proyecto de grado "Control de Perdidas de Circulación en Operaciones de Perforación"

UNIVERSIDAD MAYOR, REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA

FACULTAD DE TECNOLOGIA INGENIERIA DE PETROLEO Y GAS NATURAL

PROYECTO DE GRADO

“CONTROL DE PÉRDIDAS DE CIRCULACIÓN EN OPERACIONES DE PERFORACIÓN”

Proyecto de Grado para Optar el Título de Licenciado en INGENIERÍA DE PETRÓLEO Y GAS NATURAL POSTULANTE: Univ. Saavedra Arancibia Nicómedes

Sucre-Bolivia 2013 REF:72854955 | E-Mail: [email protected]

RESUMEN EL objetivo del proyecto de grado es controlar las pérdidas de circulación del lodo por fracturación e invasión hacia las formaciones, y de esta forma disminuir los costos del lodo de perforación y los tiempos no productivos. Existen muchos métodos de prevención y control de perdidas los cuales se clasifican en tres grupos que son: Métodos que usan materiales LCM, Métodos que usan Tapones de cemento y método MPD. El método que se aplicara es el uso de materiales LCM para las formaciones Tarija, Tupambi y Los Monos, el cual consiste en bombear un bache viscoso de material puenteante (carbonato de calcio) de un determinado tamaño de granulometría ,en el fondo del pozo para controlar las perdidas del lodo. Este proyecto se aplicara al pozo Sal-16,el cual está ubicado en el campo San Alberto, operado por la empresa PETROBRAS BOLIVIA S.A. En este campo existió perdidas de circulación del lodo en la perforación de 9 pozos, esto representa una gran ventaja ya que se tiene mucha información técnica y sobre todo mucha experiencia en lo que respecta al método que usa materiales puenteantes. Para la aplicación de control de pérdidas de circulación del pozo Sal-16 se toma como pozo de referencia el Sal-14, el cual tuvo pérdidas de circulación en las formaciones ya mencionadas por lo tanto se trabajara en base a la información petrofísica de este pozo. Este proyecto abarca el estudio de 3 aspectos fundamentales:

El cálculo de la ECD

óptima el cual está en función de la ventana de lodo a aplicarse en la perforación de los diferentes tramos de tal forma que se evite la fracturación de las formaciones y por consiguiente la perdida de circulación; El cálculo del tamaño optimo del material puenteante a utilizarse el cual está en función de las distribuciones de gargantas porales de las formaciones respectivas. Y finalmente El cálculo respectivo del bache viscoso a bombearse, con la finalidad de realizar un buen control de las pérdidas de circulación.

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INDICE

CAPITULO I CONTROL DE PÉRDIDAS DE CIRCULACIÓN EN

OPERACIONES DE PERFORACIÓN PÁGINA 1.1 Introducción…………………………………………………………………………… 1 1.2 Antecedentes de pérdidas de circulación...……………………………………….. 1 1.2.1 A nivel de Latinoamérica……………………………………...................... 1 1.2.2 A nivel de Bolivia…………………………………………………………….. 2 1.3 Planteamiento del problema……………………………………………………… 1.3.1 Identificación del problema……………………………………………….. 1.4 Objetivos…………………………………………………………………………..

3 3 5

1.4.1 Objetivos generales………………………………………………………..

5

1.4.2 Objetivos específicos………………………………………………………

5

1.5 Justificación del proyecto………………………………………………………...

6

1.6 Alcance del proyecto……………………………………………………………… 6 1.7 Metodología de la investigación del proyecto…………………………………

7

1.7.1

Investigación cuantitativa.………………………………………………..

7

1.7.2

Investigación cualitativa……………………………………………….....

7

CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Marco teórico contextual…………………………………………………………… 8 2.2 Definición de pérdida de circulación………………………………………........... 8 2.3 Causas de la pérdida de circulación…………………………………………….. 10 2.3.1 Invasión………………………………………………………………........... 10 2.3.2 Fracturación………………………………………………………………... 12 2.3.2.1

Fuerzas mecánicas…………………………………………….. 13

2.3.2.2

Condiciones del pozo…………………………………………..

2.3.2.3

Propiedades del lodo…………………………………………… 14

2.4 Clasificación de la severidad de la pérdida de circulación……………………

13

14

2.4.1 Perdidas por filtración………………………………………………........... 14 2.4.2 Perdidas parciales……………………………………………………………14 REF:72854955 | E-Mail: [email protected]

2.4.3 Pérdidas severas o totales…………………………………………………. 14 2.5 Definición de fluido de perforación………………………………………………… 14 2.5.1 Funciones básicas de los fluidos de perforación……………………….. 15 2.5.2 Fases de los fluidos de perforación……………………………………………… 16 2.5.2.1 Fase líquida……………………………………………………………. 16 2.5.2.2 Fase sólida reactiva………………………………………………..... 16 2.5.2.3 Fase sólida inerte…………………………………………………….. 16 2.5.2.4 Fase química………………………………………………………… 17 2.5.3 Tipos de fluidos de perforación…………………………………………..

17

2.5.3.1 Fluidos base agua…………………………………………………… 17 2.5.3.2 Fluidos base aceite………………………………………………….. 17 2.5.3.3 Fluidos base gas o aireados…………………………………………. 18 2.5.4 Reología……………………………………………………………………………. 18 2.5.4.1 Propiedades Reológicas de los fluidos………………………………….

18

2.5.4.1.1

Velocidad de corte y esfuerzo de corte…………………

18

2.5.4.1.2

Viscosidad……………………………………………………..

19

2.5.4.1.3

Viscosidad efectiva……………………………………….

19

2.5.4.1.4

Viscosidad plástica………………………………………….

19

2.5.4.1.5

Punto cedente……………………………………………….

20

2.5.4.1.6

Fuerza gel……………………………………………………..

20

2.5.4.1.7

Densidad equivalente de circulación………………………

21

2.5.5 Factores que contribuyen a la pérdida de circulación…………………

21

2.5.5.1 Gradiente de presión………………………………………………..

21

2.5.5.2 Presión hidrostática………………………………………………….. 23 2.5.5.3 Presión de formación……………………………………………….. 23 2.5.5.4 Presión de fractura………………………………………………….. 25 CAPITULO III

MÉTODOS DE PREVENCIÓN Y CONTROL DE PÉRDIDAS DE

CIRCULACIÓN 3.1 Medidas preventivas antes que ocurra la pérdida de lodo……………………. 26 3.1.1 Colocar la tubería de revestimiento en la zona apropiada……………

26

3.1.2 Minimizar las presiones de fondo………………………………………..

26

3.1.3 Controlar las propiedades del lodo dentro de los

rangos

apropiados…………………………………………………………………… 27

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3.2

Métodos para la localización de zona de pérdida de circulación del fluido…………………………………………………………………………………. 29 3.2.1 Método del rotor……………………………………………………………. 29 3.2.2 Método del trazador radioactivo…………………………………………. 29 3.2.3 Método del transductor para medir presiones……………………….

3.3

30

Métodos para controlar de las pérdidas de circulación……………………..... 30 3.3.1 Método de sacar la tubería y esperar……………………………………. 30 3.3.2 Método de los agentes obturantes o puenteantes…………………….. 31 3.3.2.1 Regla del puenteo de Vickers……………………………………… 33 3.3.3 Método de inyección de presión de lechada de alta pérdida de filtrado……………………………………………………………………….. 34 3.3.3.1 Pérdida por infiltración………………………………………………. 35 3.3.3.2 Pérdida parcial………………………………………………………… 36 3.3.3.3 Pérdida total………………………………………………………….. 36 3.3.4 método de la perforación Managed Pressure Drilling (MPD) y bajo balanceada (UBD)……………………………………………………………37 3.3.4.1 La técnica Managed Pressure Drilling para las formaciones productoras en el campo San Alberto……………………………… 38 3.3.4.2 Requerimientos de equipo superficial para MPD y UBD…………. 39 3.3.4.2.1 Equipo de generación de N2………………………….. 39 3.3.4.2.2 Sistema de desviación rotativa (cabeza rotativa)………………………………………………….

42

3.3.4.2.3 válvula de seguridad de superficie (válvula ESD)……………………………………………………… 44 3.3.4.2.4 múltiple de estrangulación (Choke Manifold UBD)……………………………………………………… 45 3.3.4.2.5 Sistema de separación………………………………….. 46 CAPITULO IV MATERIALES Y EQUIPOS DE CONTROL DE PÉRDIDA DE CIRCULACIÓN 4.1 Materiales de pérdida de circulación (LCM)…………………………………….. 47 4.1.1 Materiales fibrosos………………………………………………………….. 47 4.1.2 Materiales granulares……………………………………………………….. 49 4.1.3 Materiales escamas…………………………………………………………. 52 REF:72854955 | E-Mail: [email protected]

4.1.4 Materiales de mezclas……………………………………………………….53 4.2 Equipos involucrados en el control de pérdidas del lodo……………………… 54 4.2.1 Tanques o contenedores de lodo………………………………………… 54 4.2.2 Bomba de lodo Triplex Gardner Denver pz11………………………….. 55 CAPITULO V APLICACIÓN PRÁCTICA CONTROL DE PÉRDIDAS DE CIRCULACIÓN APLICADO AL POZO SAL-16 5.1

Antecedentes del pozo……………………………………………………………. 58

5.1.1 Antecedentes de las Formaciones…………………………………………. 5.2

59

Estratigráfica ……………………………………………………………………… 61

5.3 Datos básicos del pozo sal-16…………………………………………………… 62 5.4

Cálculo de la densidad equivalente de circulación (ECD)……………………

63

5.4.1 Cálculo rango de densidad de lodo (ventana del lodo)………………

63

5.4.2 Calculo hidráulico………………………………………………………….. 67 5.5 Calculo del tamaño óptimo del material puenteante…………………………..

78

5.6 Calculo del volumen de bache a bombearse…………………………………… 80 CAPITULO VI EVALUACIÓN ECONÓMICA 6.1 Introducción…………………………………………………………………………. 87 6.2 Estimación de costos………………………………………………………………. 87 6.2.1 Caso 1 (Fiber Seal)……………………………………………………………. 87 6.2.2 Caso 2 (mica)………………………………………………………………….. 89 6.2.3 Caso 3 (carbonato de calcio)…………………………………………………. 91 6.2.4 Caso 4 (control de perdida mediante la técnica MPD)……………………. 93 6.3

Resumen de resultados…………………………………………………………. 93

CAPITULO VII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1 Conclusiones………………………………………………………………………. 95 7.2 Recomendaciones…………………………………………………………………. 96 REFERENCIAS..………………………………………………………………………..

97

ANEXOS…………………………………………………………………………………

98

ANEXO A. descripción del campo San Alberto………………………………………... 99 ANEXO B. Tablas y cuadros de cálculos de la aplicación práctica….................... REF:72854955 | E-Mail: [email protected]

104

LISTA DE FIGURAS Y GRAFICAS PAGINA Figura 2.1-Secciones de pérdida de circulación……………………………………... 9 Figura 2.2- Arena agotada……………………………………………………………..

11

Figura 2.3 -Ciclo de perforación causando fracturación y el restablecimiento (según clark.)……………………………………………………………........................ 12 Figura 2.4 - Presión de formación vs. Presión hidrostática………………………… 24 Figura3.1-Efecto del esfuerzo de gel sobre el aumento brusco de la presión……………………………………………………………………………………… 28 Figura 3.2- Sello de la fractura en la cara del pozo…………………………………… 32 Figura 3.3- Sello de la fractura dentro de la formación……………………………….. 32 Figura3.4–Pequeños materiales de pérdida de circulación no forman un puente……………………………………………………………………………………… 32 Figura 3.5 – Puente formado por las partículas grandes y sello final formado más pequeñas…………………………………………………………………………….. 32 Figura 3.6 -Esquema del proceso de puenteo………………………………………… 33 Figura 3.7 - Pérdida de fluido mediante la filtración………………………………….. 35 Figura 3.8 - Compresor de aire Quincy. (Wubs, 2006)……………………………….. 39 Figura 3.9 - Sistema de generación de nitrógeno (wubs, 2006)…………………….. 40 Figura 3.10 - Unidad productora de nitrógeno por membrana……………………… 41 Figura 3.11 - Elevador de presión- booster…………………………………………… 41 Figura 3.12- Shaffer pcwd - sistema de desviación rotativa activa………………….. 42 Figura 3.13 - Sistema de desviación rotativa pasiva RCD 5000…………………… 43 Figura 3.14 - Válvula ESD……………………………………………………………….. 44 Figura 3.15-Choke manifold para operaciones UBD…………………………………. 45 Figura 3.16 -Sistema de separación de fases………………………………………….. 46 Figura 4.1- Carbonato de calcio fino…………………………………………………… 50 Figura 4.2- Caliza sin moler……………………………………………………………… 50 Figura 4.3- Muestras de carbonato de calcio……………………………………………51 Figura 4.4- Escamas de Mica…………………………………………………………… 52 REF:72854955 | E-Mail: [email protected]

Figura 4.5- Distribución de los tanques de lodo………………………………………. 55 Figura 4.6- bomba de lodo Triplex Gardner Denver pz11…………………………..

56

Figura 4.7 - Bombas de lodo Triplex Gardner Denver pz11………………………… 57 Figura 5.2-Secuencia estratigráfica sal-16……………………………………………. 61 Figura 5.3- Estado sub superficial pozo sal-16………………………………………. 62 Figura 5.1-Corte estructural del pozo sal-16………………………………………….. 60 Figura 5.14g - Esquema del puenteo ………………………………………………….. 78 Figura 4 - Corte estructural de pozo sal-14……………………………….…………… 103 Grafica 5.4a- Ventana de lodo…………………………………………………………… 65 Grafica 5.10 –Sensibilidad de densidad Intervalo 1…………………………………

72

Grafica 5.14-ECD óptima para el tramo 0-80 m………………………………………..74 Grafica 5.14a -ECD óptima para el tramo 80-1436 m………………………………… 75 Grafica 5.14b -ECD óptima para el tramo 1436-1750 m……………………………… 75 Grafica 5.14c -ECD óptima para el tramo 1750-2850 m………………………………76 Grafica 5.14d -ECD óptima para el tramo 2850-4450 m……………………………… 76 Grafica 5.14e -ECD óptima para el tramo 2850-4450 m……………………………… 77 Grafica 5.14g –Esquema del puenteo…………………………………………………. 78 Grafica-5.16-Distribucion de tamaños de garganta de poro…………………………. 79 Grafica-5.21- Distribución de tamaños de garganta de poro…...……………………. 83 Grafica-5.26- Distribución de tamaños de garganta de poro………………………... 85 Grafica 1- Gradiente de sobre carga Eaton……………………………………………. 105 Grafica 3 Sensibilidad de lodo tramo 0-80 m…………………………………………. 107 Grafica 3 Sensibilidad de lodo tramo 0-80 m…………………………………………. 108 LISTA DE TABLAS Y CUADROS PAGINA Cuadro 5.3a – Gradiente de formación………………………………………………… 63 Cuadro 5.4-Resumen de resultados………………………………………..…………

64

Cuadro 5.5-Propiedades del lodo………………………………………………………. 65 Cuadro 5.6- Arreglo de fondo BHA…………………….………………………………. 66 Cuadro 5.7-Herramientas agrupadas por su igualdad en diámetros……………… 67 Cuadro 5.8-Densidad mínima, máxima y promedio………………………………….

67

Cuadro 5.9 - Resultados ……………………………………………………………….

71

Cuadro 5.11-Cálculo de la presión de caída anular para un determinado caudal…. 72 Cuadro 5.12-Cálculo de la caída de presión para los intervalos…………………… 73 REF:72854955 | E-Mail: [email protected]

Cuadro 5.13-Cálculo de la ECD para todo el tramo 36”………………………………. 73 Cuadro 5.14f - Resumen de resultados…………………………………………………. 77 Cuadro 5.15- Resultados de las pruebas de distribución de tamaño de garganta de poro……………………………………………………………………………………… 79 Cuadro 5.17-Lectura a diferentes percentiles………………………………………… 80 Cuadro 5.18 –Cálculos de diferentes gargantas……………………………………….. 80 Cuadro 5.19-Condiciones de Vickers…………………………………………………….80 Cuadro 5.20- Resultados de las pruebas de distribución de tamaño de garganta de poro……………………………………………………………………………………… 82 Cuadro 5.22- Lectura a diferentes percentiles………………………………………… 83 Cuadro 5.23 - Cálculos de diferentes gargantas………………………………………. 83 Cuadro 5.24-Condiciones de Vickers…………………………………………………… 84 Cuadro 5.24a-Resultados……………………………………………………………….. 84 Cuadro 5.25- Resultados de las pruebas de distribución de tamaño de garganta de poro……………………………………………………………………………………… 84 Cuadro 5.27- Lectura a diferentes percentiles…………………………………………. 85 Cuadro 5.28- Cálculos de diferentes gargantas…………………………………........ 85 Cuadro 5.29- Condiciones de vickers………………………………………………….. 86 Cuadro 5.30 –Resultados………………………………………………………………… 86 Cuadro 5.31-Resumen de resultados ……………………………………….………… 86 Cuadro 6.1-Aditivos para la fase 36”…………………………………………………… 87 Cuadro 6.2-Aditivos para la fase 24”……………………………………………………. 87 Cuadro 6.3-Aditivos para la fase 18 1/2”……………………………………………….. 88 Cuadro 6.4-Aditivos para la fase 17 1/2”……………………………………………….. 88 Cuadro 6.5-Aditivos para la fase 12 1/4”………………………………………………. 88 Cuadro 6.6-Resumen de costos de materiales obturantes…………………………. 89 Cuadro 6.7-Costo Total y por metro de perforación…………………………………

89

Cuadro 6.8-Aditivos para la fase 36”…………………………………………………… 89 Cuadro 6.9-Aditivos para la fase 24”…………………………………………………… 89 Cuadro 6.10-Aditivos para la fase 18 1/2”……………………………………………… 90 Cuadro 6.11-Aditivos para la fase 17 1/2”……………………………………………… 90 Cuadro 6.12-Aditivos para la fase 12 1/4”…………………………………………….. 90 Cuadro 6.13-Resumen de costos de materiales obturantes…………………………. 91 REF:72854955 | E-Mail: [email protected]

Cuadro 6.14-Costo Total y por metro de perforación………………………………… 91 Cuadro 6.15-Aditivos para la fase 36”……………………………………………………91 Cuadro 6.16-Aditivos para la fase 24”……………………………………………………91 Cuadro 6.17-Aditivos para la fase 18 1/2”……………………………………………… 92 Cuadro 6.18-Aditivos para la fase 17 1/2”……………………………………………… 92 Cuadro 6.19-Aditivos para la fase 12 1/4”…………………………………………….. 92 Cuadro 6.20-Resumen de costos de materiales obturantes…………………………. 93 Cuadro 6.21-Costo Total y por metro de perforación………………………………… 93 Cuadro 6.22-Costos de equipos usados en la técnica MPD………………………… 93 Cuadro 6.23-Resumen de lodo perdido en el pozo de referencia sal-14…………….94 Cuadro 2.1-Calculo caída de presión intervalo 1………………………………………. 106 Cuadro 2.2-Resultados…………………………………………………………………… 106 Cuadro 2.3 – Resultados…………………………………………………………………. 107 Cuadro2.4-Cálculos de las caídas de presión para cada intervalo…………………. 109 Cuadro2.5-Calculo de la ECD óptima…………………………………………………... 109 Cuadro2.6-Tabla profundidad vs. ECD optima….………………………………………109 Cuadro2.7-Cálculos de las caídas de presión para cada intervalo…………….…… 109 Cuadro2.8-Calculo de la ECD óptima….……………………………………………….. 110 Cuadro2.9-Tabla profundidad vs. ECD optima………..……………………………….. 110 Cuadro2.10-Cálculos de las caídas de presión para cada intervalo….……………. 110 Cuadro2.11-Calculo de la ECD óptima…………………………………………………. 110 Cuadro2.12Tabla profundidad vs. ECD optima………………………………..…….. 111 Cuadro2.13-Cálculos de las caídas de presión para cada intervalo….…………… 111 Cuadro2.14-Calculo de la ECD óptima………………………………………………..

111

Cuadro2.15-Tabla profundidad vs. ECD optima………………………………………. 112 Cuadro2.16-Cálculos de las caídas de presión para cada intervalo….……………. 112 Cuadro2.17-Calculo de la ECD óptima………………………………………………… 112 Cuadro2.18-Tabla profundidad vs. ECD optima………………………………………. 112 MAPAS PAGINA Mapa 1 – Ubicación del campo san Alberto …………………………………………… 100 Mapa 2 – Estructura geográfica parcelada campo San Alberto……………………… 101 Mapa 3 – Pozos del campo San Alberto imagen satelital…………………………….. 102 REF:72854955 | E-Mail: [email protected]