CAPITULO 7
OPERACIONES DE BALEOS
Una de las operaciones mas importantes durante la terminación de un pozo petrolero es la de baleo o disparos de producción , pues la producción de hidrocarburos depende en gran parte de su diseño y ejecución. Este trabajo presenta una metodología para seleccionar el sist sistem ema a de baleo aleos s más más adec adecua uado do en una una term termin inac ació ión, n, la cual cual considera los parámetros mas importantes que determinan una mejor comunicación entre el yacimiento y el pozo.
OBJETIVO Desarrollar una guía práctica para diseñar el sistema de baleo más apropiado para una terminación de pozo, la misma que incluya los aspe aspect ctos os más más impo import rtan ante tes s tale tales s como como las las cond condic icio ione nes s prev previa ias s y duran durante te el bale baleo, o, así así como como los los fact factor ores es que que afec afecta tan n el índi índice ce de productividad.
INTRODUCCION La culminación de los trabajos en un pozo para obtener producción de hidrocarburos es la operación de baleos o disparos, la cual consiste en perforar la cañería de revestimiento, cemento y formación para establecer comunicación entre el pozo y los fluidos del yacimiento. La corr correc ecta ta sele selecc cció ión n del del sist sistem ema a de bale baleo o es de impo import rtan anci cia a relevante ya que de esto dependerá la productividad del pozo y la disminución de intervenciones adicionales que implican altos costos.
TIPO DE CARGAS A) CARGAS EXPLOSIVAS O BALAS En un principio los baleos se realizaban con balas y aun hoy se siguen utilizando cañones con balas en formaciones blandas. Consideramos una carga cilíndrica de explosivos de alto poder que es detonado en un extremo, ver Fig. 1. Se genera una onda de choque expansiva que avanza y se desarrolla axialmente a lo largo de la carga hacia el otro extremo. A medida que la onda de detonación pasa a través de una región en el explosivo, la presión se eleva casi instantáneamente hasta casi 400 kilobar. Este aumento de presión es importante porque provoca incrementos inmediatos en la densidad y temperatura del explosivo
sin reaccionar exactamente detrás de la onda de detonación y así crea reacciones explosivas posteriores. La velo veloci cida dad d del del hoci hocico co del del proy proyec ecti till se elev eleva a acer acerca ca de 3300 3300 pies/seg. pies/seg. Para casos a travéz de formaciones formaciones con menos de 2000 psi de fuerza compresiva, las balas pueden proveer penetración profunda igual que los baleos con tipo jet. El aumento considerable de temperatura casi instantánea que suce sucede de con con el pasa pasaje je se debe debe prin princi cipa palm lmen ente te a la comp compre resi sión ón adiabática. La máxima temperatura producida alrededor de 6000 °C, se desarrolla dentro de la zona de reacción, en algún punto detrás del frente de onda.
Factores que afectan la performance del explosivo: Entre los diversos factores están: 1. Las presione presiones s de deton detonació ación n y reaccio reacciones nes química químicas s asocia asociadas das con la explosión. 2. La temp temper erat atur ura, a, dens densid idad ad de masa masa,, diám diámet etro ro,, tama tamaño ño de partículas y grado de confinamiento del explosivo. 3. La estructu estructura ra molecula molecular. r. Peso Peso molecu molecular lar y forma forma cristalin cristalina a del explosivo. La temperatura afecta la estabilidad y sensibilidad de un explosivo. Cuando Cuando la temper temperatu atura ra aument aumenta, a, se sumini suministr stra a calor calor al explos explosivo ivo,, necesitándose menos energía adicional para iniciar o mantener las reacciones químicas involucradas en la descomposición y detonación. Por tanto, por el incremento de temperatura, la sensibilidad aumenta mientras que la estabilidad disminuye.
B) CARGAS MOLDEADAS El componente principal de un cañón para baleo es la carga. La carga utiliz utiliza a un explos explosivo ivo secund secundari ario o de alto alto poder poder para para propul propulsar sar una corriente o jet de partículas metálicas de alta velocidad, que penetran el casing, cemento y la formación. A pesar que las cargas jet llamadas también para baleo, son de apariencia cia simple, verdade aderos dispositivos de de precisión y deben estar cuidadosamente diseñados y fabricados para asegurar la obtención de las características deseadas en el baleo. Las cargas para baleo son cargas moldeadas y revestidas sobre el expl explos osiv ivo, o, se mold moldea ea una una cavi cavida dad d y se revi revist ste e con con un mate materi rial al met metálic álico o, Fig. Fig. 2. Los Los comp compo onente entes s de las carga argas s mold oldeada eadas s encapsuladas son:
sin reaccionar exactamente detrás de la onda de detonación y así crea reacciones explosivas posteriores. La velo veloci cida dad d del del hoci hocico co del del proy proyec ecti till se elev eleva a acer acerca ca de 3300 3300 pies/seg. pies/seg. Para casos a travéz de formaciones formaciones con menos de 2000 psi de fuerza compresiva, las balas pueden proveer penetración profunda igual que los baleos con tipo jet. El aumento considerable de temperatura casi instantánea que suce sucede de con con el pasa pasaje je se debe debe prin princi cipa palm lmen ente te a la comp compre resi sión ón adiabática. La máxima temperatura producida alrededor de 6000 °C, se desarrolla dentro de la zona de reacción, en algún punto detrás del frente de onda.
Factores que afectan la performance del explosivo: Entre los diversos factores están: 1. Las presione presiones s de deton detonació ación n y reaccio reacciones nes química químicas s asocia asociadas das con la explosión. 2. La temp temper erat atur ura, a, dens densid idad ad de masa masa,, diám diámet etro ro,, tama tamaño ño de partículas y grado de confinamiento del explosivo. 3. La estructu estructura ra molecula molecular. r. Peso Peso molecu molecular lar y forma forma cristalin cristalina a del explosivo. La temperatura afecta la estabilidad y sensibilidad de un explosivo. Cuando Cuando la temper temperatu atura ra aument aumenta, a, se sumini suministr stra a calor calor al explos explosivo ivo,, necesitándose menos energía adicional para iniciar o mantener las reacciones químicas involucradas en la descomposición y detonación. Por tanto, por el incremento de temperatura, la sensibilidad aumenta mientras que la estabilidad disminuye.
B) CARGAS MOLDEADAS El componente principal de un cañón para baleo es la carga. La carga utiliz utiliza a un explos explosivo ivo secund secundari ario o de alto alto poder poder para para propul propulsar sar una corriente o jet de partículas metálicas de alta velocidad, que penetran el casing, cemento y la formación. A pesar que las cargas jet llamadas también para baleo, son de apariencia cia simple, verdade aderos dispositivos de de precisión y deben estar cuidadosamente diseñados y fabricados para asegurar la obtención de las características deseadas en el baleo. Las cargas para baleo son cargas moldeadas y revestidas sobre el expl explos osiv ivo, o, se mold moldea ea una una cavi cavida dad d y se revi revist ste e con con un mate materi rial al met metálic álico o, Fig. Fig. 2. Los Los comp compo onente entes s de las carga argas s mold oldeada eadas s encapsuladas son:
•
La cápsula de la carga , es la carcaza o receptáculo donde se aloj alojan an otro otros s comp compon onen ente tes. s. Dise Diseña ñada das s para para sopo soport rtar ar alta altas s temperaturas y presiones, las mismas están protegidas por el carri arrier er de las las cond condic icio ione nes s prop ropias ias del pozo pozo,, deben eben ser ser resi resist sten ente tes s a la abra abrasi sión ón.. Pued Pueden en ser ser cons constr trui uido dos s de acer acero o maquinado, acero en frío, aluminio fundido y cerámica.
•
La camisa, recubre la masa necesaria para que el jet penetre el casing, el cemento y la formación. La presión ejercida sobre la camisa al momento de detonar el explosivo principal causa el colapso de la misma y forma el jet. La forma de la camisa, su espesor y composición influyen directamente en la profundidad, diám diámet etro ro y efec efecti tivi vida dad d de la form formac ació ión. n. La form forma a cóni cónica ca es util utiliz izad ada a en carg cargas as de pene penetr trac ació ión n prof profun unda da para para prod produc ucir ir perforaciones largas, la forma parabólica se usa para agujero grande para producir perforaciones de gran diámetro. En ambos casos se denomina a la camisa como el cono. Esta desintegración puede tener velocidades de 8000 m/seg del jet y de 2000 m/seg de la cola o parte trasera de la camisa.
•
El explos explosivo ivo princi principal pal, es el que suministra la energía nece necesa sari ria a para para prod produc ucir ir el jet. jet. La masa masa,, la dist distri ribu buci ción ón y la velo veloci cida dad d de deto detona naci ción ón del del expl explos osiv ivo o prin princi cipa pall afec afecta tan n dire direct ctam amen ente te a la perf perfo orman rmance ce de la carga arga.. Se utili tiliza zan n explos explosivo ivos s secund secundari arios, os, granul granulare ares, s, de alta alta calida calidad d como como el RDX, HMX, HNS y PYX.
•
El fulminante, o impulsor está compuesto de una pequeña cantidad de explosivo que es más sensible que el explosivo principal. principal. El fulminante fulminante consiste generalmente generalmente de alrededor alrededor de 1 gramo del mismo tipo de explosivo que el principal, pero en forma granular muy fina y sin cera.
Perforadores jet para propósitos especiales: 1.
2. 3. 4. 5. 6.
Cañón con disparos selectivados. Casqui Casquillo llo de Titani Titanio o por fuera para conos conos bimetá bimetálic licos os causan causan una una reta retard rdac ació ión n y aume aument nto o secu secund ndar ario io de pres presió ión n en la perforación. Cortina Cortina de chorro chorro para el control control de arena. arena. Perf Perfor orad ador or para para pene penetr trar ar sola solame ment nte e por por tube tuberí ría. a. La tube tuberí ría, a, debe ser centralizada para prevenir daño al casing. El cortador cortador tipo jet jet para tubing tubing o casing, casing, también también se encuentra encuentra en tamaños para diámetros grandes. Perfor Perforado adores res para para agujer agujero o abiert abierto, o, para para daños daños primar primariam iament ente e penetrados.
El perforador de chorro a vacío es diseñado para limpiar afuera de las perforaciones con una diferencial de presión alta dentro del cañón transportador inmediatamente después del baleo.
EXPLOSIVOS Las cargas para perforar la cañería dependen de los explosivos para generar la energía necesaria y tener una penetración efectiva del casing, cemento y formación. Por esto, el desempeño de la carga está relacionada directamente con el desempeño del explosivo. Debido a su enorme relación Energía – Peso se prefieren los explosivos sobre otra fuente de energía. Los explosivos actúan rápidamente, son confiables y pueden ser almacenados por largos periodos de tiempo. Además, se manejan con seguridad tomando las precauciones debidas.
a.
TIPOS Y CARACTERÍSTICAS Los explosivos de acuerdo a su velocidad de reacción pueden clasificarse en ALTOS y BAJOS.
Explosivos Bajos
Explosivos Altos
Velocidad de reacción 330 –1500 Velocidad de reacción ≥ 1500 m/s. m/s. Sensibles al calor (iniciados por Iniciados por calor o percusión. flama o chispa).
Los explosivos altos que se usan mas comúnmente en la perforación de tuberías son: Azida de plomo, Tacot, RDX, HMX, HNS, HTX y PYX.
b.
SENSITIVIDAD La sensitividad es una medida de la energía mínima, presión o potencia requerida para iniciar un explosivo y nos refleja la facilidad con la que puede iniciarse: Sensitividad al impacto: Es la altura mínima de la cual puede dejarse caer un peso sobre el explosivo para que detone. •
Sensitividad a la chispa: Es la cantidad de energía que debe tener una chispa para detonar un explosivo. •
c.
ESTABILIDAD
La estabilidad se refiere a la habilidad de un explosivo para perdurar por largos periodos de tiempo o para soportar altas temperaturas sin descomponerse. Los explosivos usados en los disparos deben tener una alta estabilidad para que puedan ser almacenados por un tiempo razonable y que puedan operar efectivamente después de exponerse a las temperaturas del pozo. La gráfica de la Figura 1 ilustra la estabilidad de algunos explosivos en función de la temperatura y el tiempo.
FACTORES QUE AFECTAN LA PRODUCTIVIDAD DE UN POZO El índice de productividad nos permite evaluar la potencialidad de un pozo y está representado matemáticamente por: J
=
q pws
−
pwf
(1)
El índice de productividad de una zona puede ser difícil de determinar, por lo tanto el efecto del diseño del sistema de disparo como son la penetración, fase, densidad, diámetro del agujero, daño del lodo, etc., pueden ser evaluados usando la Relación de productividad:
RP
=
Pr oducción Pr oducción
de una zona entubada y baleada de la misma zona en agujero abierto
Los principales factores que afectan la productividad del pozo son: a. b. c. d. e. f.
Factores geométricos del baleo. Presión diferencial al momento del baleo. Tipo de cañones y cargas. Daño generado por el baleo. Daño causado por el fluido de la perforación. Daño causado por el fluido de la terminación.
Como se puede observar, los cuatro primeros factores que afectan la productividad pueden ser manipulados durante el diseño del baleo. Por lo tanto con el análisis de las condiciones del pozo y la selección del sistema de disparo adecuado, se obtendrá la máxima producción del pozo.
a. FACTORES GEOMÉTRICOS DEL BALEO La geometría de los agujeros hechos por las cargas explosivas en la formación influyen en la Relación de Productividad del pozo y está definida por los Factores Geométricos. Estos determinan la eficiencia del flujo en un pozo baleado y son: • • • •
Penetración. Densidad de cargas por metro. Fase angular entre perforaciones. Diámetro del agujero (del baleo).
Otros factores geométricos que pueden ser importantes en casos especiales son: Penetración parcial, desviación del pozo, echados de la formación y radio de drenaje. La Figura 2 ilustra los factores geométricos del sistema de baleo.
Fase y Patrón de agujeros se ven en las Figuras 3, 4 y 5:
•
RP.
Efecto de la Penetración y Densidad de carga en la
Como puede apreciarse en la gráfica de la Figura 6, el efecto de la penetración y la densidad de cargas es muy pronunciado en las primeras pulgadas de penetración. Arriba de 6 pulgadas la tendencia es menor, pero es evidente la importancia de la penetración para mejorar la relación de productividad. La densidad de cargas influye también en la relación de Productividad (RP) observando que para una densidad de 3 cargas /m es necesaria una penetración de 16 pulgadas para obtener una RP de 1.0 mientras que para una densidad de 13 c/m se necesitan solo 6 pulgadas.
La gráfica supone un pozo sin daño, para el caso mas real de un pozo con una zona de daño debida al fluido de perforación, la penetración más allá de la zona de daño es relevante para mejorar la RP. •
Efecto de la Fase en la RP.
La fase angular entre perforaciones sucesivas es un factor importante. La Figura 7 muestra una reducción de un 10 – 12 % en la RP para sistemas de 0ª y 90ª con una misma penetración. Suponiendo que se use un sistema de 0ª de fase, con una penetración de 6 pulgadas, se obtiene una RP de 0.9 de la gráfica, mientras que para un sistema de 90ª se obtiene una RP de 1.02; esto representa una diferencia del 11 % en la RP.
b.
PRESIÓN DIFERENCIAL AL MOMENTO DEL DISPARO
El modo en que el pozo es terminado ejerce una gran influencia en su productividad. Existen dos técnicas que pueden aplicarse durante la ejecución de los disparos: •
Sobre – balance:
Phidrostática
Pformación
•
Bajo – balance:
Phidrostática
∠
Pformación
El objetivo de una terminación sobre-balanceada es fracturar la formación al momento del baleo, sin embargo si la presión no es alcanzada después del disparo y antes de que fluya el pozo, se forman tapones con los residuos de las cargas.
Después de dejar fluir el pozo, es posible que aún se tenga una perforación parcialmente taponada y una zona compactada de baja permeabilidad. Cuando se tiene una terminación bajo-balanceada, los residuos de las cargas y la zona comprimida podrían ser expulsados por la acción del brote de fluido de terminación. Disparar el pozo con una presión diferencial a favor de la formación es recomendable para obtener la limpieza de los agujeros. Sin embargo, usar presiones diferenciales muy altas es inadecuado ya que arriba de cierto valor no se obtiene ninguna mejora en el proceso de limpiado. Una presión diferencial excesiva puede provocar arenamiento o aporte de finos de formación que impedirán el flujo a través de la perforación, o un colapso de la Cañería de Revestimiento. Debido a lo antes mencionado, para calcular la presión diferencial a establecer durante el baleo se deberán considerar los factores siguientes: • •
Grado de consolidación de la formación. Permeabilidad de la formación.
• • • •
Fluido en los poros. Presión de colapso en las tuberías y equipo. Grado de invasión del fluido de perforación. Tipo de cemento.
La magnitud de la presión básicamente de dos factores: • •
diferencial
negativa
dependerá
La permeabilidad de la formación. El tipo de fluido.
Procedimiento para la estimación de la presión diferencial bajo-balanceada en arenas: Para determinar la presión bajo-balanceada que contrarreste el efecto skin, es importante clasificar la formación en: Consolidad o Noconsolidada. Una forma de lograr esto es mediante el análisis de la respuesta de los registros de densidad ó sónico en las lutitas limpias adyacentes a la zona productora. Una formación consolidada tiene los granos de arena suficientemente cementados o compactados para permanecer intactos. Estos granos no fluirán, aún si se tiene un flujo turbulento en los espacios de los poros. Una arena se considera Consolidada si se tienen lutitas adyacentes (arriba y/o abajo) compactas con tiempos de tránsito ∆t ≤ 100 seg / pie obtenido de un registro sónico. Si se tiene un µ registro de densidad, las arenas se consideran consolidadas si la ρ b ≥ 2.4 grs / cm densidad volumétrica en las lutitas limpias adyacentes. 3
Una formación No-consolidada es una arena pobremente cementada o compactada de tal manera que los granos pueden fluir al haber movimiento de fluidos a través de la formación.
Una arena se considera No-consolidada cuando adyacentes tienen un tiempo de tránsito mayor de 100 una densidad menor a 2.4 grs / cm .
las seg µ
lutitas / pie o
3
La razón de usar el tiempo de tránsito de las barreras de lutitas adyacentes, abajo o arriba, en lugar de la arena misma, es que el tiempo de tránsito de la lutita está relacionado directamente con su compactación. El grado de compactación de las lutitas adyacentes indica la compactación de la arena. Si se usara el tiempo de tránsito de la arena para determinar su compactación, sería necesario hacer correcciones por tipo de hidrocarburo, densidad de los granos de arena, porosidad de la zona, saturación de agua, etc., muchos de estos datos no están disponibles y deben ser supuestos, por lo que es posible tener un resultado erróneo.
Formación Consolidada.Si la formación es consolidada, se deberá encontrar un punto medio entre una presión bajo-balanceada mínima y una máxima:
1. Determinación de la presión bajo-balanceada máxima ( ∆ P max ): Hay dos maneras de encontrar la presión diferencial máxima: •
•
Ya que la formación está consolidada, el flujo de arena no es problema por lo que es posible balear con la mayor presión diferencial que pueda ser soportada por el elemento o accesorio del pozo que tenga el menor rango de presión: límite de presión de colapso del casing o cañería, presión diferencial en el obturador u otro accesorio.
Para el caso de casing o cañería nueva, el límite de presión será de un 80 % de su presión de colapso para tener un factor de seguridad de un 20 %. Para sartas usadas, el factor de seguridad deberá ser mayor de acuerdo a sus condiciones. La mayoría de los obturadores recuperables y herramientas de fondo tienen un límite seguro de presión diferencial de 5000 psi. •
La resistencia compresiva de formación puede ser usada también para calcular la ∆ P max . De acuerdo a pruebas hechas en laboratorio con núcleos de formación, no hay movimiento en la matríz de formación hasta que el esfuerzo efectivo excede 1.7 veces la resistencia compresiva de la formación. El esfuerzo efectivo es igual a la presión de sobrecarga menos la presión de poro. Por lo tanto, la presión de poro mínima es igual a la presión de sobrecarga menos 1.7 veces la resistencia compresiva. Esto significa que la presión bajo-balanceada máxima es la presión de formación menos la presión de poro mínima: σ
=
σ Z
1.7 * Rc
Z
2.
σ sob
−
Pp min
=
σ sob
∆ P max
=
Pf
(2)
Pp
(3) −
−
1.7 * Rc
Pp min
(4)
Determinación de la presión bajo-balanceada mínima ( ∆ P min ): En base a estudios estadísticos se ha llegado a establecer un rango de valores mínimos para yacimientos de arenas, estos valores se encuentran en la Tabla de la Figura 8. Como se observa en esta tabla, el valor de ∆ P depende de 2 factores: • •
La permeabilidad de la formación. El fluido contenido (Aceite o Gas).
Arena con Aceite: ∆ P min
=
∆ P min
=
3500 0.37
K
(5)
Arena con Gas: 2500 0.17
K
(6)
3. Determinación del punto medio de presión ( ∆Pmed ): Una vez determinado ∆ P max y ∆ P min en los pasos anteriores, se determinará el punto medio de presión y la presión diferencial bajo-balanceada ∆ P de la siguiente manera: ∆ Pmed
=
∆ P max
+
∆P min
2
(7)
a) Si los registros indican una invasión somera y/o se usó cemento con baja pérdida de agua, ∆ P estará entre ∆ P min y el punto medio. b) Si los registros indican una invasión de media a profunda y/o se usó cemento de media a alta pérdida de agua, ∆ P estará entre el punto medio y ∆ P max . Si la presión diferencial calculada ( ∆P ) está fuera de los rangos mostrados en la Tabla 10, ajustar el valor de la presión al mínimo o máximo. Una vez que se obtiene la presión diferencial requerida para efectuar el disparo, se calcula la presión hidrostática a la profundidad del intervalo productor al momento del disparo. Ph
=
Pf
−
∆ P
(8)
La densidad requerida para generar la presión hidrostática de la ecuación (8) es calculada como sigue: ρ b
Ph
=
1.4228 * Dv
Ver ejemplos 1 y 2 en Apéndice 1.
La presión hidrostática de una columna de fluido es:
(9)
Ph
=
(10)
1.4228 * Dv * ρ f
En el caso de no contar con el dato de la presión de formación puede calcularse en base al lodo de perforación usado para controlar la zona de interés suponiendo: Pf
Phl
≤
=
(11)
Phl
(12)
1.4228 * Dv * ρ l
En la tabla de la Figura 10 se observa que para zonas de baja permeabilidad se requieren presiones diferenciales más altas para forzar a los fluidos a través de los poros. De igual forma, en una zona de gas debido a que éste tiene una mayor compresibilidad no se expande tan fácilmente como el petróleo después de ser comprimido durante la perforación.
Arenas no Consolidadas.Las gráficas de las figuras 11 y 12 relacionan la máxima presión diferencial con el tiempo de tránsito ∆t o la densidad ρ b de las lutitas adyacentes para arenas no consolidadas. Si se cuenta con una buena medida de la resistencia compresiva de la formación, es posible determinar la ∆ P max para formaciones no-consolidadas, esto es empleando el mismo procedimiento que se utiliza para arenas consolidadas, el cual consiste en restar la presión de poro mínima para generar movimiento de arena, de la presión de la formación. Sin embargo, si no se tiene la resistencia compresiva de la formación, el siguiente procedimiento puede ser empleado.
1. Escoja la
.- Presión diferencial máxima en arenas noconsolidadas con aceite: ∆ P max
∆ P max
=
3600
∆ P max
=
2340 * ρ b
−
20 * ∆t
−
4000
(psi)
(13)
(psi)
(14)
Presión diferencial máxima en arenas no-consolidadas con gas:
2. Escoja la
∆ P max
=
4750
∆ P max
=
2900 * ρ b
.-
−
25 * ∆t
−
4700
(psi)
(15)
(psi)
(16)
Usando la permeabilidad de la formación, determine la ∆ P min mediante las ecuaciones 5 y 6 para zonas de petróleo y gas respectivamente. ∆ P min
3.
Determine la presión del punto medio.-
Siga el mismo procedimiento establecido para arenas consolidadas. ∆ Pmed
=
∆ P max
+
∆P min
2
Procedimiento para la estimación de la presión diferencial bajo-balanceada en carbonatos:
Para el caso de formaciones de carbonatos, no se dispone de un estudio estadístico riguroso ni de experimentos de laboratorio. En algunos paises como Venezuela, se ha trabajado con rangos de presiones diferenciales entre 1500 y 3500 psi, sin que se presenten problemas de derrumbe. En México se han efectuado trabajos con cañones bajados con tubería (TCP) con resultados diferentes. La presión diferencial aplicada al momento del disparo ha variado en general entre 1000 y 5000 psi. Sin embargo existen casos en los que se han tenido problemas de derrumbe aplicando presiones muy diferentes (7000 psi en un caso y 1000 psi en otro) En ambos pozos la formación disparada era caliza tipo mudstone con muy baja porosidad. Debido a lo anterior es recomendable realizar un estudio mñas profundo cuando se determine la ∆ P max aplicable, en donde la ∆ P max es la diferencia entre la presión de formación y la presión hidrostática mínima para evitar el derrumbe.
c. TIPO DE CAÑONES Y CARGAS Un sistema de disparo consiste de una colección de cargas explosivas, cordón detonante, estopín y portacartas. Esta es una cadena explosiva que contiene una serie de componentes de tamaño y sensitividad diferente y puede ser bajado con cable y/o con tubería.
1. Cañones bajados con cable El sistema de Disparo Bajado con Cable (DCB) puede usarse antes de introducir la tubería de producción, o después de introducir la TP, Figura 13. La ventaja de efectuar el disparo previo a la bajada de la sarta de producción es que se pueden emplear cañones de diámetro más grande, generando un baleo más profundo. Los componentes explosivos son montados en un portacargas el cual puede ser un tubo, una lámina o un alambre. Los cañones se clasifican en: • • •
Recuperables (no expuestas) Semidesechables (expuestas) Desechables (expuestas)
Recuperables: En los sistemas recuperables (no expuestas), los residuos de los explosivos y lámina portadora son recuperados y prácticamente no queda basura en el pozo. En este sistema no están expuestos los explosivos a la presión y ambiente del pozo, lo cual lo hace más adecuado para ambientes hostiles.
Desechables:
En los cañones desechables los residuos de las cargas, cordón, estopín y el sistema portador (lámina, alambre, uniones de cargas) se quedan dentro del pozo dejando una considerable cantidad de basura. Una ventaja es que al no estar contenidas las cargas dentro de un tubo, pueden ser de mayor tamaño con lo que se obtiene una mayor penetración. La principal desventaja es que los componentes explosivos están expuestos a la presión y fluido del pozo, por lo que, normalmente, este sistema está limitado por estas condiciones.
Semidesechables:
Este sistema es similar al desechable con la ventaja de que la cantidad de residuos dejados en el pozo es menor, ya que se recupera el portacargas. La Figura 14. ilustra los diferentes sistemas mencionados:
2. Cañones bajados con tubería En el sistema de Disparo Bajado con Tubería (DBT), en inglés TCP, el cañón es bajado al intervalo de interés con tubería de trabajo. A diferencia de los cañones bajados con cable, en este sistema solo se utilizan portacargas entubados, además la operación de disparos puede ser efectuada en una sola corrida, lo cual favorece la técnica de disparos bajo balance.
El objetivo principal del sistema TCP es crear agujeros profundos y grandes favoreciendo la productividad del pozo. También este sistema es recomendado (si las condiciones mecánicas lo permiten) cuando se dispara en doble cañería de revestimiento, esto con la finalidad de generar una penetración adecuada del baleo.
d. DAÑO GENERADO POR EL DISPARO El proceso de baleo de formaciones permeables y porosas con las cargas moldeadas crea una “película” que se opone al flujo en el agujero. El jet penetra la formación a alta velocidad, desplazando radialmente el material de formación, creándose una zona compactada alrededor del agujero y reduciendo la permeabilidad original. Para disminuir el efecto peculiar deberá incrementarse la penetración para librar la zona de daño.
e. DAÑO GENERADO POR EL FLUIDO DE LA PERFORACIÓN
Durante el proceso de perforación del pozo se causa un daño a la formación debido al lodo de perforación. Este daño se asocia al taponamiento de los poros alrededor del pozo. Existe la tendencia de usar lodos que cumplan con el propósito inmediato de perforar segura y económicamente un pozo, pero no siempre se piensa en los efectos del fluido sobre la productividad del pozo. El enjarre puede resolver el problema de la invasión del filtrado, pero si no es removido completamente antes de depositar el cemento en el espacio anular, las partículas sólidas pueden ser arrastradas dentro del agujero abierto por el jet del disparo, aunque se use un fluido supuestamente limpio de terminación.
f. DAÑO CAUSADO POR EL FLUIDO DE LA TERMINACIÓN El fluido de terminación es de primordial importancia para obtener óptimos resultados. Si existe algún material extraño en el fluido, puede ser empujado dentro de la perforación por el jet o un pequeño taponamiento sería el resultado. El jet de la carga genera gases de alta presión asociadas con la explosión, hay indicios reales de que el fluido alrededor de la carga es separado durante el disparo y cuando la burbuja de gas se contrae al enfriarse, el frente del fluido es lanzado dentro de la perforación. Momentáneamente se crea una condición de sobrebalance con fuerzas de impacto y si el fluido no es completamente limpio, las partículas serán adheridas a las paredes del agujero y podría haber invasión de extensión limitada. El daño del pozo, las perforaciones de las cargas, penetración parcial y la desviación provocan un cambio en la geometría radial del flujo que afecta la productividad del pozo. El efecto combinado de estos factores se denomina “Efecto Peculiar” y genera una caída de presión que afecta la producción del yacimiento.
METODOLOGIA DE SELECCION a) Planeación. b) Información necesaria para el diseño del disparo. c) Selección del sistema óptimo.
a) Planeación Frecuentemente cuando se piensa en balear un pozo solo se presta atención al cañón. Sin embargo, para obtener el resultado más eficiente del disparo, se requiere del diseño y aplicación de un programa completo de baleo.
Los resultados de las pruebas API pueden servir de base para una comparación general del desempeño de las cargas, pero esta solo será válida bajo las mismas condiciones de prueba. Las condiciones reales en la formación no serán las mismas que existían durante la prueba; las tuberías, fluidos del pozo, tipos de formación y presiones pueden ser muy diferentes. Como resultado, el desempeño de una carga puede variar significativamente del obtenido durante la prueba. En general: o
o
o
A mayor resistencia a la cadencia menor diámetro de agujero. A mayor resistencia compresiva y densidad de los materiales menor penetración. El esfuerzo efectivo (presión de sobrecarga menos la presión de poro) también afecta la penetración.
Al planear un trabajo de baleos de cañería-formación se debe considerar: 1. 2. 3. 4.
El método de terminación. Las características de la formación. Las tuberías y accesorios del pozo. Las condiciones esperadas del pozo durante el baleo.
Una vez recabada esta información, se deberá escoger dentro de una gran variedad de sistemas de disparo y técnicas disponibles para seleccionar el mejor sistema para el caso en particular.
1. Métodos básicos de terminación • • •
Terminación Natural. Terminación con Control de Arena. Terminación con estimulación.
El orden de importancia de los factores geométricos del sistema de baleos es diferente para cada uno.
Terminación Natural.- En las terminaciones naturales no se necesita estimulación o control de arena. incrementar la relación de productividad.
El
objetivo
es
El diseñador debe establecer un programa de disparo para remover o reducir cualquier impedancia al movimiento del fluido del yacimiento. Estas restricciones pueden existir en la zona comprimida por el disparo o en la zona dañada durante la perforación. La zona dañada es una región que rodea la pared del pozo en la cual la formación pudo haber sido alterada durante la
perforación. Por ejemplo, cuando el fluido de perforación y el agua del cemento entran en la formación pueden depositar materia sólida, causar dilatación de la arcilla e inducir precipitación química. Esto reduce el tamaño efectivo de los poros disponibles para flujo del fluido. El orden de importancia de los factores geométricos en este tipo de terminación es: 1. 2. 3. 4.
Densidad de cargas. Penetración de la bala o carga. Fase de cargas. Diámetro del agujero baleado.
Terminación con Control de Arena.- El objetivo en las operaciones para control de arena es prevenir que la formación alrededor de la perforación se deteriore. Si esto ocurre, los materiales resultantes bloquean el agujero y pueden tapar la tubería de revestimiento y la tubería de producción. En formaciones no-consolidadas, puede ocurrir el arenamiento si hay una caída sustancial de presión entre la formación y el pozo. Ya que esta caída es inversamente proporcional a la sección transversal del agujero hecho por la carga, la probabilidad de arenamiento puede reducirse aumentando el área perforada o baleada total. Entre más grande sean la densidad de cargas y el diámetro del hoyo, mayor será el área baleada. Por lo anterior, el orden de geométricos en este caso es:
importancia
de
los
factores
Diámetro del agujero baleado . 2. Densidad de cargas. 3. Fase de cargas. 4. Penetración de la bala o carga. 1.
Terminación
con
Estimulación:
Las operaciones de estimulación incluyen acidificación y fracturamiento hidráulico. El objetivo es incrementar el tamaño y número de caminos por los que el fluido puede moverse de la formación al pozo. Ambas operaciones requieren de la inyección a la formación de grandes volúmenes de fluidos a altas presiones. En las formaciones que requieren estimulación, el diámetro y distribución de los agujeros son importantes. El diseñador debe seleccionar diámetros y densidades para controlar la caída de presión a través de las perforaciones para reducir la demanda del equipo de bombeo.
Una buena distribución vertical de los agujeros es necesaria para mejorar la extensión vertical del tratamiento. Generalmente una densidad de 13 cargas por metro es suficiente. La distribución radial de los agujeros puede también puede también tener un rol importante en la efectividad del tratamiento. En operaciones de fracturamiento, por ejemplo, si se usa una fase 90ª en lugar de 0ª, es más probable que los agujeros se alinien con la orientación de las fracturas naturales, proporcionando una trayectoria más directa para que el fluido de fracturamiento entre en la formación. El orden de importancia para este tipo de terminación es: 1. 2. 3. 4.
Fase de cargas. Densidad de cargas. Diámetro del agujero baleado. Penetración de la bala o carga.
En caso de tener la formación fracturada naturalmente, se deberá considerar un sistema que aumente la probabilidad de interceptar fracturas, por lo que el orden de los factores cambia de la siguiente manera: 1. 2. 3. 4.
Penetración de la bala o carga. Fase de cargas. Densidad de cargas. Diámetro del agujero baleado.
2. Características de la formación Las características de la formación y los objetivos de la terminación determinan la jerarquía de los factores geométricos del sistema de baleo. Las condiciones del pozo, por otro lado, determinan usualmente el tamaño y tipo de cañón que puede usarse y pueden afectar también el éxito de la operación de baleo. Las siguientes Tablas muestran un resumen de la jerarquización de los factores geométricos.
Consideraciones en formaciones heterogéneas:
El diseño efectivo de baleo considera las heterogeneidades comunes de la formación. La Tabla de la Figura 15 muestra la jerarquía delos factores geométricos del sistema de baleo en función de las heterogeneidades de la formación. La Figura 16 muestra las heterogeneidades.
La mayoría de las formaciones son anisotrópicas, es decir su K vertical es menor que su K horizontal. Esto afecta la relación de productividad. Una manera efectiva de contrarrestar los efectos adversos de la anisotropía es incrementando la densidad de los baleos.
Laminaciones de arcillas: Si se tienen laminaciones de arcillas, es importante obtener la mayor densidad de cargas por metro para aumentar la probabilidad de perforar las formaciones productoras intercaladas.
Fracturas naturales:
Muchos yacimientos tienen uno o más conjuntos de fracturas naturales que proveen de una alta permeabilidad aunque la permeabilidad de la matriz sea baja. La productividad del intervalo disparado depende de la comunicación hidráulica entre las perforaciones y la red de fracturas.
b) Información necesaria para el diseño del disparo Los siguientes datos deberán ser considerados para obtener un buen diseño de disparos: Datos de la formación: Litología. Permeabilidad. Porosidad. Densidad. Intervalo a balear. • • • • •
Fluidos esperados y presiones: Petróleo, gas, H2S, etc. •
Presión de formación, sobrecarga de poro, resistencia compresiva. •
Condiciones del pozo: Desviaciones. Lodo de perforación. Diámetro de trépano. Temperatura de fondo. • • • •
Estado Mecánico: Tuberías de revestimiento. Cementación. Datos de la sarta de tubería.
• • •
Método de Terminación: Natural. Control de arena. Estimulación/Fracturamiento. • • •
c) Selección del sistema óptimo A continuación se propone un procedimiento para la selección del sistema de baleo en base a las características del pozo y sus accesorios tubulares. El procedimiento puede ser dividido en cuatro etapas: I.
Selección del diámetro máximo del cañón y el tipo de sistema (Recuperable entubado, desechable ó semidesechable).
II.
Jerarquización de los factores geométricos del cañón.
III.
Determinación de los factores geométricos en función de la productividad.
IV.
Determinación de la presión diferencial previa al disparo.
6. SOFTWARE DE DISEÑO Para diseñar las terminaciones con baleos se pueden usar programas tales como el WEM (Well Evaluation Model) a través del cual es posible calcular el desempeño de las cargas en el fondo, cálculos del flujo (análisis nodal), análisis de sensitividad, con el que se pueden determinar de manera rápida diferentes curvas de IPR (Inflow Performance Relationship) cambiando uno o varios parámetros, etc., todo esto tomando en cuenta todos los parámetros que intervienen en un diseño, (datos de formación, tipo de terminación, estado mecánico del pozo, presiones, tipos de cargas, etc.).
Dichos cálculos requieren la aplicación de un gran número de ecuaciones complejas que de resolverse de manera manual ocuparían un consumo de tiempo considerable.
IMPORTANTE En la actualidad la tecnología en el diseño de disparos está cambiando de manera rápida debido a nuevos avances como resultado de investigaciones y pruebas de laboratorio. Sólo para dar un ejemplo, las presiones de rebalance calculadas a partir de las investigaciones de BEHRMANN L. (1995) difieren significativamente con las calculadas por KING, (son más altas) de tal manera que los conceptos aquí descritos deberán tomarse con la reserva necesaria. Por otra parte no es posible analizar de manera particular todos los casos posibles de variables en una terminación con baleos, por lo que el diseñador deberá utilizar su criterio para un caso en especial.
SEGURIDAD EN EL POZO Para efectuar un trabajo de baleo en el pozo, hay que verificar que en el pozo tenga el sistema de seguridad o BOP, además el pozo debe estar lleno de fluido de terminación, para controlar la presión de yacimiento que pueda manifestarse de inmediato en boca de pozo, para evitar o prevenir cualquier descontrol probable.
SEGURIDAD EN LA LOCACION La seguridad es un aspecto extremadamente importante en operaciones de baleos. Se han considerado con el diseño y fabricación de los equipos de baleo todos los factores de seguridad posible, a fin de que el manipuleo de los explosivos en el campo sea una operación segura. En la locación, todo el personal incluidas las cuadrillas de perforación, estarán alertados de la presencia de explosivos y conocerán los procedimientos adecuados durante las operaciones de baleo. Una empresa de servicios con experiencia debe ser la encargada de operar el equipo de baleos. Los explosivos pueden ser detonados por calor, generado por llama, chispa, fricción, corriente eléctrica ó reacción química, y por lo tanto deberán estar aislados de estas paredes de iniciación. Esto incluye motores, calefactores y substancias químicas que puedan reaccionar con las cargas y producir calor. Se recomienda no permanecer cerca de la zona donde se encuentran los cañones de baleo ni manipularlos, a menos que sea absolutamente necesario. El equipo de baleo se mantendrá alejado de cables eléctricos y generadores, y no deberán realizarse
transmisiones desde móviles (radio ó teléfonos) dentro de un radio de 75 m. de las operaciones de baleos. Todo equipo de baleo deberá tener su correspondiente puesta a tierra. Además, no se realizarán operaciones de baleo durante tormentas eléctricas, de polvo y rayos. Debe prestarse suma atención a todo el equipo eléctrico (rotadores superiores (top drive), motores eléctricos, etc.) en la zona del equipo. Una carga eléctrica estática podría disparar accidentalmente los cañones. Cualquier consulta referida a seguridad será dirigida de inmediato al ingeniero a cargo de las operaciones de baleo.
Ejemplos de cálculo de presión diferencial:
CALCULO DEL COLCHON DE AGUA El colchón de agua se calcula en base a la estimación más adecuada sobre la presión en el fondo del pozo (BHP). Para calcular el colchón de agua se utiliza la siguiente fórmula: Pies de colchón de agua = Presión diferencial (psi)/ Gradiente de fluido(psi/pie) m de colchón de agua = Presión diferencial(bar)/ Gradiente de fluido (bar/m)
Ejemplo 1: Se calcula que un pozo tiene una BHP de 4680 psi (322,9 bar) a una profundidad de formación de 10000 pies (3048 m). Se desean 200 psi (13.8 bar) diferenciales en la columna de trabajo para lograr que el pozo comience a fluir y limpiar. Por lo tanto, se necesitaría un colchón de agua de 4480 psi (308.9 bar). En caso que el agua salada disponible tenga un peso dse 9.3 lb/gal (1114 g/l), entonces la cantidad de pies (metros) necesarios de colchón de agua puede calcularse de la siguiente manera: Pies Pies Pies Pies
colchón de colchón de colchón de colchón de
agua agua agua agua
= = = =
Presión (psi)/Gradiente del fluido (psi/pie) 4480/9.3 x 0.052 4480/0.483 9275 pies (2827 m)
Por lo general, se utiliza la expresión “tiros con agua”. Para obtener las cantidades necesarias, Simplemente dividir la longitud del colchón de agua por la longitud del tiro de la tubería en las mismas unidades. La cantidad de agua salada se puede calcular con una simple
multiplicación: longitud del colchón por la capacidad del tubing. En el ejemplo anterior, para una capacidad de tubería de 0.00579 bbls/pie se tendrá: Volumen de fluido (bbls)=colchón de agua (pies)x capacidad de tubería (bbls/pie) Volumen de fluido = 9275 pies x 0.00579 bbls/pie Volumen de fluido = 53.7 bbls (8.5 m3)
Ejemplo 2: Se desea perforar un intervalo en arenas de 2500 a 2506 metros con una permeabilidad de 500 md. Los registros sónico y densidad en el intervalo dan una medida de ∆t de 70 µ seg y ρ b de 2.5 gr/cc, el análisis de los registros indica una invasión somera. El fluido que se espera producir es gas y la presión del yacimiento de 4000 psi. La profundidad interior del pozo es de 2520 metros. ¿Cuál debe ser la presión diferencial previa al disparo y como se lograría si el fluido de terminación es agua?. a) De acuerdo a la tabla de la figura 10. considerando una formación de alta permeabilidad (>100 md) productora de gas, la presión diferencial deberá estar entre 1,000 y 2,000 psi b) De acuerdo a respuesta de los registros la formación es consolidada. c) Para una arena con gas se usará la ec.(6) d) La ∆Pmax se determinará de acuerdo al rango de presión del accesorio tubular de menor rango. Si suponemos este de 5,000 psi y en buenas condiciones entonces: psi PTm P 000 , 4 000 , 5 8 . 0 % 80 max = ∗ = = ∆ e) Ya que la invasión es somera, la ∆P deberá estar entre el punto medio y la ∆Pmin
