06 - agentes de sostén

8/10/2019 06 - Agentes de Sostn

1/39

1

Nomenclatura:

LWD Light Weight CeramicIDC Intermediate Density Ceramic

HSB Hiigh Strength Bauxite

ISP Intermediate Strength Proppant

HSP High Strength Proppant

MPD Median Particule Diameter

ver SPE 119242 - 119143


2/39

2

Segn los autores de lengua espaol se utilizan las diferentes expresiones:

Agente de sostn Agente apuntalante

proppante


3/39

El sensor ms utilizado para medir la densidad de un fluido es un densitmetro radioactivo.

Conociendo la densidad de la mezcla y la densidad de cada uno de los dos componentes

liquido y solido se puede calcular la concentracin de agente de sostn en la fase liquida.

En sistema americano la densidad de un fluido o de una lechada es expresada en libras por

galones y es abreviada ppg(pound per galon).

La concentracin represente la masa (libras) de agente de sostn agregada a un volumen de

liquido (un galn). Segn la compaa de servicios (y/o el ingeniero de turno) la concentracin

ser abreviada como:

ppa pound proppant added

ppg pound per galon (lo que puede confundir con una densidad)

lpa libras proppant agregado (una traduccin de ppa)

En el DFW, base de datos oficial de YPF escrita por Halliburton, se utiliza ppg tanto parta

densidad como para concentracin.

3


4/39

En lugar de hablar de ancho de fractura se suele hablar de la cantidad de agente de sostn

por pie2,o sea se habla de concentracin real.

Eso era satisfactorio cuando el nico agente de sostn era arena. Hoy si queremos hacer una

comparacin de conductividad de fractura con dos agente de sostn de diferentes densidad

se debe comparar de fracturas de mismo ancho o sea con concentraciones areales

diferentes.

4


5/39

5

Al momento de producir el pozo uno debe asegurarse que la presin de confinamiento a la

cual ser sometido el agente de sostn no ser en algn momento de la vida del pozo mayor

que la presin por la cual fue diseado el agente de sostn. O sea la presin de la fase

liquida alrededor del grano no deber ser reducida por debajo de un cierto valor. En caso

contrario esto podra resultar en una disminucin de la conductividad en la cercana al pozo.

En la cercana del pozo (NWB) la presin de la fase liquida es la misma presin de

produccin (BHFP).

En casos donde los pozos son producidos por bombeo, BHFP puede ser considerado cero y

Pconfinamiento = (FG x profundidad)


6/39

6

En la foto de la izquierda vemos una muestra de arena convencional de buena calidad antes

de ensayarla. En la foto de la derecha vemos como quedo esta muestra despus de

someterla a una presin de confinamiento excesiva (10.000 psi). Las partculas chicas

resultan de la rotura de los granos de arena. Pueden taponar parcialmente o totalmente el

empaquetamiento de arena reduciendo la conductividad de la fractura.

No todos los materiales rompen de la misma manera. Los granos de arena rompen en

muchas partculas finas como en la fotos, pero los agente de sostn sintticos tienen

tendencia en romperse en menos partculas ms grandes.


7/39

7

La permeabilidad de la fractura es funcin del tipo de agente de sostn, de la concentracin

alcanzada dentro de la fractura (lb/pie2) luego del cierre, de la temperatura del reservorio, de

la presin de cierre, de la dureza de la formacin (E), de la cantidad de finos, de la calidad del

gel utilizado (cantidad de residuo dejado en la fractura), etc. ...

Sera ms conveniente hablar de ancho de fractura y no de concentracin en lb/pie2ya que

por una misma concentracin el ancho depender de la gravedad especifica del material.

Este termino viene del comienzo de las fracturas cuando el nico agente de sostn disponible

era el arena, pero la costumbre quedo y el termino es todava muy utilizado.


8/39

8


9/39

9

Arena

Arenas blancas: Unimin, Badger. Son consideradas las mejores arenas en el mercadopero hay problemas de produccin. Tienen mejores esfericidad/redondez y mejores

resistencia a la compresin que otras arenas.

Arenas marones: Brady, Texas, Norton. Son de menor calidad y se rompen ms

fcilmente debido a la presin de confinamiento.

Cermicas

La empresa CarboCeramics fabrica varias calidad de cermicas, agentes de sostn casi

esfricos: Carboprop, Carbolite, Econoprop. Son de mayor resistencia y mayor densidad

que las arenas. El costo es tambin mayor.

Sintex (Curimbaba) fabrica unas bauxitas livianas que compiten en calidad con las

cermicas: Sinterlite, Extralite:Bauxita

es un agente de sostn para alta presin. Su uso es reducido por su alto costo, y por su alta

densidad.

Arena resinada

Resina pre curada : tiene mejor resistencia que un arena convencional.

Resina curable : la resina es activada por efecto de temperatura o por un catalizador, y

se endurece en la formacin ligando los granos de arena y haciendo un tipo de filtro

dentro la fractura. Es un sistema caro y operativamente delicado.

Agentes de sostn livianos

Hoy se esta desarrollando unos nuevos agentes de sostn de baja densidad (SG


10/39

Los ensayos para controles de calidad son meramente comparativos entre diferentes agentes

de sostn o partidas, pero no representen las condiciones a las cuales estos sern sometidos

en fondo de pozo.

Las normas API RP-19C (ISO-13503-2) y API RP-19D (ISO-13503-5) reemplazan las normas

anteriores API RP-56, API RP-58, API RP-60 y API RP-61.

Ver normas:

API RP-56 control de calidad de las arenas de fractura

API RP-58 control de calidad de las arenas para engravado (gravel pack)

API RP-60 control de calidad de los agentes de sostn HSP

API RP-61 conductividad de los agentes de sostn

ISO-13503-2 control de calidad de los agentes de sostn

ISO-13503-5 conductividad de los agentes de sostn

10


11/39

El agente de sostn es transportado en bolsones (1.5 tonelada: 3300 lb) o a granel (camiones

de 23 toneladas: 50000 lb; wagones de 90 toneladas: 198000 lb). En estos movimientos hay

segregacin de granos finos y gruesos, por lo tanto una muestra tomada incorrectamente

puede no se representativa.

SPE 103623

11


12/39


13/39

13

Cada malla (ie: 20/40) es definida por un tamiz ms grueso (ie: 20) y uno ms fino (ie: 40).

Adems API define una serie de tamices intermedios, as como uno mayor y uno menor.

Un agente de sostn cumple la norma cuando:

90% debe pasar por la malla gruesa y retenida en la malla fina.

Menos de 0.1% debe quedar en la malla anterior a la gruesa.

Menos de 1.0% debe pasar la malla siguiente a la fina.

O sea, por una 20/40, 90% debe pasar la malla 20 y retenido sobre la 40. menos de 0.1%

puede quedar sobre la 16, y menos de 1.0% puede pasar la 50.

ISO 13503-2 (2006)/ Amend 1 (2009)


14/39

Cuando se compare varios muestras de un tipo de agente de sostn pero con distribuciones

diferentes dentro del rango API, o sea varias arenas 20/40, se observa una variacin en la

conductividad final.

Por eso para cada agente de sostn, adems de la especificacin de la malla (ie: 20/40) se

requiere determinar el dimetro promedio (dav). Este valor ser utilizado por los simuladores

para definir el ancho mnimo necesario para fluir una lechada con este agente de sostn, y

tambin deber ser utilizado para verificar que el dimetro de los punzados es adecuado para

las concentraciones diseados.

ddimetro promedio de cada malla utilizada.

nmasa o porcentaje retenido en cada malla

SPE 90562

14


15/39

La norma API/ISO define un rango amplio por cada granulometra. Dos agentes de sostn

que cumplen la norma para una misma granulometra pueden ser a simple vista de granos

ms gruesos o ms finos.

Aqu vemos un ejemplo de 5 agentes de sostn, de los cuales dos arenas de origen

americanaBrady y Unimin tienen una reparticin muy diferente.

malla.xls

15


16/39

16

Mayor es el tamao de los granos de agente de sostn (mayor tamao de malla) menor es su

resistencia a la presin de confinamiento. En consecuencia a mayor profundidad se deber

utilizar un agente de sostn de menor malla.

Aqu vemos ensayos comparativo hechos en Stimlab que demuestran el efecto de la

granulometra y de la presin sobre una arena blanca, marca Unimin. Se ve que a una

presin superior a los 4000 psi el arena ha perdido demasiado su conductividad. Esta presin

de confinamiento deber ser tomado en cuanta para la eleccin del tipo de agente de sostn.


17/39

17

Segn la forma promedia de los granos el empaque, una vez compactado, tendr una mayor

o menor conductividad. Por normas (ISO 13503-2 Anexe B) las arenas naturales deben tener

una redondez y esfericidad superior a 0.6, y los agente de sostn sinttico mayor a 0.7.

Esfericidad: representa el grado de comparacin entre la forma de los granos de arena y una

esfera.

Redondez: mide si las diferentes facetas de los granos se juntan de manera redondeada o

no.


18/39

La norma recomiende trabajar a una temperatura de 150F, pero se puede ensayar a mayor

temperatura si se sabe que el agente de sostn ser sometido a cido a mayor temperatura.

18


19/39

19


20/39

20


21/39

Las condiciones del ensayos son:

Pistn de 3.5de longitud con un dimetro de 2 Volumen de agente de sostn: equivalente a 4 lb/pie2de arena20/40 (24.7 cm3). La

mayora de las fracturas convencionales tienen una concentracin inferior a los 2

lb/pie2.

Se utiliza solo los granos que estn dentro de las especificacin, o sea para una malla

20/40 solo los granos que pasen por la malla 20 y son retenidos sobre la malla 40.

Para el resultado se considere como finos las partculas que pasen por el tamiz ms fino: ie.:

para un 20/40 se considera solo las partculas que pasen la malla 40 sin tomar en cuenta las

partculas mayores.

Los granos de cuarzo tienen tendencia a romperse en muchas partculas finas (como hara el

vidrio) pero los sintticos tienen tendencia en romperse en fragmentos ms gruesos entonces

mismo si se rompe la misma cantidad de granos una arena (cuarzo) en romperse en ms

fragmentos mostrar una menor resistencia a la compresin (ms finos).

No es un ensayo valido para agente de sostn resinado ya que la resina impide que los finos

se liberan y pase el tamiz.

SPE 119242

21


22/39

Los ensayos de conductividad se hacen aplicando la norma API RP-19D: ISO 13503-5

(Identical), Part 5: Proceduresfor measuring the long-term conductivity of proppants.

La norma especifica: Cuidado: el procedimiento de ensayo descripto en esta publicacin no

est diseado para proveer valores absolutas de la conductividad de los agentes de sostn

en condiciones de reservorio.

Se utiliza un empaque con un ancho equivalente a 2 lb/pie2de arena.

El ensayo se hace en condiciones de flujo laminar ya que permite una mayor repetitividad.

Los valores reales en condiciones de fondo pueden ser varias veces (50 1000) menores

que los valores publicados por las compaas proveedores.

23


23/39

Oilfield Autumn 2011

24


24/39

25

Estos son resultados de ensayos hechos por el laboratorio independiente Stimlab. Para el

ensayo se puse agente de sostn (arena blanca 12/20, marca Unimin) entre dos bloques de

arena de formacin normalizada. La concentracin del agente de sostn es en lb/pie2,

bombeando agua con 2% KCl. Se hacen normalmente a varias concentraciones areales, lo

que represente el ancho de la fractura. Estos ensayos permiten tomar en consideracin el

efecto de empotramiento y de resistencia a la compresin en condiciones de laboratorio.

Segn el proveedor este tipo de ensayo es graficado con conductividad (w*k en mD-pie) o

permeabilidad del empaque (mD) versus presin de confinamiento. Para una mejor

comparacin es mejor utilizar siempre conductividad.

En condiciones de fondo la permeabilidad final del agente de sostn ser menor debido al

dao residual que deja el gel dentro de la fractura. Este dao es dependiente de la calidad del

gelificante, la cantidad y calidad de ruptor utilizados, ...

Adems debido a condiciones como rotura de los granos, disolucin, migracin de finos la

conductividad cambia tambin en funcin del tiempo. Pruebas de flujo/no flujo, para simular

periodos de pozo cerrado, mostraron reducciones severas de conductividad.


25/39

El ensayo de conductividad es un ensayo que requiere mucho tiempo de laboratorio. Por lo

tanto no es practica para ensayos de rutina para control de calidad.

Sin embargo es el ensayo ms representativo de las condiciones de fondo. Pero como

podemos ver en este grfico donde se ensayaron tres agentes de sostn diferentes no hay

una relacin entre el ensayo rpido de resistencia a la compresin y el ensayo de

conductividad.

SPE-119242

26


26/39

Segn la norma el ensayo de conductividad se hace entre dos placas de arenas con las caras

cortadas y lisas (Ohio sand). Una fractura real no es as.

En estos ensayos se rompi la muestra de formacin y por lo tanto las caras no son

perfectamente lisas. En un primero ensayo (1) se testeo la conductividad de una fractura sin

agente de sostn y cuidando que las dos caras de la fractura bien enfrentadas. Se observ

una ligera conductividad inicial, la cual desapareci rpidamente con el confinamiento. Se

repiti el ensayo (2) pero desplazando muy poco las dos caras una de la otra para que no

sellan completamente y se observo una mayor conductividad.

Luego se repite los dos ensayos (3 a 6) pero con dos agentes de sostn diferentes. Si bien

hay una mejor cuando las dos caras de la fracturas son ligeramente desplazadas, la mayor

conductividad se debe al agente de sostn.

SPE 74138

27


27/39

28

El efecto del estrs efectivo aplicado desde la cara de la formacin sobre los granos del

agente de sostn hace que los granos de las capas exteriores tienen tendencia a incrustarse

dentro la formacin. La profundidad de la penetracin depender de las propiedades

mecnicas de la roca (Young, Brinel) y puede llegar hasta un dimetro del grano del agente

de sostn de cada lado del empaque, lo que reduce la conductividad de la fractura. Este

fenmeno se llame empotramiento(embedment).

El empotramiento depende tambin de la granulometra del agente de sostn.

Concentracin de agente de sostn en lb/pie2

Cp= 5.2 (1 - p)w

: gravedad especifica del agente de sostn

p: porosidad del empaque (fraccin)

w : ancho empaquetado (pul)

Ancho perdido por empotramiento

Para esfuerzo efectivo > 2000 psi

We= Dp(0.8128 - 0.4191 lnE)

Dp: dimetro promedio del agente de sostn (pul),

E : modulo de Young (en psi * E6)

Wemax 1.5Dp

Para esfuerzo efectivo < 2000 psi

empotramiento 0.5 We


28/39

29

Adems del empotramiento, y principalmente en formaciones pocas o no consolidadas, existe

otro efecto que dao el empaque: efecto de extrusado (spalling).

Cuando se cierre la fractura por el efecto de confinamiento los granos de agente de sostn de

las capas exteriores del empaque tienen tendencia en empotrarse dentro de la misma roca

tomando el lugar de granos finos a muy finos, o sea extrusandolos. Este material genera finos

libres de moverse dentro del empaque reduciendo aun ms la conductividad.

Este efecto se adiciona al efecto de empotramiento, y es consecuencia del. Se puede estimar

el spallingen funcin del tamao de los granos de la formacin y de los granos del agente

de sostn. No es considerado en los simuladores.

SPE-137141


29/39

30

Hay dos tipos de arenas resinadas, arena curable y arena precurada.

Agentes de sostn curables: La resina se inyecta junto con un activador y termina de

endurecer bajo presin y temperatura una vez dentro de la fractura. Tiene por efecto de pegar

unos a otros los granos de arena e impedir su movimiento ulterior.

Agentes de sostn pre-curados: estos son recubiertos en planta con una resina precurada

(o sea resina ya endurecida).

En ambos casos la pelcula de resina (10 a 15 m) tiene por efecto de mejorar la resistencia

del agente de sostn. las razones son:

La resina permite tener una mejor distribucin de los esfuerzos, evitando las

concentraciones puntuales entre granos.

El ensayo de resistencia a la compresin considera como finos solo a los granos que

pasen a travs del tamiz ms fino. Como parte de los finos quedan atrapado en el

film de resina no pasan en el tamiz, sin embargo los granos son rotos.


30/39

Cuando se empez a utilizar slickwater como fluido de fractura se amplific el problema de la

decantacin del agente de sostn dentro de la fractura. No olvidemos que la idea es obtener

un empaque homogneo a lo largo y alto de las fracturas.

Para minimizar este efecto varias empresas de servicios o de productos estn desarrollando

agentes de sostn sintticos ms livianos que los previamente existentes y podemos

considerar como agente de sostn liviano los que tienen una gravedad especifica menor a la

de las arenas, o sea menor a 2.65.

Algunos productos comerciales:

Baker-BJ: LiteProp

Halliburton: MonoProp

FracBlack HT

31


31/39

En operaciones de fracturas mltiples es interesante poder verificar luego de limpiar el pozo

si el agente de sostn est en todos los intervalos de inters. Para eso se estn diseado

unas nuevas tecnologas donde un material que no es radioactivo en condiciones normales

(almacenamiento, bombeo, produccin) puede ser activado por la presencia cerca de una

fuente radioactiva (neutrn). La vida media es de solo unos minutos versus ms de 60 das

de los trazadores radioactivos tradicionales.

Eso significa que no es peligroso para el medio ambiente.

Agentes de sostn comerciales:

CarboCeramics: CarboNRT

Hexion: PropTrac

32


32/39

33

La seleccin de un agente de sostn depender de varios factores, adems de la

disponibilidad en el momento de realizar la operacin.


33/39

34

Aqu se comparan tres tipos de agente de sostn de misma granulometra:

Arena blanca, marca Badger (material natural)Carbolite: cermica, material artificial de resistencia intermedia con una muy buena redondez

y esfericidad.

Bauxita: material artificial de alta resistencia con una muy buena redondez y esfericidad.


34/39

Los ensayos de conductividad realizados segn la norma anterior (API RP 61) eran siempre

de corta duracin (2 hr). Como se trabaja cada vez ms en reservorios profundos con alta

temperatura y alta presin se empez a hacer estudios bajo estas condiciones y de mayor

duracin (150 hr).

En ensayos realizados bajo condiciones extremas(400F/204C 10000 psi/700 kg/cm2) se

pudo observar algunas reacciones de disolucin/re-precipitacin del agente de sostn en los

puntos de concentracin de estreses.

En las condiciones ms desfavorables que tenemos hoy en Argentina no hay problema de

diagnesis. Pero s puede tener algunas precipitacin sobre los granos del agente de sostn

de material en solucin en el agua de formacin, lo que por supuesto reducir la porosidad y

permeabilidad del empaque.

Por efecto de oxidacin, no de diagnesis, se observa siempre una reduccin de la

resistencia a la compresin de todoslos agentes de sostn.

SPE 160885, 139875

35


35/39

Las necesidades operativas de produccin obligan a cerrar peridicamente los pozos o a

cambiar sus regmenes de flujo. Eso se siente en la fractura como cambios en la presin

poral y por ende cambios en los estreses efectivos sobre los granos de agente de sostn.

Estos cambios de estreses generan reacomodamiento de los granos, los cuales han perdido

con el tiempo parte de su resistencia a la compresin. En consecuencia hay incremento de

finos y reduccin de la permeabilidad del empaque.

SPE106365 16912 19091 - 118929

36


36/39

Basndose en estudios de conductividad realizados entre dos placas metlicas y baja presin

de confinamiento se obtiene grficos de conductividad vs. concentracin areal como este.

Mirndolo se podra concluir que el ptimo sera conseguir una distribucin aleatoria de los

granos sin que estos se tocan. Algo difcil de hacer en el campo.

Cuando se empez a fracturar con slickwater en Barnett, una formacin con alto ndice Brinell

y baja presin de confinamiento, algunas empresas trataron de revivir la idea del parcial

monolayer. Sin embargo es inviable cerca del pozo donde el estrs efectivo es mximo, y no

se conseguir lejos del pozo a menos de utilizar un agente de sostn de gravedad especifica

similar a la del agua.

37


37/39

38

Para que el agente de sostn pueda moverse dentro de la fractura, se considera que la

fractura debe tener un ancho hidrulico de por lo menos 2 el dimetro mximo del agente

utilizado. O sea el ancho hidrulico mnimo requerido ser mayor para un arena 12-20 que

para un arena 20-40.


38/39

39

Wuesbeck y Collins determinaron en 1978 una relacin entre el dimetro mnimo del punzado

y el dimetro promedio del agente de sostn. Para concentraciones superior a 6 ppa el

dimetro mnimo de los punzados debe ser por lo menos 6 veces el dimetro del agente de

sostn.

Por seguridad se recomiende considerar un dimetro de agujero equivalente a 6 veces el

dimetro mximo del agente de sostn, o 8 veces el dimetro promedio del agente de

sostn.

SPE 7006


39/39

06 - agentes de sostén

Documents