Contents Contents ....... ............... ............... ............... ................ ................ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ................ .............. .......... .... 1 Introducción ....... ............... ................ ................ ............... ............... ................ ............... ............... ................ .............. .......... ........ ........ ........ ........ ......3 INESTABILIDAD INESTABILIDA D DEL POZO........ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ................ ............... ............... .............. ...... 3 Esfuerzo mecánico........................... mecánico...................................................... ................................................................. ........................................ ..4 Interacciones químicas con el fluido de perforación. ......................... ..................................... ................. ..... 4 Interacciones Interaccion es físicas con el fluido fluid o de perforación. ....... ............... ................ ............... ............... ............ ........ ......4 Deposición de la Lutita y Rocas Sedimentarias Sediment arias........ ................ ............... ............... ................ ............. ......... ....... ... 5 Química de Arcillas........ ................ ................ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ................ ............... ............. ........11 Los Esfuerzos de la Tierra....... ............... ............... ............... ................ ................ ............... ........... ........ ........ ........ ........ ........ ......14 PRESIÓN DE SOBRECARGA ........ ............... ............... ................ ................ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......15 PRESIÓN PORAL Y PRESIÓN PRES IÓN INTERGRANULAR ....... ............... ................ ............... ............... ............ ........ ...... .. 16 ORIENTACIÓN ORIENTACIÓ N DE LOS ESFUERZOS........ ................ ................ ............... ............... ............ ........ ........ ........ ........ ........ ......16 FUERZAS TECTÓNICAS ........ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ................ ............. ......... ........ ........ ........ ....... ... 18 Rotura por Esfuerzo Mecánico ........ ............... ............... ................ ................ ............... ............... ................ ............... .......... ... 19 ROTURA-FRACTURACIÓN ROTURA-FRACTU RACIÓN CAUSADA POR LA TENSIÓN ........ ................ ............... ............... ............ ......20 ROTURA/COLAPSO ROTURA/COLAPS O CAUSADO POR LA COMPRESIÓN O FLUJO PLÁSTICO ... ..... .... ....21 LUTITAS SOMETIDAS A ESFUERZOS........ ............... ............... ................ ............... .............. ........... ........ ........ ........ ...... .. 22 LUTITAS PRESURIZADAS ....... ............... ................ ............... ............... ................ .............. .......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... 23 FLUJO PLÁSTICO ........ ................ ................ ............... ............... ................ ................ ............... ............... ............. ......... ........ ........ ........ ...... .. 25 Interacciones Interaccion es Químicas........ ............... ............... ................ ................ ............... ............... ................ ............. ......... ........ ........ ........ ...... .. 26 LUTITA SENSIBLE AL AGUA........ ................ ............... ............... ................ ................ ............... ............... ................ .............. ........26 PRUEBA DE LA LUTITA........ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ................ ............... ............... ............ ....... ... 29 DISOLUCIÓN DISOLUCIÓ N DE LAS FORMACIONES SOLUBLES SOLUBLE S....... ............... ............... ............... ............. ......... ........ ...... .. 30 1
Interacciones Interaccion es Físicas....... ............... ............... ............... ................ ................ ............... ............... .............. .......... ........ ........ ........ ........ ...... .. 31 EROSIÓN....... ............... ................ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ................ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... 31 HUMECTACIÓN,, INVASIÓN DE FLUIDO Y TRANSMISIÓN HUMECTACIÓN TRANS MISIÓN DE PRESIÓN PRESIÓ N....... .............. .......31 31 Análisis en el Pozo........ ................ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ................ ............... ............... ............. ........ ... 32 1. MONITOREAR Y ANALIZAR EL MECANISMO DE ROTURA ........ ................ ............... ........... ...... ..33 33 2. DETERMINAR Y ENTENDER EL MECANISMO DE ROTURA....... ............... ............ ........ ........ ...... 34 3. MODELAR Y CONSIDERAR LOS CAMBIOS PROPUESTOS ...... .......... ........ ........ ........ ........ ....... ...34 34 Conclusiones: Conclusione s:....... ............... ................ ................ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ............... ........... ........ ........ ........ .... 36 Bibliografía: Bibliografí a:........ ................ ............... ............... ................ ............... ............... ................ ................ ............... ............... .............. .......... ........ ........ .... 36
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Introducción Mantener un pozo estable es uno de los principales retos al perforar un pozo. Loss es Lo estu tudi dios os indi indica can n que que los los suce suceso soss impr imprev evis isto toss rela relaci cion onad ados os con con la inestabilidad del pozo representan más del 10% de los costos del pozo, con un costo anual para la industria estimado en más de mil millones de dólares. Prevenir la inestabilidad de las zonas con lutitas es muy importante para cada fase fase de la indu indust stri ria a de flui fluido doss de perf perfor orac ació ión, n, desd desde e los los es esfu fuer erzo zoss de inve invest stig igac ació ión n y desa desarr rrol ollo lo hast hasta a la impl implem emen enta taci ción ón en el ca camp mpo o por por el ingeniero de lodos. Nuevas tecnologías están siendo desarrolladas y aplicadas continuamente, continuamente, mientras que las tecnologías anteriores son perfeccionadas.
INESTABILIDAD DEL POZO La inest inestabi abilid lidad ad del pozo pozo es causa causada da por un cambio cambio radica radicall del esfuer esfuerzo zo mecá me cáni nico co y de los los ambi ambien ente tess quím químic icos os y físi físico coss dura durant nte e la perf perfor orac ació ión, n, exponiendo la formación al lodo de perforación. Tal inestabilidad inestabilidad del pozo suele ser indicada por lutitas derrumbables, resultando en ensanchamiento del pozo, puentes y relleno. Las consecuencias más comunes son la pegadura de la tubería, desviaciones del pozo, pozo, dific dificult ultade adess rel relac acion ionada adass con con los regis registro tross y su interp interpret retaci ación, ón, dificultades en la recuperación de núcleos laterales, dificultades al meter la 3
tubería de revestimiento, cementaciones de mala calidad, y la pérdida de circulación. Todas éstas resultan en mayores costos, la posibilidad de perder parte del pozo o el pozo entero, o una producción reducida. La inestabilidad del pozo es causada por:
Esfuerzo mecánico. •
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Rotura causada por la tensión – fracturación y pérdida de circulación Rotura causada por la compresión – fisuración y colapso o flujo plástico. Abrasión e impacto.
Interacciones químicas con el fluido de perforación. • •
Hidratación, hinchamiento y dispersión de la lutita. Disolución de formaciones solubles.
Interacciones físicas con el fluido de perforación. •
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Erosión Humectación a lo largo de fracturas preexistentes (lutita frágil). Invasión de fluido – transmisión de presión.
Es sumamente importante que el ingeniero de fluidos de perforación entienda la inestabilidad de la lutita y del pozo para poder evaluar una situación con habilidad y que ponga en práctica un plan de medidas remediadoras. Se requiere un enfoque sistemático que integre varias disciplinas para evaluar y remediar la inestabilidad del pozo. Es decir que la pericia de un ingeniero de lodos no se limita a los fluidos de perforación. Se requiere un buen conocimiento práctico de todos los aspectos de la operación, así como antecedentes básicos en mecánica y geofísica, y química de agua y arcillas. Varias causas posibles deben ser evaluadas para resolver la inestabilidad del pozo. Al evaluar estas condiciones interrelacionadas, será posible determinar el modo de falla más probable y aplicar una respuesta apropiada para resolver o tolerar la inestabilidad. Se incluyen las siguientes condiciones mecánicas: Problemas de limpieza del pozo. Erosión del pozo. Daños causados por impactos físicos. Pesos del lodo y presiones porales. Presiones de surgencia y pistoneo. •
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Esfuerzos del pozo.
Las condiciones químicas también deben ser evaluadas, tal como: Reactividad de la formación quebradiza. Compatibilidad química del sistema de lodo. Posible disolución del material del pozo. • •
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Con frecuencia, no hay ninguna solución simple y económica. En estos casos, se debe usar una combinación de buenas prácticas de perforación, el sistema de lodo “aceptable” más inhibidor y remedios sintomáticos para completar el pozo. Aunque los sistemas base aceite y sintético proporcionen frecuentemente un pozo más estable y resuelvan generalmente los problemas relacionados con la lutita, es posible que su uso esté sometido a restricciones o que causen otros problemas. Varias restricciones pueden ser impuestas sobre los tipos de sistemas de lodo y productos que pueden ser usados. Estas restricciones incluyen: •
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La necesidad de obtener una evaluación de la formación específica (núcleos alterados en grado mínimo o un registro en particular). Reglamentos locales sobre la salud, la seguridad y el medio ambiente Costo, logística y disponibilidad de los materiales. Otros problemas que son más importantes que las preocupaciones relacionadas con la inestabilidad del pozo (por ej., pérdida de circulación).
Antes de describir las causas individuales de la inestabilidad del pozo, es importante revisar: (1) la deposición de la lutita y rocas sedimentarias, (2) la química de arcillas, y (3) los esfuerzos in situ.
Deposición de la Lutita y Rocas Sedimentarias Las rocas sedimentarias son materiales que se han depositado durante un periodo geológico en una cuenca de deposición. Las rocas sedimentarias pueden ser divididas en dos grupos principales: rocas clásticas y rocas no clásticas. Las rocas sedimentarias no clásticas incluyen precipitados orgánicos como el carbón y precipitados químicos con la sal. Por definición, las rocas sedimentarias clásticas se componen principalmente de partículas que se erosionaron de un sitio sobre la superficie de la tierra, fueron transportadas hacia otro sitio y se depositaron como sedimentos. El agente de transporte para las rocas sedimentarias clásticas puede ser el agua, el hielo, el viento o la gravedad. Las rocas sedimentarias clásticas también se clasifican según el tamaño de las partículas que componen la roca. Las clases de tamaño importantes de las partículas sedimentarias y los tipos de roca correspondientes son: grava/conglomerado, arena/arenisca, limo/limolita y arcilla/lutita. 5
La formación de una roca sedimentaria clástica puede ser dividida en dos fases importantes: sedimentación y diagénesis. •
La sedimentación es el proceso que ocurre en la superficie de la tierra y permite que las partículas o los granos se acumulen en forma de sedimento (ver la Figura 2 en el capítulo sobre Predicción de la Presión). Por ejemplo, dentro de un grupo de partículas que están siendo transportadas por una corriente de agua, cualquier disminución de la velocidad de la corriente permite que las partículas más grandes de la población de partículas transportadas se sedimenten.
A la larga, el flujo de una corriente o río dentro de una gran masa de agua como un lago, una bahía o el océano, permitirá que todas las partículas transportadas se sedimenten, con una acumulación de la fracción más gruesa cerca de la desembocadura de la corriente, y la sedimentación de la fracción más fina lejos de la desembocadura. Típicamente, los ríos y las corrientes acarrean arena, limo y arcilla dentro de cuencas sedimentarias. Los procesos sedimentarios tienden a clasificar estas partículas de manera que la arena, el limo y la arcilla se depositen en tres lugares distintos. Cuando la cuenca se llena, el nivel de agua en la cuenca sedimentaria cambia o la ubicación de la desembocadura del río cambia, el sitio de deposición de la arena, limo y arcilla puede cambiar. Estos cambios del sitio de acumulación de los sedimentos de arena, limo y arcilla se producen con el tiempo, y la sección vertical en cualquier sitio en particular refleja la historia de deposición anterior en ese sitio, y puede componerse de capas de arena, limo y arcilla. Como regla general, los procesos de sedimentación determinan la granulometría del sedimento y ciertas características que pueden estar presentes en el sedimento, tal como los planos de estratificación. •
La diagénesis abarca todos los procesos que modifican un sedimento después de su deposición. Estos procesos incluyen la consolidación, disolución de ciertos minerales, precipitación de otros minerales y cambios en la composición de ciertos minerales. La diagénesis modifica los sedimentos de arena, limo y arcilla en arenisca, limolita y lutita. La diagénesis comienza inmediatamente después de la deposición del sedimento, ya que el peso de los sedimentos depositados más recientemente comienza a consolidar y exprimir el agua fuera del sedimento ubicado por debajo de la superficie de sedimentación. La diagénesis continúa mientras que el sedimento queda cada vez más enterrado y la temperatura causa cambios en ciertos minerales. El agua exprimida de los sedimentos enterrados a mayor profundidad pasa a través de ciertos minerales, causando la disolución de algunos y la precipitación de otros. Muchas veces, los minerales precipitados en arena, limo y lutita causan la aglomeración de los granos sedimentarios y actúan como un agente de cementación, proporcionándole un carácter más rígido a la roca sedimentaria. A medida que la diagénesis continúa con el tiempo, la temperatura y la presión, los cambios del sedimento se hacen cada vez más importantes, y pasan gradualmente a procesos metamórficos. 6
Es importante recordar que todas las rocas sedimentarias perforadas resultan de procesos sedimentarios y de diagénesis. La lutita es la roca sedimentaria clástica que se compone principalmente de partículas que están incluidas en la clase de tamaño de arcilla (tamaño medio inferior a 4 micrones). Para entender la naturaleza de los sedimentos de arcilla y la lutita, es importante comprender que el término “arcilla” tiene dos definiciones. Una definición de la arcilla es una clase de tamaño de partículas sedimentarias. La otra definición se refiere a una clase de minerales conocidos como minerales arcillosos. Como regla general, los minerales arcillosos son partículas que caen dentro de la clase de tamaño de arcilla, pero otros minerales no arcillosos – tal como el cuarzo y el feldespato – también pueden estar presentes en partículas lo suficientemente pequeñas para ser clasificados como arcilla, desde el punto de vista de la granulometría. La arcilla es un sedimento, y la lutita es una roca compuesta de partículas de tamaño de arcilla. En la perforación de petróleo y gas, la mayoría, pero no todas las formaciones de arcilla o lutita perforadas se sedimentaron en una cuenca marina. Las partículas que componen la lutita o arcilla se erosionaron inicialmente a partir de una masa terrestre y fueron transportadas hacia la cuenca marina por ríos. La naturaleza y la composición de las partículas que entran en la cuenca sedimentaria dependen en cierta medida de la composición de la roca y de los suelos erosionados en la masa terrestre que sirven de fuente para el sedimento. La variabilidad del terreno en esas fuentes es una de las razones por las cuales las lutitas pueden diferir entre las distintas cuencas sedimentarias. Por ejemplo, los suelos en climas templados suelen contener más minerales arcillosos de esmectita que minerales arcillosos de kaolinita, y las partículas sedimentarias que se erosionaron a partir de esos suelos de clima templado contienen menos kaolinita que esmectita. En los suelos tropicales, más sílice se ha lixiviado del suelo y los suelos suelen contener más kaolinita que esmectita. La razón por la cual la arcilla se acumula en forma de sedimento y no en forma de arena o limo está casi siempre relacionado con la velocidad de flujo del agua que la suspende. En agua que está fluyendo con una velocidad o turbulencia considerable, las partículas de tamaño de arcilla permanecen suspendidas. En aguas tranquilas que no tienen prácticamente ninguna velocidad de flujo o turbulencia, las partículas de sedimentarse y acumularse. Estos ambientes de aguas tranquilas suelen ocurrir costafuera, por debajo de la base de las olas (la base de las olas en la superficie del agua) y en bahías o lagunas. Otros sitios no marinos de deposición de arcillas pueden incluir lagos y lechos de creciente de los ríos. Dos características de la sedimentación marina de las arcillas pueden ser importantes: la floculación y la bioturbación. La floculación de las partículas de tamaño de arcilla puede ocurrir cuando las arcillas dispersas que son transportadas por un río de agua dulce entran en el ambiente marino salino. 7
Factores como la naturaleza y la cantidad de arcilla presente en el agua determinarán si la floculación ocurre. Cuando la floculación ocurre, las partículas de tamaño de arcilla se agregan formando una partícula más grande que puede sedimentarse más fácilmente que la arcilla dispersa. El material arcilloso floculado suele sedimentarse con grandes cantidades de partículas de tamaño de limo de cuarzo y feldespato. Esto resulta en un sedimento de arcilla limosa que suele tener una estructura permeable como “castillo de naipes”. Una consecuencia práctica de la floculación es que la mayoría de los sedimentos marinos de arcilla y las formaciones de lutita depositadas en ambientes marinos contienen grandes cantidades de granos de cuarzo de tamaño de limo. La bioturbación es la perturbación del sedimento por organismos que viven en el sedimento. Los organismos, incluyendo los moluscos y gusanos, obtienen nutrientes al digerir el sedimento. Esta bioturbación destruye o modifica la textura original del sedimento, y en algunos casos, puede nodulizar el sedimento. El sedimento nodulizado puede tener una permeabilidad más alta que la arcilla que no ha sido nodulizada. Aunque la mayoría de las formaciones de arcilla marina no estén nodulizadas, los procesos de bioturbación han ocultado o destruido la estructura de estratificación laminada o fina de la mayoría de los sedimentos de arcilla marina. Un tipo de lutita que no ha sido bioturbado es la lutita carbonácea – lutita con un alto contenido orgánico. La lutita carbonácea se sedimentó sobre una superficie empobrecida en oxígeno (como suele ocurrir en algunas lagunas) que impidió la oxidación del material orgánico. Las lutitas carbonáceas están generalmente caracterizadas por laminaciones y la lutita puede partirse fácilmente a lo largo de estas laminaciones. Los sedimentos de arcilla son alterados dramáticamente por la diagénesis. En el fondo oceánico, los sedimentos de arcilla son frecuentemente llamados lodo debido a la falta total de cohesión. Durante las primeras etapas de consolidación, los sedimentos de arcilla se vuelven un tanto más sólidos, pero siguen dispersándose fácilmente en agua o lodo base agua. A medida de la consolidación básica continúa, las arcillas pueden volverse menos permeables y pueden adquirir la capacidad de retener la presión. La consolidación de los sedimentos de arcilla es uno de los mecanismos para generar geopresiones. Cuando la profundidad de entierro y la temperatura aumentan, los cambios mineralógicos comienzan a producirse en las formaciones de arcilla. Elsedimento de arcilla puede guardar un carácter plástico o de “gumbo” (pegajoso), o puede ser transformado en lutita más rígida y frágil, y más cementada. Dos tipos de cambios mineralógicos diagenéticos pueden alterar la naturaleza de los sedimentos de arcilla y de la lutita: (1) la transformación de los minerales arcillosos de esmectita en capas mixtas de ilita-esmectita y (2) la precipitación de los cementos minerales. 8
La transformación de la esmectita en arcilla ilita-esmectita hace que los minerales arcillosos contenidos en el sedimento de arcilla o la lutita sean menos activos químicamente. Sobre un periodo geológico (de un millón de años o más), a temperaturas alrededor de 200ºF, por lo menos parte de la arcilla esmectita en los sedimentos de arcilla se vuelve químicamente inestable. Ésta se transforma en un mineral compuesto por capas mixtas de ilita-esmectita. Cuando las temperaturas exceden 200ºF y la edad geológica aumenta, estos minerales de capas mixtas adquieren un carácter más ilítico. Las formaciones de lutita geológicamente antiguas (Paleozoicas – más de 250 millones de años de edad) casi nunca contienen cantidades considerables de arcilla esmectita. Como regla general, la lutita más profunda, más caliente y más antigua es menos reactiva químicamente que los sedimentos de arcilla más recientes, menos profundos y más fríos. Otro factor es la precipitación de los cementos minerales que le dan su carácter rígido y frágil a la lutita. Algunas formaciones de lutita están cementadas por cementos de carbonato como el carbonato de calcio o la dolomita, y este cemento de carbonato les confiere tanto la resistencia como la dureza mecánica. Sin embargo, la cementación con carbonato es mucho más rara en la lutita que la cementación con sílice. El sílice, o SiO 2, es un producto de la reacción de transformación de esmectita a ilita descrita anteriormente. La cementación con sílice vuelve la lutita frágil. La cantidad de cementación con sílice en la lutita puede variar. La cementación parcial de la lutita vuelve la utita frágil pero débil, y posiblemente dispersable, mientras que mayores cantidades de cementación con sílice pueden volver la lutita frágil pero con tendencia al derrumbe. La capacidad que los fluidos o filtrados tienen para penetrar dentro de formaciones de lutita cementadas parece constituir un factor importante en lo que se refiere a la estabilidad de estas formaciones cuando están expuestas a los fluidos de perforación. Las formaciones que permiten la penetración de agua dentro de la lutita hacen que los materiales arcillosos contenidos en la lutita desarrollen presiones de hinchamiento que pueden romper la cementación que mantiene unida a la lutita. Los registros de lodo representan una fuente inestimable de información para el ingeniero de lodo en el sitio, cuando éste procura reconstruir la secuencia litológica de la formación que se estáperforando. Los reportes diarios de registro proporcionan un desglose (hasta porcentajes matriciales) de cada muestra tomada a una profundidad determinada. Estos registros de lodo pueden ayudar a anticipar una formación problemática conocida y evaluar la reactividad y estabilidad relativa de una formación en particular. La Tabla 1 enumera los códigos geológicos y las descripciones estándar que se usan en los reportes de registro de lodo, así como la granulometría de los tipos de rocas sedimentarias en particular.
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Tabla 1: Tipos de rocas, códigos de registro de lodo y descripción.
La lutita, la arenisca y la caliza constituyen la inmensa mayoría de las rocas sedimentarias, ya que un porcentaje muy pequeño se compone de otros tipos de rocas. En la mayoría de las cuencas de petróleo y gas, la lutita constituye 50 a 75% de las rocas perforadas. Diferentes tipos de rocas tienen características definidas y problemas relacionados con la perforación. La Tabla 2 enumera algunas de las diferentes características de los tipos de rocas.
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Tabla 2: Características relativas de las rocas sedimentarias.
Química de Arcillas Desde el punto de vista de la sedimentación, la arcilla se definía como un término para describir el tamaño de las partículas, pero desde el punto de vista químico y mineralógico, el término “arcilla” se refiere a minerales arcillosos específicos. Estos minerales arcillosos son minerales cristalinos que tienen una estructura estratificada de sílice y alúmina. Los minerales arcillosos comunes encontrados en la lutita son la esmectita, la ilita, la clorita y la kaolinita. Estos minerales existen como partículas cristalinas muy pequeñas que corresponden al rango de tamaños de arcilla. El análisis de los tipos de minerales arcillosos 11
presentes en una lutita puede ser realizado mediante las técnicas de Difracción de Rayos X (XRD). Los minerales arcillosos tienen la capacidad de adsorber agua y cationes en su superficie. Como se mencionó anteriormente, los minerales arcillosos tienen un pequeño tamaño de partículas y una estructura estratificada o laminar. Por este motivo, los minerales arcillosos tienen una gran superficie específica (superficie específica = superficie por gramo de material). La ilita, clorita y kaolinita son cristales muy pequeños que adsorben agua y cationes en sus superficies externas. Además de adsorber agua y cationes en las superficies externas, la esmectita también adsorbe agua cationes en las superficies ubicadas entre las capas de su estructura cristalina. La capacidad de adsorción de agua de la esmectita es mucho más grande que la de otros minerales arcillosos. La capacidad de adsorber agua, la capacidad de la arcilla de intercambiar cationes y la superficie específica de la arcilla son atributos muy relacionados entre sí que a veces son llamados propiedades coligativas de la arcilla. Estas propiedades coligativas son básicamente medidas de la reactividad de la arcilla. Como la Capacidad de Intercambio Catiónico (CEC) es fácil de medir, se trata de un método práctico para evaluar la reactividad de la arcilla o lutita. La CEC de la arcilla seca se puede medir mediante una valoración de azul de metileno. La unidad estándar para reportar la capacidad de intercambio catiónico de la arcilla seca es miliequivalentes (meq) por 100 g de arcilla seca. Para medir la capacidad de intercambio catiónico, se usa una solución de azul de metileno 0,01 N, de manera que el número de milímetros de solución de azul de metileno requeridos para llegar al punto final sea igual a meq/100 g. El rango de CEC para materiales minerales arcillosos puros está indicado en la siguiente tabla:
La esmectita es claramente mucho más reactiva que otros materiales minerales arcillosos. Las lutitas que contienen esmectita son las más sensibles al agua y las más hidratables. Las lutitas que contienen otros minerales arcillosos tienen una menor capacidad de hidratación, aunque puedan ser sensibles al agua. La mayoría de las lutitas contienen varios tipos de arcillas en cantidades variables. La reactividad de una lutita depende de los tipos y de las cantidades de minerales arcillosos presentes en la lutita. Muchas veces, la CEC constituye una mejor medida de la reactividad de la arcilla que el análisis mineralógico deducido del análisis de difracción de rayos X (XRD). Las estructuras cristalinas de la ilita y la esmectita son similares, con una unidad repetida de tres capas compuesta de una capa de alúmina intercalada entre dos capas de sílice. En la esmectita, hay una capa de iones adsorbidos y 12
agua entre las unidades de tres capas formando el cristal. En la ilita, hay una capa de iones potasio, pero no hay agua entre las unidades de tres capas. Además, la ilita tiene una sustitución considerable de átomos de sílice por átomos de aluminio en las capas de sílice, mientras que la esmectita no la tiene. Los átomos de potasio en la estructura de ilita no son iones intercambiables pero constituyen una parte fija de la estructura del cristal; sólo los iones en las superficies externas de la ilita son intercambiables. En la esmectita, los iones entre las capas son intercambiables y pueden componerse de sodio, calcio, magnesio o potasio (nótese que la esmectita que intercambió iones potasio es diferente de la ilita). Como se mencionó en la discusión sobre la diagénesis, las arcillas esmectita e ilita existen frecuentemente en forma de mineral de capas mixtas. En un mineral de capas mixtas, algunas capas contienen iones intercambiables y agua mientras que otras capas están “aplastadas”, con átomos de potasio entre las capas. La mayoría de la esmectita e ilita presente en los sedimentos marinos y las rocas sedimentarias son arcillas de capas mixtas. Muchos “ancianos” y otras personas que se dedican a la perforación usan los términos montmorillonita o bentonita en vez del término esmectita para describir la arcilla que contiene agua en su estructura estratificada. Esta situación surge porque los especialistas que estudian la arcilla han perfeccionado la nomenclatura que se ha aplicado a los materiales arcillosos durante muchos años, y siguen perfeccionando o redefiniendo los términos a medida que se descubren nuevos detalles sobre la naturaleza de los materiales arcillosos. Para facilitar el entendimiento de la nomenclatura, se ofrecen las siguientes definiciones: • Esmectita – un grupo de minerales arcillosos que tienen la estructura en sandwich descrita anteriormente y contienen agua entre las capas de aluminosilicato. Este grupo de minerales incluye la montmorillonita, la hectorita, la saponita, la nontronita y otros minerales específicos. • Ilita – un mineral arcilloso específico con una estructura principal de aluminosilicato similar a la esmectita, pero sin agua entre las capas. • Montmorillonita – un mineral común que corresponde al grupo de minerales de esmectita. • Bentonita – Geológicamente, la bentonita es una capa de ceniza volcánica alterada. En el comercio, el término bentonita se refiere a la montmorillonita de sodio explotada comercialmente que se utiliza como aditivo para el lodo de perforación. Los minerales arcillosos de clorita son similares a la arcilla ilita en lo que se refiere a la reactividad. La clorita es un grupo de minerales arcillosos específicos. En general, los minerales de clorita contienen una capa de alúmina intercalada entre dos capas de sílice y una capa de magnesio u óxido de hierro. La clorita no contiene agua entre las capas. Algunas rocas de lutita más 13
antiguas que han sido sometidas a un alto grado de diagénesis sólo contienen clorita e ilita como componentes arcillosos. La mayoría de estas lutitas son relativamente no reactivas, pero algunas pueden hidratarse y derrumbarse. La arcilla kaolinita es menos reactiva que otros minerales arcillosos. Su estructura básica se compone de capas intercaladas de sílice y alúmina. El tamaño cristalino de la kaolinita es típicamente más grande que el tamaño cristalino de la esmectita o ilita, y tiene una superficie específica más pequeña, una capacidad de intercambio catiónico más baja y una menor capacidad de adsorber el agua. La arcilla kaolinita puede dispersarse en los fluidos de perforación base agua. Los tipos de arcilla presentes en una formación rocosa son analizados mediante un análisis de difracción por rayos X. La XRD mide el espaciamiento entre los planos de los átomos en una substancia cristalina. Para los tipos comunes de arcilla, la siguiente tabla indica el espesor de las capas unitarias en Angstroms (Å o 10-8 cm):
Cabe notar que el espesor de capa de las arcillas esmectita depende del tipo de ion. Uno de los métodos clásicos usados para identificar la esmectita cuando hay dudas sobre su existencia consiste en tratar la arcilla con etilenglicol y determinar si el espaciamiento aumenta hasta 17 Å.
Los Esfuerzos de la Tierra Es importante entender la relación entre los esfuerzos de la tierra para evaluar la inestabilidad del pozo. La presión de sobrecarga, la presión poral y los esfuerzos tectónicos, los cuales están descritos a continuación, contribuyen a la inestabilidad que ocurre cuando se perfora un pozo en el ambiente subsuperficial.
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PRESIÓN DE SOBRECARGA La sobrecarga es el volumen y peso de todas las formaciones y todos los fluidos ubicados encima de una formación determinada. El esfuerzo total impuesto por la sobrecarga a la cual una formación subsuperficial está sujeta se llama presión geostática, presión litostática o presión total de sobrecarga (PO). Esta presión puede ser calculada de la siguiente manera:
Donde: = Densidad aparente de los sedimentos TVD = Profundidad Vertical Total La presión de sobrecarga (P O) es igual a la presión total del peso de los sedimentos (PS), más la presión del peso de los fluidos (P F) que existen encima de una formación determinada y que deben ser soportados mecánicamente por la formación, o sea PO = PS + PF. Para las unidades inglesas, la presión de sobrecarga puede ser calculada con la siguiente ecuación: PO (psi) = 0,052 x B (lb/gal) x TVD (pies)
Donde el factor de conversión de las unidades 0,052 es 12 pulg. /pie ÷ 231 pulg./gal. Las relaciones entre la presión y la profundidad son comúnmente consideradas en términos de “gradiente”, el cual representa la presión dividida por la profundidad. El gradiente de presión de sobrecarga (P OG) puede ser calculado de la siguiente manera: POG (psi/pies) = 0,052 x
B
(lb/gal)
Como las densidades aparentes de los sedimentos varían según la ubicación y la profundidad debido a la compactación, se usa generalmente una densidad aparente de 144 lb/pie 3 (19,25 lb/gal o SG 2,3) de manera que el gradiente geostático o de sobrecarga sea de 1 psi/pie (0,23 kg/cm2/m). Las densidades aparentes de los sedimentos pueden ser obtenidas con mayor precisión a partir de los registros de densidad aparente. Los registros no están siempre disponibles para esta información, pero los gradientes pueden ser calculados. El gradiente geostático medio trazado en relación con la profundidad para el Golfo de México es más próximo a 0,83 psi/pie (~16 lb/gal) cerca de la superficie, y 1,0 psi/pie (~20 lb/gal) cerca de 20.000 pies. Si no se 15
conoce el gradiente de sobrecarga, suponer que es de 1,0 psi/pie o usar el valor conocido del pozo de referencia más cercano.
PRESIÓN PORAL Y PRESIÓN INTERGRANULAR La roca soporta la presión de sobrecarga total de dos maneras. La primera es mediante la presión intergranular (P I), un esfuerzo matricial debido a la fuerza transmitida mediante el contacto mecánico de grano a grano. En segundo lugar, cuando los sedimentos no están suficientemente compactados para formar el contacto de grano a grano, la sobrecarga es soportada parcialmente por la presión poral (P P), causando una presión anormal. La presión poral es la presión de los fluidos de la formación (agua, petróleo y gas) que debe ser balanceada con el peso del lodo. Por lo tanto, la presión de sobrecarga total es igual a la suma de la presión intergranular y la presión poral, o sea P O= PI + PP . De la misma manera que los gradientes de densidad varían debido a la compactación, los gradientes de presión poral normal varían debido a la salinidad de las aguas de la formación. Para una salinidad y densidad determinada, la presión poral normal puede ser calculada de la siguiente manera: PP (psi) = 0,052 x densidad del fluido poral (lb/gal) x TVD (pies) En general se considera que un gradiente de presión poral normal de 0,465 psi/pie. Cuando la presión poral es mayor que la presión hidrostática teórica para una TVD determinada, la formación es anormal o geopresurizada. Las condiciones de presión anormal resultan de algún tipo de sello geológico que causa el entrampamiento de los fluidos y gases de la formación, impidiendo que éstos se filtren hacia zonas menos profundas a medida que la masa de la sobrecarga aumenta. Los sellos pueden componerse de lutitas densas, caliza, dolomita, sal u otras formaciones impermeables. Los tres tipos de presión – presión de sobrecarga, intergranular y poral – presentan analogías con una torre de agua. La sobrecarga sería el peso total que actúa sobre la base de la torre de agua, el peso del agua más el peso de la torre propiamente dicha. La presión intergranular sería el peso de la estructura que actúa a través de la armadura de la estructura. La presión poral sería la presión hidrostática del agua.
ORIENTACIÓN DE LOS ESFUERZOS La sobrecarga ejerce un esfuerzo vertical contra la formación, resultando en un esfuerzo horizontal hacia afuera, según las propiedades mecánicas de la roca. Los esfuerzos subsuperficiales se descomponen en la orientación (dirección) de los planos tridimensionales de los tres esfuerzos principales, siendo cada uno perpendicular a los otros (Figura 1). Estos son (1) el esfuerzo principal máximo (MAX), (2) el esfuerzo principal intermedio ( INT) y (3) el esfuerzo principal mínimo (MIN). 16
El gradiente de fractura es básicamente igual al esfuerzo principal mínimo. En un ambiente no sometido a esfuerzos tectónicos, el esfuerzo máximo está orientado en la dirección vertical (Z), debido a la sobrecarga, y los esfuerzos principales intermedio y mínimo ( X y Y) están orientados en el plano horizontal y son iguales.
Figura1. Orientación de los esfuerzos principales
Cuando se desvía un pozo de la vertical, estos esfuerzos tienden a hacer Que el pozo sea menos estable y se requiere generalmente un mayor peso del lodo. Para evaluar el esfuerzo en un pozo desviado, resulta útil descomponer los esfuerzos principales en otra orientación, de manera que estén orientados radial (R), tangencial ( T) y axialmente (A) a la trayectoria del pozo.
Figura2. Orientación de los esfuerzos, pozos desviados
Utilizando esta orientación, la estabilidad mecánica de la formación puede ser calculada para un conjunto determinado de condiciones, usando el programa de computadora de M-I para los esfuerzos. De la manera ilustrada en la Figura 3, se puede trazar el efecto de la presión hidrostática sobre el esfuerzo diferencial total (tangencial menos radial) de la roca. Se muestran varios ángulos radiales alrededor del pozo, de un lado (a 0º) hasta el fondo (a 90º) y luego hasta el otro lado (a 180º). Si el esfuerzo diferencial es inferior a la 17
resistencia a la tensión de la roca (indicada por un número negativo), se producirá una rotura o fractura causada por la tensión. Si el peso del lodo es inferior al gradiente de fractura, la fractura o rotura cesará cerca del pozo. Si el peso del lodo excede el gradiente de fractura, se producirá una pérdida de circulación. Si el esfuerzo diferencial es mayor que la resistencia a la compresión de la roca, se producirá una fisuración y colapso del pozo o una intrusión plástica (sal).
Figura3. Esfuerzo direccional, pozo desviado
Una vez terminado este análisis, se puede calcular un rango de pesos de lodo seguros para la operación con diferentes ángulos de pozo y presiones porales, a medida que se perfora el pozo. La ventana de operación estable resultante para los pesos de lodo será considerablemente más pequeña que cuando el pozo es vertical.
Figura 4: Rango estable de peso de lodo.
FUERZAS TECTÓNICAS 18
Los esfuerzos tectónicos son esfuerzos que deforman los materiales rocosos en la naturaleza. El contacto regional y los movimientos de las placas de la corteza de la tierra y otras fuerzas geológicas causan estos esfuerzos. Las fuerzas tectónicas hacen que los dos esfuerzos horizontales tengan diferentes valores. Los plegamientos y las fallas resultan de los esfuerzos tectónicos. El esfuerzo tectónico de compresión causará problemas debido a la compresión que causa la fisuración de las rocas frágiles dentro del pozo o formaciones plásticas como la sal, comprimiendo el pozo hasta que se cierre. El esfuerzo tectónico de tensión causará problemas cuando las formaciones se fracturan debido a la tensión, resultando en la pérdida de circulación. Las regiones montañosas de un cinturón de plegamiento son formadas por el esfuerzo tectónico de compresión regional. Un cinturón de plegamiento se compone de anticlinales y sinclinales formados por la compresión tectónica (esfuerzo máximo) en la dirección perpendicular a los ejes del plegamiento (o placas de la corteza en colisión). El esfuerzo máximo y el esfuerzo mínimo están generalmente en el plano horizontal, mientras que el esfuerzo intermedia es principalmente vertical. Los esfuerzos tectónicos de tensión son responsables del fallamiento en las regiones montañosas con cuenca y cordillera. El esfuerzo horizontal mínimo es perpendicular a las trazas de falla (o placas de la corteza en retroceso), mientras que el esfuerzo principal intermedio es paralelo a las trazas de falla, con el esfuerzo principal máximo en la dirección vertical. Los esfuerzos cerca de las estructuras de sal, como los domos y los mantos de sal, son modificados por la intrusión y migración hacia arriba de la sal a través de la roca. Es difícil evaluar la manera en que las estructuras de sal modifican el campo de esfuerzos in-situ. Altos pesos de lodo son generalmente requeridos para proporcionar un pozo estable. Los problemas de pérdida de circulación y control de pozo ocurren frecuentemente en estos ambientes complejos, porque las estructuras cercanas tienen una resistencia muy baja a la fractura.
Rotura por Esfuerzo Mecánico La falla del pozo que se debe al esfuerzo mecánico suele ser causada por una de dos situaciones. Primero, el peso del lodo es demasiado alto, provocando una fractura (roca bajo tensión) que causa la pérdida de circulación. Segundo, el peso del lodo es demasiado bajo, causando el derrumbe (fisuración) o colapso (roca bajo compresión) de la roca, de la manera ilustrada en la Figura 5. La abrasión mecánica y el impacto de la columna de perforación también pueden causar el ensanchamiento del pozo y producir la inestabilidad de las rocas frágiles.
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ROTURA-FRACTURACIÓN CAUSADA POR LA TENSIÓN Las rocas tienen bajas resistencias a la tensión. En realidad, las formaciones de arena no consolidada o fracturadas tienen una resistencia a la tensión igual a cero. Las areniscas suelen tener una resistencia a la tensión más baja que la lutita. Las rocas duras pueden tener resistencias a la tensión de 300 a 600 psi. Normalmente se aumenta el peso del lodo para controlar el flujo de gas y líquidos dentro del pozo, manteniendo una presión hidrostática ligeramente más alta que la presión poral. Si la presión del lodo excede el gradiente de presión de la roca, una fractura comienza a formarse, causando la pérdida de circulación. La fractura estará orientada en un plano paralelo a la dirección del esfuerzo principal máximo y perpendicular al esfuerzo mínimo, resultando generalmente en la abertura de una fractura vertical hacia el esfuerzo principal más pequeño. La fracturación y la pérdida de circulación tienen un efecto perjudicial sobre la integridad y estabilidad del pozo, especialmente en las formaciones medianamente duras a duras. Hay una corriente de opinión que considera que algunas lutitas “blandas” y “gumbos” de alto contenido de agua pueden deformarse plásticamente, causando un aumento en el tamaño y volumen del pozo (hinchamiento). Según la teoría de hinchamiento, si el peso del lodo es excesivo, el pozo puede ensancharse (hincharse) y aprisionar la presión de la misma manera que un recipiente a presión. A su vez, esta situación puede producir indicaciones de un amago y permitir que el lodo regrese a la superficie sin que los fluidos de la formación fluyan dentro del pozo. Este concepto es algo controvertido y mal entendido. No queda claro si los síntomas de hinchamiento son causados por la abertura y el cierre de las fracturas o por la deformación plástica del pozo. En cualquier caso, las situaciones de control de pozo deben ser tratadas de la manera más segura posible.
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Figura 5. Inestabilidades mecánicas del pozo.
ROTURA/COLAPSO CAUSADO POR LA COMPRESIÓN O FLUJO PLÁSTICO Las rocas tienen resistencias a la compresión que varían generalmente de 4.000 a 15.000 psi. Si el peso del lodo no es suficiente para balancear este esfuerzo máximo admisible de la roca, uno de dos mecanismos de rotura puede entrar en juego: 1. Ensanchamiento del pozo debido a la fisuración o al colapso en las rocas frágiles. 2. Deformación del pozo y pozo reducido debido al flujo plástico en las formaciones plásticas como la sal, causando la compresión del pozo hasta que se cierre. Las lutitas sometidas a esfuerzos y las lutitas presurizadas son dos problemas especiales de estabilidad del pozo que ocurren porque el peso del lodo no es suficiente para satisfacer las resistencias a la compresión. Como no se pueden identificar fácilmente con un aumento de gas, la necesidad de usar pesos de lodo más alto es más difícil de identificar. Cuando surgen estos tipos de problemas relacionados con la lutita, se observa una mayor cantidad de fragmentos de derrumbes en la zaranda. Un cambio del tamaño y de la forma de los fragmentos de derrumbes (más grandes y más astillosos o angulares) suele acompañar el aumento del 21
volumen. Muchos términos son usados para describir la rotura de la lutita causada por la compresión, incluyendo desmoronamiento, derrumbe, desprendimiento y fisuración. Estos fragmentos de lutita son generalmente más grandes que los recortes, tienen una forma angular o astillosa y pueden tener un aspecto cóncavo.
LUTITAS SOMETIDAS A ESFUERZOS Los pesos del lodo son generalmente aumentados para controlar el flujo de gas y líquidos dentro del pozo. Si la formación está sometida a esfuerzos debido a las fuerzas tectónicas, el peso del lodo puede ser necesario para evitar la inestabilidad del pozo. La lutita de este tipo se puede definir como una lutita que no se hidrata mucho pero que se derrumba en el pozo al ser penetrada. Estas lutitas son encontradas en regiones donde se han producido movimientos diastróficos tectónicos (el proceso mediante el cual la corteza terrestre se deforma, produciendo continentes, océanos, montañas, etc.). Las lutitas pueden estar muy inclinadas en relación con el plano horizontal, en planos de estratificación de fuerte buzamiento. Las formaciones pueden estar sometidas a unas fuerzas que, una vez reducidas, pueden causar la caída de la lutita dentro del pozo. El problema puede ser agravado si los planos de estratificación son humectados por agua o aceite, de la manera descrita más adelante. Las lutitas de Atoka y Springer del continente medio constituyen ejemplos de este tipo de lutita. Los esfuerzos de la formación causados por el movimiento diastrófico o el esfuerzo tectónico hacen que estas lutitas sean vulnerables al derrumbe. Además, el material natural que cementa estas lutitas puede ser relativamente débil. Algunas lutitas sometidas a esfuerzos nunca pueden ser totalmente controladas por el peso del lodo, porque problemas de pérdida de circulación (y otros) pueden producirse. Para estas situaciones, parte de la lutita siempre tendrá tendencia a derrumbarse dentro del pozo. Ocasionalmente, el mejor método consiste en tratar el problema desde el punto de vista sintomático, mejorando la limpieza del pozo y tratando de tolerar el problema sin permitir que se produzca cualquier problema grave de perforación. Para mejorar la limpieza del pozo, se debe usar un sistema de lodo que disminuye considerablemente su viscosidad con el esfuerzo de corte con un valor “n” bajo y altos esfuerzos frágiles de gel, además de mantener buenas características del revoque y un filtrado bajo. El valor “n” bajo ayudará a impedir el derrumbe causado por los esfuerzos al mantener un perfil de flujo hidrodinámico, y ayudará a limpiar el pozo. Los altos esfuerzos de gel suspenderán la lutita que se derrumba cuando la columna de perforación está fuera del pozo. Esto impedirá que la lutita caiga dentro del pozo y cree un 22
puente. En esta situación, será generalmente mejor no lavar y escariar la sección problemática a menos que sea absolutamente necesario. Cuando se deja el intervalo sin perturbar, el lodo gelificado y los derrumbes suspendidos permanecerán estáticos en los intervalos ensanchados. Una vez perturbadas, estas zonas plantean un mayor problema que puede persistir por mucho tiempo. Problemas inusitados de inestabilidad del pozo pueden aparecer durante la perforación en regiones tectónicamente activas. Las respuestas operacionales habituales pueden ser totalmente inapropiadas si no se logra un buen entendimiento del mecanismo físico de la deterioración del pozo. Durante la perforación en zonas que demuestran condiciones tectónicas insólitas, el enfoque típico que consiste en determinar los pesos del lodo y los gradientes de presión debe ser modificado para tomar en cuenta más criterios mecánicos, y no debería basarse en indicaciones de presión poral, tal como el lodo cortado por gas. Además, puede que sea necesario desarrollar una manera de tolerar cierta inestabilidad, en vez de tratar de resolver totalmente la condición.
LUTITAS PRESURIZADAS Los pesos del lodo son generalmente aumentados para controlar el flujo de gas y líquidos dentro del pozo. Si la formación es impermeable, sin que haya ninguna formación permeable adyacente, tal como un cuerpo masivo de lutita o sal, puede que sea difícil identificar algún aumento de la presión debido a la ausencia de gas de fondo/conexión o al influjo de fluidos porales. Las lutitas problemáticas relacionadas con las geopresiones suelen limitarse geográficamente a zonas de geología más reciente, generalmente postcretáceas. Las lutitas de este tipo son normalmente masivas, pero no homogéneas. En general, éstas son lutitas marinas y constituyen probablemente las capas fuente para el petróleo y el gas. La existencia de presión en los cuerpos de lutita puede ser explicada desde un punto de vista lógico. Durante el tiempo geológico, los cambios de nivel del mar, tales como los que se produjeron durante los periodos glacial e interglacial, pueden explicar la deposición localizada de sedimentos externos en grandes cuencas sedimentarias. Dichos cambios de clima serían suficientes para permitir el desarrollo de barras arenosas cerca del litoral, las cuales, más tarde en el tiempo geológico, podrían convertirse en lentes de arenas aisladas y permeables, en una lutita que por lo demás sería masiva. Durante la evolución del tiempo geológico, los limos y las lutitas se comprimen y se compactan debido a la masa cada vez más grande de la sobrecarga. Durante el proceso de compactación, los fluidos contenidos dentro de la lutita son exprimidos fuera de ésta y dentro de lentes de arena más porosas y permeables, y no se comprimen ni se compactan de ningún modo. Por lo tanto, todos los fluidos que entran en dichas lentes quedan atrapados y están 23
completamente aislados por la lutita circundante, de la manera ilustrada en la Figura 6.
Figura 6. Lutita presurizada
Durante el paso del tiempo geológico, el espacio poral debería llenarse completamente, y el fluido atrapado podría alcanzar una presión igual a la presión de sobrecarga. Puede que no se observe ninguna indicación de alta presión o flujo de gas o líquidos dentro del pozo si no hay ninguna formación permeable. En general no se aumenta el peso del lodo a menos que haya alguna indicación de un aumento de la presión, resultando en que la presión hidrostática de la columna de lodo sea mucho más baja que la presión de la lutita presurizada. Esta diferencia de presiones tratará de reducirse por sí misma según la trayectoria que ofrezca la menor resistencia. Se piensa que esto ocurrirá a lo largo de los planos de estratificación que separan la arena de la lutita, causando la descomposición de la lutita en escamas y su subsiguiente caída dentro del pozo. Las lutitas debilitadas de esta manera seguirán derrumbándose hasta que se aumente el peso del lodo hasta que el cabezal hidrostático compense la presión de las lutitas. La resolución de este problema de lutita causado por la presión es relativamente simple, i.e. aumentar el peso del lodo para crear una presión hidrostática suficiente para confinar la presión de la formación. Además de aumentar la densidad, otras prácticas pueden ayudar a controlar el problema, minimizando cualquier reducción adicional de la presión hidrostática: (1) Mantener el pozo lleno de lodo al sacar la tubería. Esto mantiene la presión hidrostática al nivel más alto posible en todo momento. (2) La baja viscosidad 24
y los bajos esfuerzos de gel del lodo contribuirán a la prevención del pistoneo. Los revoques más finos obtenidos con una filtración más baja también permitirán evitar el pistoneo del pozo. (3) Sacar lentamente la tubería a través de la sección que está ocasionando el problema.
FLUJO PLÁSTICO La deformación del pozo y condiciones de pozo reducido pueden ocurrir en rocas plásticas como la sal. La sal es un material que fluye (repta) bajo presión y entra en el pozo, causando condiciones de pozo reducido o posiblemente cerrando el pozo o causando la pegadura de la tubería de perforación. La sal es dúctil y transmite la mayoría de la sobrecarga en las direcciones horizontales, de manera que los tres esfuerzos sean iguales. La sal es más plástica a temperaturas elevadas, superiores a 225ºF (107ºC). La reptación de la sal causa mayores problemas en formaciones de sal profundas ubicadas por debajo de 10.000 pies. La Figura 8 indica el peso de lodo requerido para controlar el flujo plástico de sal para una profundidad y temperatura determinada. En muchas partes del mundo, las formaciones de sal son perforadas con pesos de lodo más bajos que los requeridos para impedir la reptación de la sal, pero con lodos subsaturados de sal que permiten la disolución para impedir condiciones de pozo reducido. Esto tiene mayor aplicación en formaciones de sal poco profundas a intermedias con temperaturas inferiores a 225ºF (107ºC). Las lutitas “blandas” y los gumbos de alto contenido de agua también pueden deformarse plásticamente debido al peso de lodo insuficiente, causando condiciones de pozo reducido y el pistoneo durante los viajes. Aunque las condiciones de pozo reducido sean generalmente afectadas por una combinación de factores tales como el hinchamiento y el espesor del revoque, el aumento del peso del lodo suele reducir las condiciones de pozo reducido y los síntomas de pistoneo en las formaciones de lutitas blandas y de gumbo.
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Figura7. Peso del lodo requerido para controlar la reptación de la sal
Interacciones Químicas LUTITA SENSIBLE AL AGUA La inestabilidad y el ensanchamiento del pozo también son afectados por la química del fluido de perforación base agua y su efecto sobre la lutita. Numerosos sistemas de clasificación han sido creados para tratar de clasificar las lutitas de acuerdo con su reactividad. Estos sistemas suelen atribuir una letra o un número a cada categoría de lutita de acuerdo con su reactividad. La mayoría de las veces, las lutitas sensibles al agua o hidratables contienen altas concentraciones de arcilla montmorillonita. Por lo tanto, los sistemas de clasificación suelen usar el contenido de montmorillonita como medida principal de la reactividad con los lodos base agua. Otras medidas útiles son la CEC, el contenido total de arcilla, el contenido de agua, la superficie y la dureza. Incluso las lutitas que contienen arcillas que se hidratan menos – como las lutitas de tipo ilita, clorita o kaolinita – son afectadas en cierta medida por la interacción con la química del lodo base agua. M-I no usa un solo sistema de clasificación de lutitas, porque ningún sistema en particular ha demostrado ser aplicable universalmente en todas las regiones del mundo. La hidratación por el agua es una de las causas más importantes de la inestabilidad del pozo. La hidratación puede ocurrir de dos maneras en las lutitas sensibles al agua: adsorción superficial y osmótica. La hidratación 26
superficial ocurre cuando un pequeño volumen de agua se adsorbe fuertemente en las superficies planas de las arcillas, lo cual causa poco ablandamiento o hinchamiento, pero puede producir esfuerzos excesivos si el hinchamiento está confinado. El hinchamiento osmótico ocurre cuando un gran volumen de agua débilmente retenida es atraído por las superficies de arcilla por las fuerzas electrostáticas. El hinchamiento osmótico causa el ablandamiento y un hinchamiento considerable, a medida que las capas de arcilla adyacentes hidratan el agua y se expanden. El hinchamiento osmótico no genera esfuerzos excesivos, incluso cuando está confinado, y puede ser reducido considerablemente si se usa un lodo salado de baja actividad. Las lutitas que contienen montmorillonita pueden adsorber agua del fluido de perforación e hidratarse o dispersarse. La rotura se produce generalmente mediante la constricción del pozo a partir de una zona hinchada ablandada o mediante la fisuración de fragmentos relativamente firmes. La adsorción e hidratación osmótica ablandará e hincharán el pozo expuesto en las lutitas blandas y dispersibles, causando un pozo reducido y aumentando el potencial de dispersión. La rotura por fragilidad de fragmentos relativamente firmes ocurre con fluidos saturados de sal en lutitas blandas y dispersibles, y otras lutitas “frágiles”, más rígidas y más antiguas, en lodos base agua no saturados. En las lutitas más antiguas y más rígidas, la hidratación superficial produce un aumento del esfuerzo cerca del pozo (debido al esfuerzo interno del hinchamiento confinado), causando derrumbes y desprendimientos firmes, frágiles y angulares. Parece ser que el agua penetra en estas lutitas a través de líneas de fractura preexistentes parcialmente cementadas. Esto resulta en un gran esfuerzo interno producido por el hinchamiento superficial, causando la rotura de la roca a lo largo de las líneas de fractura. Las pruebas de permeabilidad indican que las lutitas son relativamente impermeables. Los iones entran en las lutitas para causar la deshidratación o la hidratación mediante acción capilar, ósmosis o invasión de los planos de estratificación. Por lo tanto, la alteración es producida por una transferencia de agua del lodo dentro de la lutita o del agua de la lutita dentro del lodo. La lutita se vuelve inestable cuando es alterada de cualquier manera, ya sea por hidratación o deshidratación. Es importante impedir la transferencia de agua entre el fluido de perforación y la lutita que puede causar la alteración de la lutita. Esto se puede lograr balanceando la actividad (concentración iónica) del lodo con la actividad de la lutita. Los lodos base aceite y sintético son muy eficaces para estabilizar los pozos perforados en lutitas sensibles al agua. Primero, estos lodos humectan las formaciones expuestas con aceite o sintético, impidiendo la interacción con cualquier cantidad de agua. En segundo lugar, estos lodos suelen incorporar salmuera de cloruro de calcio emulsionada de baja actividad para lograr una actividad balanceada. Por razones ambientales, se han usado otros materiales sin cloruros en lugar del cloruro de calcio para balancear la actividad. Estos sistemas no acuosos no 27
penetran tan fácilmente en la red de garganta de poro de la lutita como los fluidos base agua, debido a la tensión superficial de la lutita humectada por agua. Un fluido de perforación ideal sería uno que no altere de ninguna manera la lutita. Muchos tipos diferentes de fluidos han sido probados, tal como el lodo cálcico, lodo yeso, lodo de cloruro de calcio, lodo de silicato, lodo de potasio, lodo de nitrato de calcio, lodo salado, lodo de agente tensioactivo, lodo de lignosulfonato, lodo de polímero de Poliacrilamida Parcialmente Hidrolizada (PHPA), lodo de polímero catiónico, y lodo base aceite. Ninguno de estos fluidos ha sido totalmente satisfactorio por sí mismo en todos los casos. Un lodo puede ser ligeramente más eficaz que otro a través de una sección de lutita determinada, pero lo contrario puede aplicar en otra zona. Desde el punto de vista del éxito global, los sistemas de polímeros a base de potasio y los sistemas base aceite o sintético han sido los más eficaces para las lutitas problemáticas de este tipo. Todos los tipos de ambientes químicos fueron probados para controlar las lutitas problemáticas. La teoría fundamental consiste en impedir que las lutitas se hidraten. En este respecto, los lodos que tienen un alto contenido de electrólitos son generalmente usados porque pueden reducir considerablemente la hidratación. Otra teoría supone la conversión de la lutita y arcilla en minerales menos reactivos con un intercambio de base de un ion (tal como el calcio o potasio) para los cationes existentes entre las capas en la arcilla, generalmente el sodio, para eliminar la hidratación. Los sistemas de polímeros de potasio (o sal) son tan eficaces porque atacan el mecanismo de hidratación de la lutita de varias maneras. Con los sistemas de potasio, el intercambio de bases entre el potasio y los cationes de arcilla entre capas convierte la lutita y la arcilla a un estado menos reactivo. En los sistemas de sal, la baja actividad reduce el hinchamiento osmótico y limita el ablandamiento. En concentraciones suficientes, los polímeros actúan para recubrir las lutitas y los recortes expuestos, “encapsulándolos” con una capa ligada de polímero. Esto limita la capacidad del agua para interactuar con la lutita e impide que los recortes se dispersen. Los polímeros también aumentan la viscosidad de filtrado del fluido, de tal manera que la transferencia de agua será más lenta. Es importante entender que las lutitas tienen alguna permeabilidad, aunque sea muy baja. La composición del lodo puede ser modificada para mejorar la inhibición, además del intercambio de cationes con el calcio o el potasio, para cambiar la naturaleza de la lutita y de los recortes expuestos. Los polímeros tienen tendencia a ayudar al recubrir las lutitas y los recortes expuestos, reduciendo la velocidad de la interacción con el agua. Los polímeros también proporcionan filtrados viscosos que reducen aún más la capacidad del filtrado para penetrar en los microporos de la lutita. Además, los materiales insolubles en agua y los agentes de taponamiento pueden mejorar considerablemente la estabilidad del pozo. También reducen la invasión de agua en las lutitas al obturar los 28
microporos. Estos materiales son especialmente eficaces en lutitas firmes que tienden a microfracturarse. Estos aditivos incluyen: • Aceite y líquidos sintéticos no acuosos • Poliglicoles al “punto de turbiedad”. • Poliglicoles y lubricantes insolubles. • Asfalto. • Gilsonita. • Mezclas de asfalto sulfonado . La experiencia también indica que menos problemas ocurren cuando se controla el filtrado a valores más bajos. Esto ha ayudado a mantener la estabilidad del pozo en muchos casos. La reducción del filtrado con aditivos de polímeros tales como el almidón, la Celulosa Polianiónica (PAC) y el poliacrilato de sodio, aumenta la viscosidad del filtrado y reduce el influjo de filtrado de lodo en la lutita. Sin embargo, es más difícil parar y controlar un problema creado por el hecho que se ha permitido una exposición a una alta pérdida de filtrado. Otro factor que afecta la estabilización de la lutita es el pH. Casi todos los lodos están controlados dentro de un rango alcalino, i.e. con un pH 7,0 o mayor. Al controlar el pH del fluido dentro del rango de 8,5 a 9,5, se obtiene una mejor estabilidad del pozo con un control adecuado de las propiedades del lodo. Un pH anormalmente alto, como el que se obtiene con el lodo cálcico, no atenúa, sin que favorece los problemas en algunas lutitas. Las presiones dentro de las lutitas y el buzamiento de las formaciones complican aún más el problema. Tres remedios fundamentales existen para resolver un problema de este tipo en la lutita: (1) densidad suficiente, (2) rango correcto de pH y (3) control del filtrado.
PRUEBA DE LA LUTITA Varias pruebas de laboratorio están disponibles para tratar de cuantificar esta interacción química entre varios lodos base agua y una lutita en particular. Estas pruebas incluyen: • Clasificación de lutitas (CEC y contenido de arcilla). • Prueba de inmersión visual. • Pruebas de hidratación (rendimiento). • Pruebas de dureza de los recortes. • Pruebas de succión capilar. • Pruebas de hinchamiento lineal. • Pruebas de dispersión. • Prueba de presión confinada. • Prueba triaxial. • Prueba de dureza de la lutita. 29
En lo que se refiere a la prueba de compatibilidad de la lutita, se advierte que estas pruebas son considerablemente afectadas por las propiedades del lodo, especialmente el filtrado, la viscosidad del filtrado y la viscosidad del lodo. No se debería hacer ninguna comparación entre dos sistemas de lodo que tienen filtrados y viscosidades muy diferentes. Las dos pruebas principales usadas por M-I son la prueba de hinchamiento lineal llamada “medidor de hinchamiento” (“swellmeter”) y las pruebas de dispersión rolado en caliente. El medidor de hinchamiento usa granos de lutita reconstituidos, sumergidos en un fluido de perforación, y mide la velocidad y cantidad de expansión lineal no confinada. El fluido de perforación más deseable produciría la menor cantidad de hinchamiento lineal, el cual disminuiría rápidamente hasta una tasa de hinchamiento casi nula. Este dispositivo de prueba puede comparar simultáneamente varias formulaciones diferentes de fluidos. Los resultados se reportan como el porcentaje de hinchamiento a partir del espesor original y la tasa final de hinchamiento al final de la prueba. Los resultados típicos del medidor de hinchamiento varían de 20 a 150%. La mayoría de las veces, el medidor de hinchamiento es usado para evaluar los diferentes niveles de inhibición de las sales u otros inhibidores iónicos (como el calcio y el potasio). Este dispositivo no es adecuado para tratar de evaluar el efecto de los agentes puenteantes como el asfalto, la gilsonita y el asfalto sulfonado, o los polímeros encapsuladores como la PHPA y la PAC. Las pruebas de dispersión usan fragmentos de lutita (o recortes) de granulometría determinada para medir la cantidad de dispersión que ocurre cuando estos fragmentos son sumergidos en un fluido de perforación y rolados en caliente por un periodo determinado. El tamaño de los fragmentos originales de lutita es más grande que un tamaño de malla pero más pequeño que otro. Al final de la prueba, el volumen de recortes que sigue siendo retenido por el tamaño de malla más pequeño será medido y reportado como el porcentaje recuperado. La prueba de dispersión es excelente para evaluar la eficacia de los polímeros encapsuladores. Se trata de una de las mejores pruebas para obtener una indicación del sistema de lodo que será más compatible con una lutita en particular y del rendimiento real que este sistema tendrá en el campo.
DISOLUCIÓN DE LAS FORMACIONES SOLUBLES Varias formaciones son un tanto solubles en el lodo base agua. Éstas incluyen las formaciones de sal y los sulfatos de calcio, el yeso y la anhidrita. La estabilidad del pozo puede quedar comprometida si se permite que la formación soluble se derrumbe. Otros problemas pueden surgir, tal como la limpieza del pozo y la obtención de una cementación satisfactoria. La solubilidad es un fenómeno complejo que es afectado por la temperatura, la presión, la salinidad y el pH. La sal es muy soluble en un lodo base agua subsaturado. Es importante limitar el ensanchamiento del pozo en las formaciones de sal móvil para lograr una buena cementación que maximice la integridad y la resistencia a las cargas concentradas para evitar el colapso de la tubería de revestimiento. 30
El yeso y la anhidrita se vuelven más solubles a medida que la salinidad aumenta. Si no se puede lograr la estabilidad del pozo y obtener un pozo de calibre uniforme en una zona de yeso o anhidrita, será necesario usar un sistema de yeso o calcio a base de cal.
Interacciones Físicas Las interacciones físicas también pueden causar la inestabilidad del pozo. Éstas incluyen la erosión, la cual causa el ensanchamiento del pozo, la humectación a lo largo de fracturas preexistentes y la invasión de fluido que causa la transmisión de la presión. Un pozo es más estable cuando hay suficiente presión hidrostática para que el sobrebalance siga actuando exactamente sobre el frente del pozo y cuando el esfuerzo máximo sobre el pozo es inferior a la resistencia de la formación. Por este motivo, es importante mantener un pozo de calibre uniforme para minimizar las pérdidas de filtrado dentro de las formaciones permeables. También es importante usar agentes de obturación o de taponamiento para impedir que la invasión de fluido y la transmisión de presión ocurran radialmente hacia afuera del pozo.
EROSIÓN La erosión es causada por la turbulencia del fluido en las formaciones blandas. Las formaciones blandas que se erosionan fácilmente son las areniscas no consolidadas, las tizas blandas, y las arcillas y lutitas más blandas. El flujo turbulento puede causar la erosión en las formaciones más blandas. Sin embargo, la información reciente indica que la alta velocidad de corte de la tobera constituye la causa principal de la erosión causada por el fluido. Las altas velocidades de corte de la tobera son usadas para maximizar la velocidad de penetración, y esta característica puede ser más importante que la erosión resultante del pozo. La cantidad de erosión que se producirá depende de la resistencia de la roca; algunas formaciones no serán afectadas. Se ha demostrado que la erosión en las lutitas y las areniscas es más importante si la velocidad de corte de la tobera es > 100.000 seg-1. Al perforar arenas no consolidadas, puede que sea necesario usar otras técnicas para limitar la erosión. En estas arenas, los lodos viscosos con características de disminución de la viscosidad con el esfuerzo de corte y altos contenidos de bentonita (para formar un buen revoque) han producido los mejores resultados.
HUMECTACIÓN, INVASIÓN DE FLUIDO Y TRANSMISIÓN DE PRESIÓN La humectación a lo largo de las microfracturas preexistentes de la lutita, la invasión de fluido y la compensación de la presión de sobrebalance son 31
factores que comprometen la estabilidad del pozo Como se mencionó anteriormente, una de las causas principales de la inestabilidad de la lutita es la humectación por agua a lo largo de las microfracturas de la lutita. Aunque estas lutitas no se ablanden ni se descompongan cuando están en contacto con el agua, la invasión de filtrado o lodo creará debilidades en los planos de estratificación y causará partiduras y derrumbes. Para describir esta condición, se suele hablar de fracturas tipo “páginas de libro” o “bordes deshilachados”. Aunque la inhibición química y el aumento del peso del lodo puedan ayudar a minimizar el problema, estas acciones no son tan eficaces como el sellado de la formación con agentes de obturación o de taponamiento. Para controlar estas lutitas con mayor eficacia, se requiere sellar la formación para protegerla contra la invasión de fluido. Esto se puede lograr controlando la filtración de alta presión, alta temperatura y la calidad del revoque con polímeros, una concentración adecuada de bentonita, y usando materiales insolubles en agua y agentes obturantes de poros. La invasión de fluido compensa la presión de sobrebalance hacia afuera del pozo y tiene tendencia a desestabilizar la integridad del pozo. Esto ocurre tanto en una formación permeable como la arenisca como en una lutita relativamente impermeable. Un revoque ideal ayuda a obtener un pozo estable. Para los lodos base agua, el uso de un aditivo insoluble para limitar la filtración a través del revoque en las areniscas y dentro de los microporos de las lutitas humectadas por agua ofrece una ventaja. El uso del filtrado bajo obtenido con un revoque de buena calidad y polímeros combinados con un aditivo de obturación de poros, reducirá la invasión de fluido y limitará la transmisión de presión. Los aditivos más usados y más eficaces para este propósito son el asfalto, el asfalto sulfonado y la gilsonita. Los aditivos de obturación y taponamiento de poros incluyen: • Aceite y líquidos sintéticos no acuosos. • Poliglicoles al “punto de turbiedad”. • Poliglicoles y lubricantes insolubles. • Asfalto. • Gilsonita. • Mezclas de asfalto sulfonado. Estos aditivos reducen aún más la invasión de agua en las lutitas al obturar los microporos.
Análisis en el Pozo Las condiciones de perforación extremadamente difíciles han producido enfoques más sistemáticos para analizar las inestabilidades del pozo. Uno de 32
estos enfoques (de Zausa y Civolani) que el ingeniero de lodos puede usar como pauta, supone tres pasos básicos: 1. Monitorear y analizar el mecanismo básico de rotura. 2. Determinar y entender los factores que rigen este mecanismo de rotura. 3. Modelar el problema teniendo en cuenta el impacto de los cambios propuestos.
1. MONITOREAR Y ANALIZAR EL MECANISMO DE ROTURA El monitoreo de los datos y sucesos en el equipo de perforación constituye el primer paso del proceso e incluye: Adquisición, organización y procesamiento de los datos de • perforación. Los datos de perforación como la Velocidad de Penetración (ROP), las Revoluciones por Minuto (RPM), el Peso sobre la Barrena (WOB), el Conjunto de Fondo (BHA), el torque, la sobretensión al Meter en el Pozo (TIH) y Salir del Pozo (POOH), el pistoneo y suabeo, el caudal, el peso del lodo, la reología del lodo, etc., deberían ser adquiridos, organizados y analizados continuamente y comparados con los síntomas de estabilidad del pozo que se están observando. Esto ayudará a evaluar el rendimiento y establecer las tendencias o cualquier desviación, y a medir la eficacia de los tratamientos y cambios. • Caracterización de la formación. El procedimiento estándar en las operaciones de perforación consiste en aplicar los conocimientos adquiridos en pozos anteriores, a los pozos subsiguientes perforados en regiones geológicas similares. La investigación de la inestabilidad del pozo requiere la evaluación de las lutitas durante el proceso de perforación. Como las pruebas de la lutita en el sitio del equipo de perforación están limitadas por los equipos y el tiempo disponibles, la mayoría de las evaluaciones son realizadas en un laboratorio provisto del equipo apropiado. Las pruebas de laboratorio son realizadas para evaluar el hinchamiento de la lutita, la dispersibilidad, la capacidad de intercambio catiónico, la capacidad de hidratación, el contenido coloidal, el tiempo de succión capilar, las pruebas de dureza de la lutita y las propiedades de compatibilidad del lodo. Numerosos métodos han sido usados para realizar las pruebas en el equipo de perforación. Éstos incluyen pruebas tan simples como la medición de la lutita mediante la prueba de azul de metileno (CEC); mediciones de la dureza de la lutita; la prueba de dispersión rolado en caliente con varias formulaciones de lodo y diferentes aditivos; y mediciones analíticas complicadas de varias propiedades de la arcilla. Es especialmente importante tratar de definir el mecanismo de rotura: hinchamiento y ablandamiento o fisuración por fragilidad. La información obtenida de estas pruebas, las observaciones actuales realizadas en la zaranda y los datos del registrador de lodo son usados para evaluar el rendimiento del fluido de perforación, ajustar los parámetros 33
mecánicos de la perforación y tomar decisiones relacionadas con el diseño de la tubería de revestimiento. Las principales opciones para contrarrestar los problemas relacionados con la lutita en el sitio del equipo de perforación son las siguientes: • Cambiar la densidad del fluido de perforación. • Cambiar a un sistema base aceite o base sintético. • Cambiar a un lodo base agua más inhibidor. • Reducir el filtrado a niveles muy bajos y aumentar la viscosidad del filtrado. • Utilizar aditivos de obturación de poros, materiales insolubles emulsionados o agentes de taponamiento. • Ajustar los parámetros mecánicos de la perforación. • Evaluación y análisis de los síntomas de inestabilidad. Las señales de aviso de inestabilidad, tal como la presencia de derrumbes excesivos en las zarandas para una ROP determinada, el relleno en las conexiones, las dificultades sufridas al realizar los viajes, el torque, la tubería pegada, etc., indican que hay algún problema en el pozo. Se debe estimar y registrar la magnitud o el volumen de roca que ha fallado con los demás parámetros de perforación. Se debe registrar el número y la ubicación de los incidentes específicos tales como la pegadura de la tubería, el relleno o el empaquetamiento, el ensanchamiento y la nueva perforación. Luego, toda esta información puede ser organizada y correlacionada con el tiempo y la profundidad para detectar la ubicación y cuantificar la severidad de las secciones críticas en el pozo.
2. DETERMINAR Y ENTENDER EL MECANISMO DE ROTURA Todos los parámetros monitoreados y trazados son evaluados para identificar el mecanismo más probable que está causando la inestabilidad. Los síntomas más útiles que son usados para indicar el mecanismo responsable de la inestabilidad del pozo son los siguientes: • Análisis de derrumbes. • Dificultades al realizar los viajes. • Condiciones de perforación. • Análisis del sistema de lodo. • Condiciones in-situ. Estos síntomas deberían ser evaluados en base a un conocimiento interdisciplinario de las causas de la inestabilidad del pozo, para determinar el mecanismo de rotura más probable.
3. MODELAR Y CONSIDERAR LOS CAMBIOS PROPUESTOS 34
Una vez que los parámetros han sido producidos por los pasos de monitoreo y determinación, organizar y analizar estos datos para obtener soluciones cualitativas y evaluar los cambios propuestos. A este fin, un método eficaz consiste en usar un árbol de decisión o un organigrama para evaluar el posible mecanismo de rotura e identificar los remedios más prometedores. Después de llegar a una solución propuesta, una medida correctiva debería ser aplicada y los resultados usados como retroinformación en el método de árbol de decisión. Un árbol de decisión u organigrama, como el que está ilustrado en la Figura 9 para la evaluación de la causa de derrumbes excesivos, proporciona una trayectoria lógica para la identificación del mecanismo y una solución cualitativa. El mantenimiento de la estabilidad del pozo durante la perforación de secciones de lutita puede ser especialmente problemático. Soluciones simples no siempre están disponibles, pero las buenas prácticas de perforación, unidas a buenas prácticas de lodo, producen generalmente resultados exitosos. El análisis de las relaciones entre los esfuerzos mecánicos y las reacciones a estos esfuerzos ha contribuido al desarrollo de requisitos apropiados de densidad para la estabilidad del pozo.
Figura 8. Árbol de decisión para derrumbes excesivos.
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