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TOLA MAYTA LIMBERG

CONTROL DE ARENA EN POZOS PETROLEROS DOCENTE: ING. RAUL MALDONADO MATERIA: PRODUCCION PETROLERA 3 ESTUDIANTE: TOLA MAYTA LIMBERG

2014

CONTROL DE ARENA EN POZOS PETROLEROS 1. INTRODUCCION La producción de arena con fluidos del yacimiento petrolífero es un problema grave en algunas áreas. Puede cortar u obstruir estranguladores y líneas de flujo, causar fallas excesivas del equipo, complicar la limpieza del pozo y puede causar el mal funcionamiento del equipo en el fondo del pozo. El desecho de la arena puede ser un problema. Los métodos para controlar la producción de arena i ncluyen la introducción de coladores o revestidores auxiliares ranurados, empacando con grava o consolidado de arena con una resina plástica. Los coladores son los de instalación más simple en la mayoría de los casos. El trabajo consiste en colgar un revestidor auxiliar o un colador envuelto en cable opuesto al intervalo de la zona de producción. El tamaño del colador es de manera efecti va demasiado pequeña para permitir que la arena fluya hacia adentro, mientras que aún permite el flujo de los fluidos de formación. Los empaques de grava son comunes en el control de arena. La producción de arena es uno de los problemas más frecuentes que ocurren d urante la vida productiva de los pozos petroleros. Su inte nsidad y gravedad varían con el grado de cementación de los granos de la arena productora y con la forma como están completados los pozos. Esta arena se deposita en el fondo del hoyo y con frecuencia reduce la capacidad productiva del pozo. En los campos donde la arena constituye una causa importante de pérdida de producción se dedican taladros para remediar la situación con la mayor celeridad.

2. ARENAMIENTO Fenómeno donde el material (pequeñas partículas de rocas) de la formación viaja hacia el pozo y la superficie como parte de los fluidos producidos. Antes de abordar el tema de arenamiento se debe detallar, qué son las arenas y de q ué están formadas, para ello, se de fine que: las rocas detríticas o clásticas son resultados de la acumulación de elementos separados de rocas preexistentes por elementos externos, como la erosión y transportados a grandes distancias por el viento, ríos o glaciares y cementados o no después de su depositación (Guillemot, 1982). Entre estas rocas se puede defi nir las arenas por la posición de sus granos en la esca la de tamaños siendo la de Wentworth la más

utilizada, reservando el nombre de arena a cuyos elementos tienen un tamaño comprendido entre los 2 y 0.063 mm. Ahora, se puede ver la definición de arenamiento que es: la producción de pequeñas o grandes partículas de sólido junto con los fluidos que son producidos del yacimiento debid o a la baja consolidación de la formación productora (Garaicochea P., 1983). Comúnmente, es preferible utili zar el térmi no “producción de sólidos” en lugar de “producción de arena” ya que, esto implica que solo las areniscas frágiles o poco consolidadas son las que están susceptibles de ser producidas. A medida que el yacimiento descarga petróleo hacia el pozo, con el tiempo se va acumulando arena y sedimento en el fondo del pozo. Esta acumulación puede ser de tal magnitud y altura que puede disminuir drásticamente o impedir completamente la producción del pozo. Los casos de arenamiento son más graves y más frecuentes cuando los estratos son deleznables. Cuando se dan estratos de este tipo, la termi nación del pozo se hace de manera que, desde el i nicio de la producción, el flujo de arena y sedimentos sea lo más leve por el más largo tiempo posible. Para lograr esto, el tramo de la sarta de revestimie nto y de producción que cubre el estrato productor es de tubos ranurados especialmente. Las ranuras, cortadas de afuera hacia adentro y de apariencia cunei forme, tienen una abertura lo suficiente estrecha, según análisis granulométrico de la arena, para retener la arena y lograr que el apilamiento de los granos sea compacto y estable y, por ende, no fluyan junto con el petróleo hacia el pozo. Además del método anterior, existen otras modalidades para contener el flujo de arena. Hay tuberías ranuradas y preempacadas, o sea que la tubería ranurada i nterna viene cubierta por otras tuberías i nternas y el espacio anular entre estas dos tuberías está relleno de arena o material granular, lo que en sí forma un filtro y retenedor prefabricado. Otra es, a semejanza de la anterior, que el empaque con grava especialmente seleccionada se hace en sitio. Para eso, la sarta de revestimiento y de producción se hinca y cementa por encima del estrato productor. Luego se hace el ensanche del hoyo frente al estrato productor. Para revestir el ho yo ensanchado se utilizará una tubería calada (ranurada), la cual al final quedará colgada del revestidor cementado por encima del estrato productor. Antes de colgar la tubería calada, se bombea la cantidad determinada de grava para rellenar el espacio entre el estrato productor y la tubería calada. Hecho esto, se cuelga la tubería calada y se con tinúa con las otras faenas para poner el pozo en producción.

El arenamiento de los pozos es de ocurrencia muy común. Y para mantener los pozos en producción plena se recurre a desarenarlos y limpiarlos utilizando fluidos debidamente acondicionados que se bombean progresivamente hasta el fondo para extraer la arena y sedimentos hasta la superficie por circulación continua. Algunas veces no es suficiente la circulación de fluidos y hay que utili zar achicadores o bombas desarenadoras en el fondo del pozo para poder hacer la limpieza. Además de disminuir la capacidad productiva del pozo, la presencia de arena en el pozo es dañina porque a medida que fluye con el petróleo causa cacarañeo, corrosión o abrasión de las instalaciones en el po zo y en la superficie. En el caso de pozos de flujo natural, la velocidad del flujo hace que la arena y sedimentos acentúen su poder de desgaste sobre las i nstalaciones. En los pozos de bombeo mecánico, a veces, es muy serio el daño que la arena causa a la bomba y sus partes, pri ncipalmente a las varillas de succión, al vástago pulido y a la sarta reductora.

FIGURA 1. Bombeo de fluido para limpiar un pozo arenado

FIGURA 2. Terminación por empaque de grava .

FIGURA 3. Tuberias, caladas concéntricas preempacadas

TABLA 1. Escala de Wentworth para clasificación de sedimentos. Un pozo requiriere de técnicas de control de arenamiento, si es susceptible o produce granos de arena de una porción de matriz del yacimiento; cabe recalcar que, “finos móviles”, que son partículas dispersas de arcilla o minerales pueden fluir a través de las gargantas de poros, por lo que no son considerados problemas que requieran control (O. Suman, 1982). Actualmente, muchos de los pozos perforados son realizados en campos que pertenecen a la Era Cenozoica, zonas donde existen formaciones i nestables (areniscas) o poco consolidadas, que favorecen la producción de sólidos. En algunas situaciones, las ca ntidades aportadas generan efectos i nsignificantes que poco se reflejan en la producción. Sin embargo, e n muchos casos la producción de sólidos ocasiona reducciones en la productividad e inclusive aumentos excesi vos en los programas de mantenimiento a los equipos de fondo, como de superficie, que provocan fallas prematuras del pozo y de los equipos, reflejándose en inversiones costosas que afectan la rentabilidad, llegando muchas veces a l abandono del mismo. Así, el problema de arenamiento es tomado enormemente en cuenta alrededor del mundo, en

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zonas donde se explotan campos Terciarios principalmente. Por tal razón, es importante no sólo conocer la defi nición de arenamiento sino comprender cuales son los factores y causas que los provocan para tener en claro cómo funciona cada uno de ellos.

3. PRODUCCION DE ARENA La producción de arena puede ser clasificada en (Al-Awad, 2001): - Producción transitoria de arena: la cual se refiere a una producción de arena que declina con respecto al tiempo de producción a gasto constante, comúnmente encontrada en limpiezas de pozos, acidificaciones o fracturamiento hidráulico para recuperación secundaria. - Producción continua de arena : que se presenta cuando se produce de formaciones no consolidadas que no cuenten co n equipos de control de sólidos. - Producción catastrófica de arena: que es el peor de todos los tipos y ocurre como una anormalidad cuando los fluidos del yacimiento son producidos e xcesivamente.

3.1 Mecanismos de la producción de arena 

Movi miento de granos (Zonas alejada de la formación)



Movi miento de masas



Movimiento de arena en pequeñas masas en zonas cercanas a la cara de la formación (Obstrucción a ni vel de las perforaciones)



Flui di zación ma siva

Movimiento masivo de arena la cual genera erosión

3.2 Causas de la producción de arena En campos con formaciones poco consolidadas, el simple flujo de fluidos del yacimiento hacia el pozo puede acarrear sólidos que en ciertos casos generan proble mas en producción. Las condiciones que pueden causar la producción de arena dependen de las fuerzas que mantienen unidas a los granos de areniscas. Estos factores describen la naturaleza del material de formación y las causas para que falle la estructura, entre las que se tienen:  Falta de material cementante que mantenga la adherencia entre los granos de la arena

productiva.  Disminución de la presión del yacimiento (Etapa avanzada de producción) que reduce la adherencia entre los gra nos de la matri z, y propicia su desplazamiento hacia el hoyo.  La llegada (irrupción) del agua del acuífero a las cercanías del hoyo puede deteriorar el material cementante entre los granos.  Nivel de producción superior a la tasa crítica.  Factores geológicos y geográficos.  Flujo multifásico.  Altas tasas de flujo.  Efectos térmicos. Estos factores, están incluidos entre los efectos de la resistencia de la roca y los del flujo de fluidos, cada uno de ellos, representa un papel importante en la prevención e inicio de la producción de arena. En la actualidad, muchos estudios se han realizado, determinando los tipos de fallas para que ocurran fracturas e n las areniscas. Entre estos tenemos trabajos de Exxon (K. Ott & D. Woods, 2001) donde se co ncluyen que, cuando se genera un exceso en la compresión de la roca, se puede fracturar las areniscas provocando su desconsolidación, con lo que, la medición de la compresión resulta como un buen indicador de producción de sólidos que permite controlar y evitar el mismo. Santarelli y Brown en 1989 explican también, cómo está dada la granulación de las areniscas consolidadas, al reali zar estudios de una serie de granos de arena para determinar cual resulta ser la capa productora de la misma (Gómez, 2001). Entre otros factores, se debe tomar en cuenta los que están directamente relacionados con la roca y que producen su desestabilidad, por ello, se describen estas propiedades a conti nuación (K. Ott & D. Woods, 2001): a) El grado de material cementante: El por qué, del que un pozo se encuentre abierto y no colapse, se debe principalmente a la cantidad de material cementante que mantiene unido a los granos circundantes al pozo. La cementació n de las areniscas es un proceso geológico secundario y es una regla general que viejos sedimentos estén mejor consolidados que los nuevos. Esto, es un problema normalmente encontrado en campos que pertenecen a formaciones geológicamente jóvenes como la Cenozoica. Una característica mecánica de la roca que está relacionada con la consolidación es la resistencia a la compresión por lo mencionado anteriormente.

Para formaciones poco consolidadas, la resistencia a la compresión es menor que los 1000 psi. Éste valor, es de mucha utilidad en formaciones estudiadas para aplicar sistemas de control de arena, por lo que bri nda un espectro general de la resistencia de las rocas. b) La reducción en la presión de poro: este fenómeno ocurre cuando se genera una disminución en la presión del yacimiento, esto repercute como un esfuerzo sobre la formación, que llega a romper los granos de la misma, pudiendo ser comprimidos, creando así partículas sólidas producidas por los fluidos del yacimiento al pozo. c) Las tasas de producción: un pozo produce por la generación de un gradiente de presión existente entre la formación y el pozo. Este diferencial de presión genera fuerzas de arrastre que exceden la resistencia a la compresión de la roca, lo que ocasiona la producción de sólidos por la desestabilización de los granos y del material cementante. Es recomendable, mantener una tasa de flujo por debajo del ni vel crítico, aunque muchas veces, no es aceptable, por presentar producción baja y poco rentable que afecta los fines económicos esperados. d) La viscosidad de los fluidos de la formación: se refleja como la fuerza de fricción ejercida en los granos de la formación que es generada por el flujo de los fluidos producidos. Esta fuerza, está estrechamente relacionada con la velocidad de flujo y la viscosidad de los fluidos producidos. Por lo que, la viscosidad influye en la producción de sólidos en yacimientos de aceite pesado; principalmente en aquellos que contengan fluidos con alta viscosidad.

e) Incremento en la producción de agua: la manifestación de are na en el pozo, puede originarse como resultado de la producción de agua de formación. Esto debido a que el agua de formación en los yacimientos mojables por agua, la cohesión entre los granos es determinada por la tensión superficial en cada uno de los granos de arena, por lo que al momento de presentarse la producción de agua la fuerza de tensión superficial es reducida, generando así que el agua producida desestabiliza los arcos de arena generando con ello la producción de sólidos. La permeabilidad relati va toma también un papel importante en la producción de arena, debido a que cuando se presenta el agua, la permeabilidad relativa del aceite decrece, resultando en un incremento en la caída de presión requerida para que el aceite sea producido. Esté a umento crea una desestabilización en la resistencia de la formación que nuevamente termina en la producción de sólidos por fallas y defectos del arco

de arena generados en la formación cercana al pozo, principalmente en la zona de los disparos de producción.

FIGURA 4. Geometría de un arco de arena alrededor de los disparos de producción (Modificada, K. Ott & D. Woods, 2001).

3.3 Consecuencias de la producción de arena Entre las principales consecuencias producidas por el arenamiento están: 

Reducción de los ni veles de producción.



Erosión de los equipos de completación del pozo (cabillas, bombas, mangas,

etc.) 

Erosión de los equipos e instalaciones de superficie (estranguladores,

separadores, válvulas, etc.) 

Acumulación en los equipos de superficie



Colapso de la formación por socavaciones.



Reducción de la permeabilidad en la veci ndad del pozo.



Falla mecánica de revestidores o forros .



Problemas en el manejo de sólidos de formación producidos.

FIGURA 5. Acumulación de arena en los equipos

FIGURA 6. Acumulación de arena en equipos superficiales

FIGURA 7. Erosión de la tubería causado por arenamiento

Los efectos de la producción de arena son siempre perjudiciales para corto o largo plazo en la productividad de un pozo (K. Ott & D. Woods, 2001). Aunque suelan haber excepciones, al momento de controlar los efectos de producción de arena pero que pueden resultar no muy económicamente atractivos y provocar una exp lotación imprudente. El fenómeno de arenamiento ha estado presente desde los inicios de la industria petrolera y ha sido uno de los principales problemas que afecta a algunos de los campos geológicamente más jóvenes del mundo. A los que se ha enfrentado desde siempre, ya que causa perturbaciones económicas por la serie de problemas que acarrea consigo, como el reemplazo de equipos hasta restricciones de producción y aumento de riesgos en pozos donde se presenta. Estos efectos que pueden ir desde el tratamiento y eliminación de los sólidos acumulados dentro del pozo, hasta fallas catastróficas en la terminación que impidan la productividad (Acock, 2003). Aunque no solamente son estos los provocados po r el arenamiento de los pozos. A continuación se presentan los más característicos:

3.3.1 Limitación en la producción de hidrocarburos. Cuando las arenas provocan que los cami nos preferenciales del flujo de hidrocarburos sean desviados debido al movimiento de la fallas, provocando el sellado de la formación hacia el pozo y generando la disminución o improducti vidad del yacimiento hacia el pozo.

3.3.2 Pérdida de presión de salida del petróleo. Son dos factores importantes en el momento de explotación del yacimiento, ya que la presión a la que está confi nado el hidrocarburo representará el caudal y velocidad de recuperación de los fluidos, por lo que un simple cambio en estos repercutirá en los diseños de e xplotación del campo.

3.3.3 Contaminación del yacimiento. Conforme aumenta la producción de sólidos, estos se mezclan con los fluidos producidos generando cambios en sus propiedades físicas que dificultarán aún más las

labores de explotación.

3.3.4 Daños en los equipos de producción Conforme los granos de arena son producidos estos van dañando paulatinamente los equipos de producción. Debido a que con el flujo constante mantenido por la producción de los hidrocarburos, la arena, funciona como un material abrasivo que lentamente va corroyendo y erosionando los equipos hasta el punto de dejarlos obsoletos y tengan que ser reemplazados continuamente porque dañan el pozo y mantienen poca seguridad del equipo,inclusi ve al ambiente (Perea Martínez, 2005) (K. Ott & D. Woods, 2001). Cuando la velocidad de flujo es suficiente para trasportar los sólidos hasta la superficie, esta puede ser almacenada en los equipos superficiales. Esto representa un grave problema porque para restaurar la producción se debe cerrar el pozo y limpiar el equipo retirando la arena manualmente. Además si el separador es parcialmente lle nado con arena, se reduce la capacidad de controlar el petróleo lo que repercutirá en la rentabilidad del pozo.

3.3.5 Acumulación en el fondo del pozo Ocurre cuando la velocidad de producción no es suficiente para llevar los sólidos hasta superficie lo que provoca que se empiece a llenar el pozo por lo que el intervalo productor puede ser eventualmente cubierto con arena. Induciendo a q ue la recuperación del pozo decaiga paulatinamente hasta llegar a un punto en que se detenga la producción. Lo que resultará en i ntervenciones al pozo para retirar los sólidos depositados en el fondo que solo resultarán en una pérdida de producción y un aumento en los costos de mantenimiento.

3.3.6 Posibles colapsos en las tuberías de revestimiento Por el flujo constante de arena proveniente de la formación, se producen huecos o espacios en las cercanías del pozo, estos van generando cavernas que con el paso del tiempo pueden provocar que las tuberías de revestimiento colapsen propiciando con esto la pérdida del pozo (C hávez Sánchez G. , 2007). Los espacios derrumbados en la formación provocan además un cambio en la permeabilidad de la formación cercana al

pozo, muchas veces reduciéndola y por consiguiente un deterioro paulatino de la productividad del pozo.

4. PROBLEMAS CAUSADOS POR EL ARENAMIENTO EN EL POZO Es un hecho que la presencia de materiales contaminantes asociados a la producción industrial de aceite y gas provocan una serie de problemas en las op eraciones de explotación del petróleo, su efecto dañi no ha sido reconocido desde los inicios de la Ind ustria Petrolera. Estos problemas son ocasionados principalmente por arena, asfáltenos, corrosión, parafina, hidratos de hidrocarburos e incru...