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Diseño de la Perforación de Pozos Diseño de la Perforación de Pozos ÍNDICE página Aspectos Generales 7 Introducción 7 I. OBJETIVO DE LA PERFORACIÓN 7 Coordenadas del conductor y objetivo 7 Posición estructural 8 Profundidad total programada 9 Diámetro de la tubería de explotación 9 Preguntas y respu...

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Diseño de la Perforación de Pozos

Diseño de la Perforación de Pozos ÍNDICE

Aspectos Generales Introducción I. OBJETIVO DE LA PERFORACIÓN

página 7 7 7

Coordenadas del conductor y objetivo Posición estructural Profundidad total programada Diámetro de la tubería de explotación Preguntas y respuestas

7 8 9 9 11

II. COLUMNA GEOLÓGICA ESPERADA

11

Preguntas y respuestas

11

III. PROGRAMA DE TOMA DE INFORMACIÓN

11

Registros Núcleos Pruebas de producción Preguntas y respuestas

12 13 16 18

IV. RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN DE POZOS DE CORRELACIÓN

18

Registros geofísicos Registros de fluidos de perforación Historia de perforación Resumen de operaciones Distribución de tiempos Registro de barrenas Configuraciones estructurales

19 20 21 21 22 22 22

1

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Preguntas y respuestas

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V. DETERMINACIÓN DE LOS GRADIENTES DE PRESIÓN (FORMACIÓN Y FACTURA)

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Gradientes de formación y de fractura Conceptos fundamentales Presión hidrostática Presión de sobrecarga Presiones de formación Presión de fractura Proceso de compactación Ecuación de Eaton Origen de las presiones anormales Nivel piezométrico de fluido Características del sistema roca-fluido Ritmo de sedimentación y ambiente de depósito Actividad tectónica Efectos diagenéticos Represionamiento o recarga Fénomenos osmóticos y de filtración Efectos termodinámicos Metodología para determinar las presiones anormales Técnicas utilizadas antes de la perforación Interpretaciones sísmicas Interpretaciones geológicas Técnicas utilizadas durante la perforación Velocidad de penetración Momento de torsión aplicado a la tubería Carga soportada por el gancho al levantar la tubería Exponente “d” y “dc”

26 26 26 27 27 29 29 30 30 31 31 32 32 33 34 34 34 35 35 35 36 36 38 38 39

Presión de bombeo del lodo Incremento en el volumen de lodo Registros del lodo Incremento de recortes (volumen, forma y tamaño de recorte) Densidad de la lutita Porcentaje de montmorillonita Temperatura del lodo Paleontología Técnicas utilizadas después de la perforación Registro de inducción Registro sónico de porosidad

2

39 40 40 40 42 42 42 43 43 44 44 44

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ciones (por ejemplo, los límites de falla por tensión y compresión). Aplicación en campo Un análisis linealmente elástico, el cual utiliza unas ecuaciones relativamente sencillas, combinado con buenas estimaciones de parámetros in-situ y el criterio de falla adecuado, pueden bajo circunstancias geométricas apropiadas, proveer de una herramienta cuantitativa consistente para predecir la estabilidad del agujero. La adecuada determinación de esfuerzos, in-situ en un área, resulta en reducción de costos en las tuberías de revestimiento y cementaciones. Preguntas y respuestas 1 Cuáles son los principales requerimientos que se consideran en la elaboración de un proyecto horizontal y/o multilateral. 3. Qué consideraciones básicas se tienen para la perforación horizontal. 4. Enumere los métodos de perforación horizontal y las características principales de cada método. 5. Qué tipos de terminación son las más comunes en pozos horizontales. 6. Cuáles son las consideraciones especiales para evaluar la probabilidad de una reentrada. 7. Si tuviéramos un pozo con las siguientes características: Profundidad: 3500 m TR 16" a 800 m, densidad de lodo 1.10 gr/cc, ROP 15 m/hr. TR 10 ¾" a 2500 m, densidad de lodo 1.30 gr/cc, ROP 20 m/hr. Liner 7 5/8" de 2350 a 3500 m, densidad de lodo 1.65 gr/cc, ROP 20 m/hr. Empacador anclado a 3100 m. Aparejo de producción 3 ½"

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0.97 mmpcd de gas. Ha producido durante 6 años, la producción de agua es 4%, durante la toma de información se presentó un problema al quedarse la sonda y durante las operaciones de pesca se quedó más herramienta, sin lograr recuperarla en intervención con equipo. Proponga por lo menos 2 alternativas de solución desarrollando el programa operativo, días de intervención y estado mecánico final.

Registro de densidad Registro sónico dipolar Puntos para la graficación Tendencia normal de compactación Pruebas de integridad y de goteo Métodos de evaluación para la determinación de los gradientes de presión, de formación y fractura Determinación del gradiente de presión de formación Preguntas y respuestas Bibliografía

45 46 47 48 48 50 51 55 55

VI. SELECCIÓN DE LAS PROFUNDIDADES DE ASENTAMIENTO DE LAS TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO

55

Preguntas y respuestas

56

VII. SELECCIÓN DE LA GEOMETRÍA DEL POZO

57

Preguntas y respuestas

57

VIII. SELECCIÓN Y PROGRAMA DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN

57

Introducción Inestabilidad del agujero Estructura general de las arcillas Mecanismos de inestabilidad de las arcillas Hidratación Estabilización de la lutita Programa de fluidos de perforación Preguntas y respuestas

57 58 58 60 60 62 63 67

IX. DISEÑO DE LAS TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO

68

Introducción Tubería conductora Tubería superficial Tubería intermedia Tubería de explotación

68 68 68 69 69

El intervalo productor es 3280-3308 m, arena con espesor de 34 m, producción 1200 BPD de aceite y

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3

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Tubería de revestimiento corta (liners) Selección de las tuberías de revestimiento Esfuerzos de la tubería de revestimiento durante la introducción, cementación y posterior a la cementación Efecto de choque Efecto de cambio en la presión interna Efecto de cambio en la presión externa Efectos térmicos Efectos de flexión Estabilidad de la tubería Pandeo de las tuberías Preguntas y respuestas Bibliografía

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69 70 71 71 72 72 72 72 72 73 73 73

X. DISEÑO DE CEMENTACIÓN

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Cementación primaria Recomendaciones para cementaciones primarias Factores para mejorar el desplazamiento ¿Cómo mejorar la cementación de tuberías de revestimiento? Centradores Productos químicos Perfiles de velocidad y presión de desplazamiento Fuerza de arrastre y centralización de la tubería Fuerza de arrastre del lodo, resistencia del gel y erosión del lodo Mover la tubería durante el acondicionamiento del lodo y la cementación Acondicionar el lodo antes de la cementación Evitar reacciones adversas lodo-cemento Controlar los gastos de desplazamiento y la reología de las lechadas Preguntas y respuestas Bibliografía

73 74 75 75 75 76 77 77 78 78 79 79 79 80 80

XI. DISEÑO DE LAS SARTAS DE PERFORACIÓN

80

Objetivo Lastrabarrenas Estabilizadores Tubería pesada (H.W.) Tubería de perforación (T.P.) Procedimiento para un diseño de sarta de perforación Preguntas y respuestas

80 81 81 82 82 82 85

4

Para alcanzar un entendimiento más profundo de los factores que afectan la estabilidad, se deben exami-

Po= presión de poro Para un pozo horizontal: Sqmín =3SH-Sv-Pw-Po (50) Una revisión cuidadosa de las ecuaciones 49 y 50 revela que 3SH-Sv siempre será menor que 2SH para Sv>SH. Por lo tanto Sqmín, siempre será menor en un pozo horizontal que en uno vertical. Colapso Para el colapso se debe considerar Sqmáx. Conforme la inclinación se incrementa, Sqmáx se incrementa. Si Sqmáx excede la resistencia a la compresión de la roca en la pared el agujero, la pared del pozo se colapsará. La ecuación para Sqmáx es:

Fig. 192.- Reposicionamiento del agujero de una posición vertical a una horizontal, la pared del agujero está sujeta al más alto valor de esfuerzo.

nar varias de las expresiones matemáticas para esfuerzos en el agujero. Las ecuaciones presentadas están en su forma más simple y suponen que SH=Sh y Sv>SH. Efecto de la inclinación del agujero A una profundidad determinada, con esfuerzos in situ fijos, el esfuerzo tangencial (Sq) varía con respecto a la posición alrededor del pozo. Si la elipse de esfuerzos alrededor de la circunferencia de la pared del pozo pudiera ser medida a una profundidad determinada, se vería que existen un esfuerzo tangencial máximo Sqmáx y uno mínimo Sqmín. La localización de éstos depende del estado de esfuerzos in situ. Fractura Conforme la inclinación se incrementa, Sqmíndisminuye y cambia hacia un estado de tensión. Si esta tensión excede la resistencia a la tensión de la roca ocurrirá una fractura. Para un pozo vertical: Sqmín =2SH-Pw-Po donde: Pw= peso del lodo

(49)

Para un pozo vertical: Sqmáx= 2SH-Pw-Po

(51)

Para un pozo horizontal: Sqmáx= 3Sv-SH-Pw-Po

(52)

Revisando las ecuaciones 51 y 52, Sqmáx para un pozo horizontal será mayor, colocando la roca de la pared del agujero en un pozo horizontal bajo una carga compresiva mayor que en un pozo vertical. El único factor que puede ser modificado para reducir la compresión es el peso del lodo Pw. Teoría de estabilidad del agujero Como ya se ha visto, el determinar con precisión el rango de densidades del fluido de perforación para perforar sin que se presenten problemas de estabilidad es un aspecto muy importante durante la perforación de pozos horizontales y de alcance extendido. Por esto, es conveniente utilizar un modelo de estabilidad mecánica que se adecue a las condiciones generales de un campo determinado. Básicamente, cualquier modelo de estabilidad mecánica consta de un conjunto de ecuaciones constitutivas asociadas a un criterio de falla. Las ecuaciones constitutivas describen las propiedades de deformación de la formación y el criterio de falla determina los límites de las deforma-

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tos de sondeo y surgencia. Debido a la longitud del agujero, el sondeo y surgencia pueden ser significativos en pozos de alcance extendido. Alta densidad de circulación equivalente Debido a la longitud del agujero en un pozo de este tipo, una alta caída de presión en el espacio anular (con un rango de operación de densidad estrecho) puede incrementar la densidad de circulación equivalente, hasta llegar a fracturar. Los efectos de inclinación, azimut, tiempo, densidad y tipo del lodo, sondeo, surgencia y densidad de circulación equivalente, afectan los esfuerzos impuestos en el agujero y cuando éstos son mayores que la resistencia de la roca, el agujero falla mecánicamente. Esfuerzos contra Resistencia Los esfuerzos in situ pueden descomponerse matemáticamente en sus componentes principales: un esfuerzo de sobrecarga (Sv), un esfuerzo horizontal máximo (SH) y un esfuerzo horizontal mínimo (Sh), tal como se muestra en la Fig. 191. Para efectos de

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situ se distribuyen alrededor de la pared del agujero y se remueve el soporte provisto originalmente por la roca. Esos esfuerzos son: el radial efectivo (SR), actuando perpendicular al pozo, el tangencial (Sq), actuando alrededor de la circunferencia de la pared del pozo y el axial (Sz), actuando paralelo al eje del agujero. Un modelo matemático de mecánica de rocas puede ser utilizado para relacionar directamente SR, Sq y Sz con Sv, SH y Sh, así como la inclinación y el azimut del agujero, para determinar si estos esfuerzos pueden producir tensión o compresión. Resistencia de la roca La roca puede fallar por tensión o por compresión. La falla compresiva (colapso del agujero) ocurre cuando los esfuerzos compresivos impuestos a la roca exceden su resistencia uniaxial a la compresión. La falla por tensión (fractura del agujero) ocurre cuando Sq, se convierte en tensión y excede la resistencia a la tensión de la roca. La resistencia a la compresión puede determinarse sometiendo un núcleo a esfuerzos compresivos en una celda triaxial hasta que éste falle. La resistencia a la tensión, la cual es básicamente el esfuerzo requerido para separar la roca, puede también determinarse de muestras de roca o de pruebas de goteo. Los investigadores de mecánica de rocas han adoptado una convención, la compresión es positiva y la tensión es negativa.

Fig. 192. Esfuerzos In situ comparados con la resistencia de la roca.

simplificación, SH y Sh se consideran iguales. En una formación compacta estos son muy semejantes, aunque en una formación sometida a esfuerzos tectónicos éstos pueden diferir significantemente. Conforme el pozo es perforado, los esfuerzos in-

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Conceptualizar las fuerzas sobre la pared del agujero, es otra manera de entender la naturaleza de la inestabilidad sin tener que hacerlo a través de ecuaciones. Como se mencionó anteriormente, a medida que la inclinación del pozo se incrementa, el agujero es más sensible a la inestabilidad mecánica. Suponiendo que el esfuerzo de sobrecarga Sv, es mayor al esfuerzo horizontal SH (lo cual sucede en una formación compacta), el movimiento hacia una situación inestable a medida que se incrementa la inclinación es más fácil de entender. Como el pozo va de la vertical a la horizontal, la pared del agujero está sujeta al valor más alto del esfuerzo Sv (Fig. 192). Para contrarrestar este elevado nivel de esfuerzos, se debe incrementar la densidad del fluido de perforación.

XII. PROGRAMAS DE BARRENAS

90

Tipos de barrenas Factores para la selección de barrenas Tamaño de barrenas Determinación del costo por metro Preguntas y respuestas

90 90 90 91 92

XIII. PROGRAMA HIDRÁULICO Objetivo Factores involucrados Parámetros hidráulicos Impacto hidráulico Caballos de fuerza hidráulicos Velocidad del fluido de perforación en las toberas Velocidad anular Guía para la optimación hidráulica Recomendaciones para el diseño hidráulico Nomenclatura Preguntas y respuestas

92 92 92 93 93 93 93 93 93 94 97 98

XIV. TOMA DE INFORMACIÓN

100

Registros geofísicos Núcleos Preguntas y respuestas

100 102 102

XV. PERFORACIÓN DIRECCIONAL

102

Aspectos generales Planeación del proyecto direccional Cálculo de la trayectoria de un pozo direccional Aspectos de operación Nomenclatura Ejemplo de aplicación Bibliografía

102 109 121 127 137 137 142

XVI. PERFORACIÓN HORIZONTAL, MULTILATERAL Y DE ALCANCE EXTENDIDO Introducción Antecedentes Proceso multilateral

143 143 144 144

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Requisitos del sistema Selección del sistema-propuesta técnica Operaciones Vida útil de proceso Esquema operacional del estudio de factibilidad Selección de equipo Estudio de factibilidad de perforación Perforación horizontal y multilateral Objetivo Consideraciones básicas dentro de la perforación horizontal Diseño de las tuberías de revestimiento Métodos de perforación horizontal Aplicaciones Caracterización de yacimientos Caracterización del campo Santuario Análisis comparativo entre pozos horizontales, verticales y desviados Proyecto de reentradas en campos de la División Sur Proyecto multilateral del pozo santuario 28-H Objetivo Predicción de la producción Análisis económico Alcances de la producción Conclusiones Perforación de alcance extendido Aplicación en campo Preguntas y respuestas

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145 145 146 146 146 146 146 147 147 151 153 154 162 164 167 173 174 176 176 187 187 192 192 194 209 210

Si el pozo tiene un ritmo de incremento relativamente bajo (1 a 3°/100 pies) y un ángulo tal que la tensión sea mínima, no se puede esperar que el desgaste sea un problema potencial. Sin embargo, los beneficios de tener bajos ritmos de incremento y una tensión reducida en la sarta de perforación pueden disminuire por la práctica de repasar el agujero para mantenerlo limpio. El repasar maximiza la tensión y las fuerzas en la pared del agujero a través de la sección de incremento al mismo tiempo que la sarta gira. La figura 190 compara la tensión superficial mientras se perfora con la tensión generada cuando se repasa en un agujero de 12 1/4" a 21mil 200 pies de profundidad desarrollada. En este ejemplo, el punto de inicio de desviación está a 1,000 pies y el pozo tiene un ritmo de incremento de 2°/100 pies a un ángulo de 75°, con una profundidad de 5 mil 300 pies. La tensión en ambos casos fue calculada utilizando un programa comercial, el cual está basado en un modelo de torque y arrastre. La tensión es suficiente para causar un problema por desgaste dependiendo del tiempo que se prolongue la operación de repasar, de la abrasividad del lodo y del tipo de bandas en las juntas. Por esto, es necesario considerar los efectos de desgaste al repasar y si es el caso, se debe considerar el uso de protectores de hule para las tuberías y bandas

La inestabilidad del pozo se manifiesta como fallas por compresión (derrumbes) cuando la presión hidrostática del fluido de perforación es insuficiente para mantener la integridad del agujero y como fallas por tensión (fracturas), cuando la presión hidrostática del fluido es excesiva. La cuantificación del rango de densidades para una operación segura, requiere del conocimiento de los esfuerzos in situ del campo, el comportamiento mecánico de la formación y la magnitud de la presión formación. Estrecho rango de operación En general, conforme la inclinación del agujero se incrementa a través de formaciones de lutita principalmente, se necesita una densidad del fluido de perforación mayor para prevenir el colapso del agujero. Al mismo tiempo, el gradiente de fractura se mantiene o decrece. En otras palabras, se estrecha el rango de operación de densidad del lodo, entre el gradiente de fractura y la presión de poro. Dependencia del tiempo

Operación Perforando con rotación Sacando con rotación (repasar)

Tensión Klb Porcentaje de incremento 116

-

231

100

no abrasivas en las juntas de la tubería dentro del agujero ademado. Estabilidad mecánica de pozos Hasta 1940, los expertos entendían que los esfuerzos en la pared del agujero, podrían en algunos casos, exceder la resistencia de la roca y esto traducirse en la inestabilidad del agujero. En 1979, un modelo matemático demostró que conforme se incrementa la inclinación del pozo se requiere una densidad del lodo mayor para prevenir el colapso. Desde mediados de los 80, los expertos identificaban la inestabilidad del pozo como crítica para el

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éxito de un pozo de alcance extendido.

Debido a que las secciones de un pozo tienden a ser mayores y requieren de mayor cuidado para mantenerlas libres de recortes, se emplea más tiempo de perforación en comparación con un pozo vertical o con baja inclinación. Por lo tanto, existe una mayor oportunidad para que la lutita del pozo se hidrate cuando se emplea un lodo base agua. La hidratación incrementa el contenido de agua en la roca, el cual afecta los esfuerzos en la cercanía de la pared del pozo y reduce la resistencia. Esto no ocurre usualmente con un fluido base aceite, ya que éste no penetra en los espacios porosos a menos que la densidad del lodo esté inusualmente sobrebalanceada. Intolerancia a la surgencia y sondeo Si el rango de operación de densidad del fluido de perforación es estrecho, debe existir una pequeña tolerancia en la densidad del lodo asociada a los efec-

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ción a los cuales fueron construidas las curvas respectivas. Limpieza del agujero La limpieza del agujero es un elemento muy importante en la perforación de pozos de alcance extendido con altas inclinaciones y grandes desplazamientos. Cuando se le aplica rotación a la tubería de perforación, los recortes son agitados dentro ...