habilidad de deformarse y compactarse en los espacios vacíos. El agua asociada a los sólidos hidratados permite que estos se deformen como si fueran globos de agua. AQUAGEL GOLD SEAL es un sólido de este tipo. Materiales poliméricos tales como EZ MUD, DEXTRID, THERMA-CHEK, y productos de PAC también se hidratan. Cuando estos polímeros hidratados son absorbidos por otros sólidos y/o retenidos en el revoque, ligan sólidos y sellan espacios porales dentro del revoque o de la superficie de la formación. Los sólidos hidratados son también compresibles bajo presión. La compresibilidad es la habilidad de comprimirse juntos, condensar, encoger o reducirse en tamaño. Cuando un sólido se comprime, algunas de las capas externas del agua que tiene ligada son empujadas hacia afuera del sólido, reduciendo su superficie efectiva. La compresión también permite que las cargas electroquímicas en las superficies de la arcilla se coloquen más cerca de las superficies de otros sólidos. Esto incrementa la adhesividad de los sólidos en el revoque y es la razón por la cual el revoque más cercano a la pared del hueco o al medio filtrante se deshidrata. En otras palabras, el revoque es progresivamente más seco dependiendo de la presión y la temperatura
La mayoría de los fluidos de perforación están diseñados para prevenir la hidratación de los sólidos de arcilla. Sin embargo, mantener la deformabilidad del AQUAGEL GOLD SEAL hidratado es difícil en presencia de Q-BROXIN, cal, yeso, agua de mar, KCl y otros aditivos inhibidores. Aún prehidratado, el AQUAGEL se deshidrata con el tiempo y pierde su efectividad. Se hace necesario su reemplazo, pero al agregar más AQUAGEL, se debe tener cuidado de prevenir efectos adversos en el contenido de sólidos del fluido, en la reología, y a su debido momento, en la estabilidad del lodo.
Revoque lubricante y erosionable Un fluido de perforación es un lubricante “parcialmente sólido” diseñado para reducir el coeficiente de fricción entre la tubería y el pozo. Esto incluye la deposición de sólidos lúbricos como revoque, reduciendo así el arrastre de la tubería a través de arenas permeables. Lubricantes líquidos tales como el BARO-LUBE se usan para reducir el coeficiente de fricción entre superficies. Polímeros tales como el EZ-MUD funcionan como lubricantes limítrofes ya que se adhieren a la superficie del tubo y de los sólidos del lodo. Estas características lubricantes proveen menor arrastre de tubería y menos adhesividad entre los sólidos. Dureza y persistencia han sido tradicionalmente características deseables en un revoque. Sin embargo, algunas pruebas han mostrado que la tubería pegada se libera cuando el revoque se esparce con la agitación, en vez del metal moviéndose y apartándose del revoque. Esto quiere decir que los así llamados revoques duros y persistentes pueden en realidad agravar el problema de la tubería pegada. Un lustroso tapiz sobre tubería y sólidos como parte del revoque puede reducir las frecuencias de pegamiento de tubería promoviendo lubricación entre el metal y el mismo revoque.
Controlando la velocidad de filtración y la calidad del revoque Mecanismos de control de filtración Hay cuatro mecanismos básicos para controlar velocidades de filtración y reducir la permeabilidad del revoque. Es importante el entendimiento de estos mecanismos así como del funcionamiento de los productos de control de filtración. La mayoría de los productos tienen funciones primarias y secundarias. La manera como un producto afecte otras propiedades del fluido debe ser considerada como parte del proceso de evaluación de ese producto.
Puenteo El puenteo reduce la velocidad de filtración y la permeabilidad tapando y bloqueando el espacio poral en la cara del medio filtrante. Generalmente se requiere sólidos de aproximadamente un tercio del diámetro de la apertura de la garganta poral para que se forme un puente. AQUAGEL, CARBONOX, BARANEX, DEXTRID, BARACARB, BAROFIBRE, STEELSEAL y otros materiales obturantes funcionan como materiales puenteantes.
Enlace El enlace es para conectar y unir a los sólidos. THERMA-CHEK, PAC, CELLEX, y otros polímeros de alto peso molecular funcionan como materiales enlazantes. De modo secundario, PAC y CELLEX funcionan viscosificando el filtrado, reduciendo su habilidad para fluir.
Desfloculación Los desfloculantes reducen la atracción electroquímica entre sólidos, permitiendo que éstos sean filtrados individualmente, no en flóculos. Esto reduce los espacios vacíos en el revoque creados por esos flóculos. LIGNOX, CARBONOX, Q-BROXIN, THERMA-THIN, y otros polímeros de bajo peso molecular funcionan como desfloculantes.
Viscosidad La pérdida de filtrado decrece en proporción al incremento de la viscosidad del mismo. La temperatura por sí sola puede cambiar la viscosidad del filtrado, haciendo el control de filtración más difícil en altas temperaturas. Cualquier material soluble agregado al fluido viscosificará el filtrado. En la mayoría de los casos, éste es el efecto secundario de un producto. Lignosulfonatos y polímeros de bajo peso molecular aumentan ligeramente la viscosidad del filtrado mientras que polímeros de alto peso molecular y los GEM´s aumentan su viscosidad aún más.
Controlando la calidad del revoque La calidad del revoque está afectada por el grado de hidratación y floculación de los sólidos filtrados. La efectividad de la reducción de la permeabilidad se puede demostrar por una clasificación de los sólidos de arcilla de acuerdo con su condición y con las características de distribución de sus superficies:
Deshidratado/agregado/floculado
(permeabilidad alta)
Hidratado/floculado
(permeabilidad media)
Hidratado/desfloculado
(permeabilidad baja)
Como la calidad del filtrado y del revoque son importantes factores de diseño, es importante entender el estado electroquímico predominante de los sólidos. Inicialmente, la permeabilidad del revoque se reduce a medida que AGUAGEL GOLD SEAL prehidratado se agrega al sistema. Cuando estas partículas de arcilla se floculan, promueven su deformabilidad y la reducción de la permeabilidad por el incremento de presión. Con la desfloculación, la permeabilidad baja aún más, porque los espacios vacíos creados por los flóculos disminuyen. Durante las operaciones de perforación, los sólidos hidratados eventualmente se vuelven deshidratados a medida que el contenido de sólidos aumenta y/o que el sistema se convierte en un fluido inhibidor. En este punto se debe tomar una decisión basada en los objetivos operativos y económicos. Puede agregarse AQUAGEL y/u otros productos. Estos otros productos incluyen CELLEX, PAC, DEXTRID, y FILTER-CHEK. El contenido de agua se puede incrementar conjuntamente con las adiciones que permitan que los productos se hidraten y funcionen adecuadamente.
Monitoreando la calidad del revoque Monitoreo de la permeabilidad de revoques estáticos (API, APAT) La deformabilidad del revoque es verificable y se puede monitorear y registrar diariamente. El monitoreo requiere velocidades de filtración determinadas con un filtro prensa a diversos intervalos y presiones. Los resultados de la prueba se evalúan luego con base en las ecuaciones estándar de filtración. La primera ecuación dice que la velocidad de filtración a través de un medio filtrante fijo cambiará en proporción a la raíz cuadrada del tiempo. Ecuación: Q2 = Q1 Donde:
T 2 T 1
Q1 = velocidad de filtración a los 7.5 minutos Q2 = velocidad teórica a los 30 minutos T1 = 7.5 minutos T2 = 30 minutos (API) 3
Esta ecuación dice que un fluido que produce 5 cm de filtrado en 7.5 minutos 3 producirá el doble valor de 10 cm de filtrado en 30 minutos. Sin embargo, si se depositan sólidos deformables con el chorro inicial de filtrado, la velocidad de filtración será menor que el valor calculado. Esto quiere decir que la permeabilidad del revoque se va reduciendo con el tiempo y con la presión. Una segunda técnica de monitoreo requiere pruebas de velocidad de filtración a dos presiones diferentes y sus resultados evaluados según la siguiente ecuación: Ecuación: Q2 P2
=
Q1 P1
Donde: Q1 = Velocidad de filtración conocida Q2 = Velocidad de filtración calculada P1 = Baja presión, 100 psi P2 = Alta presión, 500 psi En la ecuación de arriba, las velocidades de filtración a través de un medio filtrante fijo cambian en proporción a la raíz cuadrada de la presión. Por lo tanto, una velocidad de filtración de X a 100 psi será entonces de 2.2X a 500 psi. Sin embargo, si los sólidos proveen un revoque deformable, la relación entre las velocidades de filtración será menor que el valor calculado. La permeabilidad entonces decrece cuando la presión aumenta. Lodos de campo con sólidos hidratados/floculados pueden proveer una relación de filtración a 500/100 psi de 1.0 o menos. Un fluido desfloculado con sólidos deformables puede proveer una relación de filtración de 1.2 o menos. La evaluación de velocidades de filtración y revoques a diversos intervalos y presiones es más informativa que el dato único que se reporta en el formulario de reporte estándar API.
Monitoreo de la permeabilidad de revoques estáticos (PPA) La permeabilidad bajo condiciones del pozo es diferente de aquella bajo condiciones de la celda del filtro prensa API o APAT. Sin embargo, los principios de filtración y permeabilidad permanecen iguales. El Aparato de Taponamiento de Partículas (ATP = PPA) simula las condiciones pozo abajo a presiones de
3,000 psi, temperatura de 500°F (260°C), y permeabilidades variables usando discos de aloxita que van desde 100 md hasta 100 darcies. Para reducir la permeabilidad, algunos de los sólidos depositados inicialmente sobre la cara de la zona permeable deben tener tamaño suficiente para puentear las gargantas porales. De no ser así, pasará lodo entero. Además de puentear, algunos sólidos deben ser deformables. Se comprimen en los espacios vacíos para restringir el movimiento del fluido. Si el chorro inicial de pérdida de la prueba con el ATP incluye sólidos o lodo íntegro, los espacios porales no están siendo puenteados adecuadamente. Esto puede resultar en altas pérdidas de filtrado y revoques gruesos debido al depósito de sólidos gruesos en el medio filtrante. Un revoque eficaz, definido por el ATP, tendrá lo siguiente: •
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Una baja pérdida inicial con muy poco o nada de sólidos en el filtrado. Valores de filtración casi iguales a presiones diferentes. Espesor del revoque casi igual a presiones diferentes.
Los productos de filtración deben ser seleccionados con base en su estabilidad térmica, tamaño de partículas, deformabilidad y su habilidad de enlace. Un polímero puede reducir el filtrado a bajas presiones; sin embargo, puede ser inyectado dentro del espacio poral a altas presiones. En este caso, sólidos firmes tales como el BARACARB o el STEELSEAL pueden hacer falta para puentear los espacios porales.
Monitoreo de la permeabilidad de revoques dinámicos (FANN 90) Cuando la barrena penetra una zona permeable, los sólidos son filtrados a partir del fluido a medida que el filtrado es forzado dentro de la formación por la presión diferencial. Algunos de estos sólidos son lavados o erosionados de la pared del pozo por la acción circulante del fluido de perforación. Cuando la velocidad de erosión de los sólidos y la velocidad de deposición de los mismos alcanzan un equilibrio, la velocidad de filtración y el espesor del revoque se vuelven constantes. Al igual que con la filtración estática, es importante puentear y sellar gargantas porales con el chorro inicial de filtrado. Esto reduce pérdida de filtración y engrosamiento del revoque. Cuando el proceso de filtración se convierte de dinámico a estático, el engrosamiento del revoque aumenta y la velocidad de filtración disminuye. La efectividad del revoque inicial determinará la magnitud del engrosamiento del revoque bajo condiciones estáticas.
Para evitar un pozo “de calibre estrecho”, el revoque debe ser delgado. Además, el revoque debe ser erosionable a medida que el proceso se convierte de estático a dinámico nuevamente. Estas propiedades requieren que los productos de filtración sean adecuadamente dimensionados, deformables, lubricantes y erosionables al agitar. El agua adherida a los sólidos hidratados tales como la bentonita comercial y los polímeros otorga esas características deseables. En la mayoría de los casos, la velocidad de filtración dinámica será menor después del período estático que durante la fase dinámica inicial. Cuando los sólidos tienen bajo contenidos de agua, las cargas electroquímicas sobre las superficies de los sólidos se ubican muy cerca de las cargas de otros sólidos. Las atracciones eléctricas entre esos sólidos así como la compactación bajo presión los hace muy difíciles de separar. Como resultado, se puede formar un revoque grueso y duro, con un hueco de estrecho calibre y potencial para pegamiento de tubería. La filtración dinámica se puede evaluar en el laboratorio usando el FANN 90 bajo una variedad de condiciones diferentes, incluyendo varias velocidades de corte, presiones, temperaturas y permeabilidades del medio filtrante. Al igual que con la prueba del ATP, el objetivo es conseguir control de pérdida de fluido con revoques delgados mientras se cambian los parámetros de la prueba. Es importante conocer la composición del fluido y las características filtrantes de todos los elementos dentro de ese fluido para hacer una evaluación lógica del mismo y recomendaciones para el ajuste de las velocidades de filtración. Los máximos valores recomendables para la velocidad de filtración dinámica y el índice de deposición del revoque (IDR) se muestran en la siguiente tabla:
Densidad del lodo, lbs/gal
Velocidad, ml/min
IDR
9-14
0.16
22
14 o mayor
0.12
16
Control de filtración versus pegamiento de tubería La prevención de un pegamiento por presión diferencial es una función primaria de los fluidos de perforación. La fórmula para el pegamiento por presión diferencial es: 2
Tracción vertical = (presión diferencial, psi) (área de contacto, pulg ) (coeficiente de fricción). La presión diferencial (psi) es la diferencia entre la presión hidrostática de la columna de lodo y la presión de formación. Para poder reducir la presión
diferencial, la química del lodo debe tener un efecto estabilizador sobre la lutita o la pared del hueco. Esto evitará la necesidad de densidades de lodo excesivas para mantener la estabilidad del hueco. 2
El área de contacto (pulg ) está determinada por los diámetros de la tubería y del pozo así como por la calidad del revoque. Revoques gruesos y blandos permiten mayor contacto porque la tubería se enclava en el revoque. A medida que el área de contacto aumenta, la fuerza horizontal aumenta como el producto del área de contacto y de la presión diferencial. Un eficaz control de sólidos y un revoque delgado impermeable sobre la pared del hueco reducirán el área de contacto. El coeficiente de fricción define una característica de lubricidad. A medida que la lubricidad del fluido y del revoque mejora, la tracción vertical requerida para mover la tubería disminuye como el producto del coeficiente de fricción y la fuerza horizontal. Lubricantes y sólidos lúbricos permiten que la tubería se deslice por las zonas permeables. Además, éste permite que los sólidos del revoque sean esparcidos con agitación más fácilmente. Esto ayuda a la prevención de la pega de tubería así como a la liberación de la tubería que se pegó.
