7 - fluidos de fractura

8/19/2019 7 - Fluidos de Fractura

1/46

TALLER DE FRACTURA HIDRAULICA

INGENIERIA Y GEOCIENCIAS, S.A. DE C.V. 1

Ingenieria & Geociencias, S.A. de C.V. 1

Fluidos de Fractura

Ingeniería y Geociencias, S.A. de C.V.


2/46




Requerimientos de un

Fluido de Fractura

• Compatibilidad con el fluido y la roca de la formación

• Viscosidad – Determina el transporte de apuntalante – Controla la Presion Neta (PNET) – Determina la Geometría de Fractura (Ancho)

• Fricción – Un coeficiente bajo de fricción disminuye la presión de

tratamiento.

REQUERIMIENTOS DE UN FLUIDO DE FRACTURA:

Los fluidos de fractura deben cumplimentar con los siguientes requerimientos:

Viscosidad: Un factor importante para crear una buena fractura y transportar efectivamente alapuntalanteEficiencia: Un buen fluido debe ser capaz de mantener abierta la fractura el tiempo suficiente comopara colocar todo el apuntalante dentro de la misma. Para ello debe exhibir un bajo coeficiente defiltrado hacia la formación.Compatibilidad: El fluido debe ser compatible con ambos, la roca del reservorio y los fluidos contenidosen el mismo. Eso prevendrá problemas posteriores que dañan la fractura como el hinchamiento ymigración de arcillas, las emulsiones y los bloqueos de agua por cambio de mojabilidad.Estabilidad: El fluido debe mantener sus características reológicas a temperatura de reservorio eltiempo suficiente para completar el tratamiento. Debe también exhibir una degradación mínima debido alesfuerzo de corte durante la colocación del apuntalante.Baja Caída por Fricción: Su coeficiente de fricción debe ser lo más bajo posible para minimizar lapotencia hidráulica de bombas necesarias para colocarlo durante la fractura.Rompimiento y Limpieza: Una vez colocado el apuntalante y finalizada la fractura, la viscosidad debedegradarse hasta alcanzar niveles suficientemente bajos –cercanos a los del fluido base, agua, porejemplo- de tal manera que pueda ser fluido y retornado rapidamente. La limpieza es muy importantepara minimizar el daño dentro del empaquetado de la fractura.Económico: El fluido debe ser económicamente eficiente y viable.


3/46




Requerimientos de un

Fluido de Fractura

• Control de Filtrado – Adecuado diseño de la fractura – Determina la Geometría de fractura (Eficiencia)

• Fácil de quebrar – Adecuada fluencia del pozo

– Limpieza de la fractura (Permeabilidad de la Fractura)

• Económico; mezclado y eliminación faciles – Fácilmente eliminable y mezclable – Buena relación costo/beneficio

FLUIDOS DE FRACTURA:

El fluido de fractura es un componente crítico de un tratamiento de fractura hidráulica. Sus principalesfunciones son:

• Abrir la roca• Crear y propagar la fractura• Transportar el apuntalante a lo largo de la fractura• Distribuir el apuntalante uniformemente a través del ancho de la misma en el momento del

cierre de la formaciónConsecuentemente, se considera que la viscosidad del fluido es su característica más importante. No

obstante, una fractura exitosa también requiere que el fluido tenga otras propiedades especiales, talescomo:

• Bajo coeficiente de fricción.• Buen control de filtrado• Un rompimiento adecuado de la viscosidad una vez colocado el apuntalante.• Limpieza, que deje solamente un mínimo de residuos dentro de la fractura• Económicamente eficiente.• Fácil de manipular y mezclar.• El fluido remanente y recuperado debe ser facilmente eliminado (Protección al Medio Ambiente)

Desde que los reservorios a ser estimulados varían marcadamente en temperatura, permeabilidad,composición de la roca y presión poral, se desarrollaron muchos tipos de fluidos para adecurlos a lascondiciones particulares de cada yacimiento. Los primeros fluidos de fracturas fueron base aceite, e

incluso aun hoy se utiliza aceite como fluido de fractura. Al final de la década de los 50 se comenzaron adesarrollar fluidos base agua que usaban Goma Guar como viscosificante. El primer tratamiento confluido reticulado se llevo a cabo en 1969. Actualmente, solo el 5% de los tratamientos son realizadoscon fluidos base aceite.Debido a las dificultades encontradas durante el período de limpieza de la fractura, en los 70 secomenzó a utilizar un polímero más limpio como viscosificante, el hydroxypropylguar (HPG). Hoy el 70%de los tratamientos base agua se gelifican con este polímero.

Actualmente se han comenzado a desarrollar fluidos mucho más limpios y fáciles de mezclar, cuyoagente viscosificante no es un polímero, sino un surfactante especial, que le da unas característicasreológicas especiales al fluido. Esto fluidos se llaman viscoelásticos.También se han desarrollado diferentes aditivos para compatibilizar el fluido a ambos, la roca y el fluidocontenidos en el reservorio.


4/46




Tipos de Fluidos de Fractura

• Base Agua – Geles lineales – Geles reticulados (Croslinkeados)

• Base Petróleo

• Multifase o Espumas – Espumas de N2 y CO2 – Espumas binarias

• Surfactantes Viscoelásticos – Fluidos de fractura no-poliméricos

TIPOS DE FLUIDO DE FRACTURA:

Los fluidos base agua son los más utilizados. Aproximadamente el 70% de los tratamientos actuales serealizan con ellos.

Los fluidos base aceite son utilizados en el 5% de los casos. Mientras que el resto, especialmente losmultifase se usan en el 25% restante.

En años recientes se comenzó a utilizar fluidos viscoelásticos no-poliméricos que usan surfactantes

especiales para dar condiciones reológicas al mismo.


5/46




µ1 µ2

F / τ

µ1 < µ2

F / τ

u2

u1

y y

u3

u1

u3 < u2

γ

γ

Viscosidad del

Fluido de FracturaViscosidad:

Es la resistencia del fluido a fluir o deformarse

VISCOSIDAD DEL FLUIDO:

La Viscosidad (µ) es una característica de un fluido que mide la resistencia del mismo a moverse (fluir)o deformarse.

Cualquier fluido sujeto a una fuerza externa (F o τ), sobre una distancia ∆y, responde con un cambio ensu velocidad (u). Este cambio de velocidad varía con la distancia en forma proporcional. Esa relaciónentre la distancia y la variación de velocidad es llamada “Velocidad de Corte o de Deformación” (Shearrate).

Un fluido con una viscosidad alta va a exhibir una deformación menor, cuando esté sometido a las

mismas condiciones de carga (Shear Stress).


6/46




Deformación (γ)

E s f u e r z o d e C o r t e ( )

.

Plástico deBingham

Ley dePotencia

Newtonianos

Dilatantes

Lodos dePerforación

Fluidos deFractura

Agua

Sangre

Modelos Reológicos

'' n y k γ τ τ +=

MODELOS REOLOGICOS:

La Ciencia que estudia el comportameinto de los fluidos en movimiento se llama “Mecànica de Fluidos”.La Reología es aquella parte de esta ciencia que se dedica a medir los parámetros de dichos fluidos.

Así, basados en sus características dinámicas, los fluidos se pueden dividir en varios MODELOSREOLOGICOS. Estos son modelos matemáticos que no hacen otra cosa que simular y preveer –dentrode ciertas limitaciones- el comportamiento de cualquier fluido bajo condiciones de carga dinámicas, esdecir, en movimiento.Su comportamiento puede volcarse en gráficos de fuerza aplicada vs. velocidad (o deformacion)inducida. La forma de la curva resultante nos permitirá clasificar al fluido dentro de un determinadomodelo matemático.

La viscosidad aparente del fluido (µa) es la pendiente de la curva en un punto determinado por lascondiciones de carga. Normalmente, cualquier fluido puede ser caracterizado con el Modelo deHerschley-Buckeley:

'' n y k γ τ τ +=

Donde τy = Punto de Cedenciak’ = Indice de Consistencian’ = Indice de Comportamiento o Exponente reológico

Se pueden clasificar los fluidos basados en sus diferentes valores de τy; k’ y n’.Fluidos NewtonianosSe caracterizan por un comportamiento lineal ya que su viscosidad es contante e independiente de lacondición de carga. Su curva reológica es una recta de pendiente constante positiva que pasa por el

origen. El valor de esa pendiente es la viscosidad. Los valores característicos de esta modelo son τy = 0y n’ = 1


7/46



Fluidos Ley de Potencia o Potenciales:En este modelo, la viscosidad del fluido disminuye cuando se incrementa la deformación. En este caso

τy = 0 y n’ < 1. La gran mayoríaa de fluidos de fractura son descriptos adecuadamente por este modeloreológico.

Fluidos Dilatantes: Al contrario que en Modelo Potencial, la viscosidad del fluido se incrementa cuando se incrementa la

deformación. En este caso, τy = 0 y n’ > 1. Muy pocos fluidos, como la sangre y los lodos cloacales(Aguas negras), son caracterizados por este modelo.

Fluido Plásticos de Bingham o Pseudo-plásticos:Estos fluidos requieren de un esfuerzo inicial para comenzar a deformar o mover el fluido. Estos fluidos

se caracterizan por τy > 0 y n’ < 1. Un ejemplo simple es la miel. Las lechadas de cemento usadas en laindustria petrolera son caracterizadas, en su gran mayoría, por este modelo.


8/46




L o g E s f u e r z o d e C o r t e ( )

Log Deformación (γ

).

K’ Pendiente = n’

τ = K’ γ n’

Parámetros Reológicos

Ecuación del Modelo Potencial

PARAMETROS REOLOGICOS:

Los fluidos de fractura son usualmente descriptos por el Modelo Ley de Potencia o Potencial. En talcaso, el gráfico de su comportamiento volcado en un papel log-log, muestra una línea recta dependiente positiva que cruza al origen en un punto no igual a cero.

Dicha intersección describe el Coeficiente de Consistencia (k’) y la pendiente de la línea recta es elIndice de Comportameinto (n’).

Estas curvas se generan mediante un ensayo especial de laboratorio que utiliza un aparato llamadoViscosímetro.


9/46




0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Exposure Time

E x p o n e n t , n '

225oF

250oF

275oF30#/1000 gal delayed borate

0.00

0.05

0.10

0.15

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0Exposure Time

C o n s i s t e n c y C o e f f i c i e n t , k '

30#/1000 gal delayed borate

275oF

250oF

225oF

Parámetros Reológicos

Indice de Comportamiento (n’) Indice de Consistencia (k’)

PARAMETROS REOLOGICOS:

Los parámetros reológicos no son constantes, sino que varían con la temperatura y el tiempo. Aún atemperatura constante, los índices varían porque el gelificante sigue hidratándose, aunque a un ritmomás lento que al principio.

La variación de los índices normalmente se genera mediante ensayos de laboratorio. El agregado deaditivos también modifica la reología, ya que actúan quimicamente con el resto de los componentes delfluido, disminuyendo o aumentando la viscosidad.

Las curvas que se muestran son las correspondientes a un fluido base agua de 30 #/gal de HPG yreticulado con borato. (Tipo YF130 o Viking).


10/46




47880n'-1

K '

µ = Viscosidad [cPo]K’ = Indice de Consistencia [lb secn’ /pie2]n’ = Indice de Comportamientoγ = Deformación [seg-1]

.

Cálculo de la Viscosidad

• Newtoniano: La viscosidad es constante

• Ley de Potencia: La viscosidad depende delesfuerzo aplicado

CALCULO DE LA VISCOSIDAD:

Ya que la viscosidad de un fluido de fractura no es constante, se define y se trabaja con la “Viscosidad

Aparente (µa)”. Esta depende de la deformación (o velocidad) del fluido. La ecuación que se describe enla lámina puede ser utilizada para estimar la Viscosidad Aparente en cualquier punto de trabajo.

La viscosidad del fluido depende de la cantidad de deformación o velocidad (Shear) a la que es sujeto elfluido a lo largo de toda la sarta de trabajo hasta el extremo de la fractura. Esta fuerza de corte varíadurante el tratamiento

1. Flujo a lo largo de la sarta de trabajo (TP o TR): 1000 - 5000 seg

-1

.

2. Flujo a través de los disparos: > 5000 seg-1

3. Flujo dentro y a lo largo de la fractura: 50 - 500 seg-1

.

Un diseño apropiado del fluido debe tener en cuenta estas variaciones y adicionalemente, los efectos dela temperatura y del tiempo de exposición del fluido a la formación caliente durante el tratamiento.


11/46




0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500 600

Distancia a lo largo de la Fractura [pies]

V e l o c i d a d d e C o r t e [ s e g - 1 ]

10% Trat

25% Trat

50% Trat

100% Trat

Deformación del fluido dentro

de la Fractura Shear rate)

75% Trat

DEFORMACION DEL FLUIDO:

La deformación del fluido dentro de la fractura varía a lo largo de la misma y a medida que la operaciónprogresa.

La figura muestra que la deformación máxima del fluido ocurre en el extremo de la fractura y máspronunciada durante las etapas iniciales del trabajo.


12/46




Tipos de Polímeros

• Goma Guar (PSG)

• Hydroxypropylguar (HPG)

• Carboxymethylhydroxypropyl Guar (CMHPG)

• Hydroxyethylcelulosa (HEC)

• Carboxymethyl Hydroxyethylcelulosa (CMHEC)

• Goma Xhantan (XCD)

TIPOS DE POLIMEROS:

Los polímeros son moléculas de alto peso molecular, solubles en agua, que al ser agregados a unasolución acuosa la viscosifican (Fluidos Base Agua). Existen varios tipos de polímeros. El orden en queestán enumerados en la diapositiva refleja su grado de limpieza y costo, de menor a mayor.

La concentración en solución acuosa se mide el lbs/1000 gal de fluido base. Los fluidos pueden serlineales o reticulados. En el caso de reticulados, la concentración de polímero está en orden de 20 a 60lb/1000 gal. Para algunas aplicaciones se han usado geles lineales con agregado polimérico de hasta80 lb/1000 gal..

Hay dos tipos principales de sistemas: La Goma Guar y los derivados de la Celulosa (HEC).

Goma Guar:Los fluidos Base Guar son desarrollados a partir del endoesperma de la semilla de Guar, una planta quecrece principalmente en India y Pakistán. Esta planta tiene una gran afinidad con el agua. La semilla semuele hasta convertirla en harina y, cuando es agregada al agua, se hidrata y se hincha. Quimicamenteesto significa que la molécula de polímero se asocia con varias moléculas de agua, desplegándose yextendiéndose dentro de la solución. La solución de Guar a nivel molecular puede ser representadacomo una hebra larga e inflada suspendida en agua, como un coloide. Estas hebras tienden asuperponerse y entorpecer sus movimientos, lo que causa un incremento en la viscosidad de lasolución.La Goma Guar es un producto natural, totalmente compatible con el ambiente. El proceso usado para sumanufactura no separa el corazón de la semilla de los otros componentes de la misma. Por ello entre 6

al 10% del producto terminado no es soluble en agua y causa el taponamiento parcial de lapermeabilidad de la fractura. Para minimizar este problema, la Goma Guar es refinada en presencia deun oxidante para generar Hidroxipropyl Guar (HPG). Este proceso reduce la insolubilidad hasta un niveldel 2%, lo que origina un fluido más limpio. Una variante de este proceso, el Carboximetyl –o CMHPG-se está comenzando a usar para bajas temperaturas y se reticula con sales de aluminio.

Derivados de la Celulosa: Los derivados de la Celulosa –HidroxiEtilCelulosa (HEC)- se utilizan cuando se requiere un fluidoextremadamente limpio. Su principal dificultad –además del costo- radica en que no se puede reticular,por lo tanto, para incrementar la viscosidad es necesario incrementar la concentración de la Celulosa.


13/46



La Goma Xhantan es un bio-polímero producido por el metabolismo del micro-organismo Xanthaomonascompestris. Se comporta como un polímero aún a concentraciones muy bajas y a bajas velocidades decorte su poder de suspensión es muy grande. A una velocidad de corte de 10 seg

-1 posee un poder de

suspensión similar a un gel lineal de 40 lb/1000 gal de PSG a 511 seg-1

. Al igual que el HEC, el costo y

su imposibilidad de reticularse son sus principales contras, a las que se suma su gran estabilidad, lo quehace muy dificil degradar la viscosidad una vez que el gel la ha desarrollado.


14/46




Sistemas de Fluidos

Reticulados (X-link)

• Entrecruza las cadenas poliméricas

– Desarrolla fluidos de muy alta viscosidad

• Tipos de Reticulantes (Crosslinkers)

– Boratos

– Organo-metálicos:• Titanatos

• Zirconatos

• Aluminatos

FLUIDOS RETICULADOS:

Los aditivos reticuladores (Cross-linkers o X-linkers) son agregados para incrementar efectivamente laviscosidad del fluidos sin agregar una mayor cantidad de polímero.

El mecanismo químico que utilizan es el puenteo o unión de varias cadenas poliméricas hidratadas.Esto hace que se formen larguisimas cadenas de muy alto peso molecular capaces de absorber unagrna cantidad de agua.

El elemento reticulante es una sal metálica –como el Borato- u Organo-metálica –como los Titanatos yZirconatos. Otras sales, como los Aluminatos y los Antimonios –desarrolladas para aplicacionesespeciales- son raramente utilizadas


15/46




• Boratos – Es el más utilizado

– BHST < 350 oF

– Insensible al corte

– X-link termicamente retardado

• Organo-metálicos – Alta Temperatura

– BHST < 400 oF

– Reticulado es térmicamente retardado

Sistemas de Fluidos

Reticulados (X-link)

RETICULADORES:

Un fluido reticulado con Borato se degrada cuando es sometido a una velocidad muy alta (Alto corte) o aalta temperatura, pero, tan pronto como la condición crítica desaparece, las cadenas poliméricasvuelven a regenerarse, restituyendo su alta viscosidad.

Los reticuladores Organo-Metálicos, como el Zirconato y el Titanato son utilizados para aplicacionesespeciales, especialmente de alta temperatura (Zirconato) o bajo pH (Titanato). A diferencia del Borato,cuando la viscosidad se degrada, no se regenera nuevamente. Por otro lado, una vez establecida lareticulación del gel base, el mismo es muy estable.

Otras sales, como los Antimonios y los Aluminatos son utilizadas en raras ocasiones. Los Aluminatos seusan para reticular geles preparqados con CMHPG.


16/46




Boratos

• Acido Bórico y sales de Boratos

• Reticulación (activación) rápida (Sistemasstandard)

• La reticulación puede retardarse.

• Estable hasta 275 oF

• Viscosidad controlable

• El gel reticulado es estable

• Gran estabilidad térmica

• El reticulado (X-link) es reversible.

BORATOS:

El reticulado requiere de un pH alto, entre 9 y 12.La viscosidad del fluido puede manejarse variando la concentración del polímero o del reticulador, oambos a la vez.Para estabilizar la viscosidad es necesario que el pH se mantenga en un rango entre 9 y 10, para evitarla degradación térmica.

Agregando agentes retardadores, como Bicarbonato de Sodio (Buffer), se puede controlar lareticulación. Esto ayuda a disminuir el coeficiente de fricción especialmente en aquellas aplicaciones enpozos profundos, con desplazamientos a lo largo de extensas sartas de trabajo.La viscosidad de los Boratos se degradan cuando son sujetos acondiciones de carga con altasvelocidades de corte (A través de los disparos, por ejemplo) o temperatura, pero se regeneraninmediatamente tan pronto desaparece la condición crítica.


17/46




…y del reticulado en la viscosidad de fluidos HPG

Efecto de la Temperatura

BORATOS:

El Gráfico muestra el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de sistemas HPG reticulados conBoratos.


18/46




Organo-metálicos

• Sales de Titanio y Zirconio

• Termalmente estables

• Desarrollado para alta temperatura: BHST < 350 oF

– Puede usarse a BHST > 400oF si se enfria

previamente la formación (Precolchón).

• Reticula a diferentes pH

• Es muy sensible al corte

– Si se quiebra, no recupera la viscosidad.

ORGANO-METALICOS:

Los complejos de titanio son utilizados para aplicaciones donde es necesario reticular un fluido de bajopH, usualmente menor a 4.5. Esto sucede cuando se utilizan espumas de CO2 en base a gel reticulado.

Al mezclarse el CO2 con el agua, forma acido carbónico, un acido débil, pero capaz de disminuir el pHde la mezcla a valores cercanos a 2. El uso de Boratos es este caso, es inútil, ya que el mismo necesitade pH > 9 para reaccionar químicamente.

El Zirconio fue desarrollado para ser utizado en pozo profundois y muy calientes, debido a su estabilidadtérmica y reticulación retardada. Esto hace que el coeficiente de fricción de este tipo de fluidos sea muybajo en comparación con un Borato.

Los reticulantes organo-metálicos son muy sensibles al corte: una vez que se rompe la unión química,no vuelve a regenerarse. Esto deriva en que no se permita que la reticulación tenga lugar en aquelloslugares de muy alta velocidad de corte, como la sarta de trabajo, por ejemplo. Por ello, se requiere queeste tipo de reticuladores reaccione (se activen) un momento antes de que el fluido ingrese a losdisparos..


19/46




Efecto del Corte y del X-link

ORGANO-METALICOS:

El efecto de la tubería (TP) tiene sobre la viscosidad del fluido se ilustra en la figura. Se ve que aquelsistema mezclado en baja energía desarrolla una mayor viscosidad inicial, y mantiene una viscosidadaceptable para el transporte del apuntalante por mayor tiempo.


20/46




Velocidad de ReticulaciónLa reticulación es una reacción química por lo tanto, los

factores que la afectan son: – Temperatura del fluido – pH – Condición de corte (Gasto) – Concentración de los reactivos – Tipo de Reticulador – Presencia de ligantes competentes

Beneficios del retardo del X-link – Estabilidad del fluido a largo plazo – Degradación por corte minimizada – Reducida presión de fricción en los tubulares

VELOCIDAD DE RETICULACION:

El tiempo de reticulación idealmente debe ser equivalente al tiempo de desplazameinto de la sarta detrabajo al gasto actual. Así, la viscosidad debería incrementarse cuando el gel abandona la tubería TP.

Esto es ideal, pero no es práctico, debido a que el fluido casi no cambia su temperatura en tan pocotiempo. La solución es dejar que parte del fluido se reticule –dentro de la sarta de trabajo- como un“Fluido de sacrificio”, de manera que la reacción ya este en pleno proceso cuando el fluido entre en laformación, mejorando el transporte del apuntalante en la región de los disparos.


21/46




Sistemas de Reticulación

Retardada

Se usan para reducir la fricción y en pozos de altatemperatura

• Polímeros, Reticulador, quebrador, yestabilizador son los mismos que en un sistemanormal

• Activador: J899 (J465 en diesel) y J909 (J474 endiesel)

• Quebrador Auxiliar: J466

SISTEMAS DE RETICULACION RETARDADA:

Retardar la reticulación resulta en un efecto de reducción de la fricción en los tubulares de un 20 a 30%.Un beneficio adicional es que este tipo de geles resulta más estable a altas temperaturas.

El quebrador auxiliar J466 es un catalizador sólido que acelera la reacción del Persulfato de Amonio abaja temperatura y es utilizado solamente en los sistemas retardados base borato. Normalmente sediluye en agua para su mezcla en el blender.

Los productos J899 y J909 son quimicamente equivalentes. La concentración de J465/J474 varía entre5 y 15% en peso al ser mezclada con diesel, dependiendo de las limitaciones del equipo disponible en elpozo.


22/46




Fluidos Lineales

Composición BásicaPSG y HPG Gel Lineal

• Polímeros (Sólidos o en solución de diesel)

– PSG

– HPG

• Quebradores: Persulfato de Amonio

(Disuelto o encapsulado)

• Quebrador Auxiliar: Sales de Amonio

• Rango de Temperatura: 30-90 oC

FLUIDOS LINEALES:

Polímeros

Agente gelificante: Goma Guar (PSG o HPG) en polvo o en solución al 51% en peso de diesel. (51%PSG o HPG y 49% diesel).

Se usan sólidos para premezcla en baches y en solución de diesel para mezcla continua con un PCM.El quebrador auxiliar se utiliza cuando la temperatura del tratamiento es inferior a 37

oC (100

oF). Para

mejorar la limpieza del pozo.


23/46




Fluidos Reticulados

Composición Básica

Geles de PSG y HPG Reticulados con Borato(YF100-200 o Viking)

Polímeros (Sólidos o en solución de diesel) – PSG

– HPG

• Reticulador: Acido Bórico• Activador pH: Soda Cáustica (Solución acuosa)• Quebrador: Persulfato de Amonio• Estabilizador de Temperatura: Tiosulfato de Sodio o

Metanol• Rango de Temperatura: 30-90 oC

FLUIDOS RETICULADOS:

Los fluidos reticulados con boratos resultan en menor daño a la permeabilidad de la fractura que losorgano-metálicos.Para alcanzar la reticulación del gel lineal se deben agregar dos aditivos: un reticulador y un catalizadoro activador.Reticulador:El reticulador utilizado es ácido bórico. La reacción química ocurre muy lentamente a pH normal, pero suvelocidad se incrementa dramáticamente cuando se eleva el pH de la mezcla por encima de 8.5El reticulador incrementa el peso molecular efectivo del polímero. El gel preparado con PSG o HPGtiene, normalmente, un pH entre 7 y 8.5.Catalizador Activador:Su función es incrementar el pH de la mezcla por encima de 9, desencadenando así una reticulacióncasi instantánea. Para ello se utiliza Soda Cáustica (Hidróxido de Sodio) en solución acuosa al 20%aproximadamente.


24/46




Gel Lineal y Gel Reticulado

(X-link)


25/46




Sistemas Reticulados de Baja

Carga Polimérica

Sistema de baja carga polimérica (15 a 30 lb/1000 gal)(Low Guar o Lightning)

• Rango de Temperatura: 25oC a 80oC• Polímeros, X-linker, Quebrador y el Estabilizador son

los mismos que el sistema Reticulado Normal• Activador

– LG Normal: Soda Solvay (Sulfato de Calcio)

– LG Retardado: Solución de Soda Caústica +

Bicarbonato de Sodio

SISTEMAS RETICULADOS DE BAJA CARGA POLIMERICA


26/46




Sistemas Retardados

de Baja Carga

Sistema de Baja Carga polimérica con reticulador (X-link) retardado para alta temperatura (80 a 160 oC)

• Polímeros, X-linker, Quebrador y el Estabilizador son los mismos que el sistema normal

• Activador: Soda Cáustica

• Agente Estabilizador / Retardador: J511

• Quebrador: Persulfato de Amonio (Encapsulado)

SISTEMAS RETARDADOS DE BAJA CARGA POLIMERICA:

El tiempo de reticulación es controlado con la concentración de J511 y puede variar entre 1 y 4 min.


27/46




Sistemas Retardados

Reticulados con BoratoFluido Reticulado (X-link) con Borato para Alta

Temperatura

• Reticulador: Solución de Acido Bórico adit.• Activador: Sol. acuosa de Soda Caústica• Rango de Temperatura: 50 a 175 oC• Estabilizador de Alta Temperatura: Tiosulfato de

Sodio• Quebrador: BHT > 90 oC Persulfato de Amonio

encapsulado• Estabilizador de Hierro: EDTA

SISTEMA RETARDADO RETICULADO CON BORATO:

La solución reticuladora se prepara con Acido Bórico, Soda Cáustica y EDTA agregada en el agua. LaSoda Cáustica se utiliza en este caso para mantener el valor del pH debido a la presencia deBicarbonato de Sodio en el agua de mezcla.

El J480 controla el tiempo de reacción, el cuál puede regularse entre 1 y 6 min.

Siempre se debe agregar un controlador o secuestrante de hierro (Como el EDTA) para evitar ladegradación del gel por presencia de hierro disuelto.


28/46




Sistemas Reticulados con

Titanatos

Fluidos gelificados con PSG o HPG y Reticulados conTitanato (Sal de Titanio)

• Fluido Base: Gel Lineal con PSG o HPGpH Bajo ~ 4.5 (Para usar con o sin CO2)

• X-linker: Sal de Titanio (Titanato)• pH Buffer: Acido Acético hidrolizado• Retardador: Cloruro de Magnesio• Quebrador: Orgánico (Enzimas)• Rango de Temperatura: 25 a 110 oC

RETICULADOS CON TITANATOS:

Estos sistemas de bajo pH pueden ser usados con o sin CO2.

Los fluidos reticulados con Titanio son naturalmente retardados ya que son sensibles al corte, por lotanto es necesario ajustar el tiempo de reticulación a las condiciones de bombeo y estado mecánico delpozo, de tal manera que el 75% del tiempo de residencia del fluido en los tubulares, el mismo secomporte como lineal. El control se consigue agregando Acido Acético Hidrolizado.


29/46




Fluidos gelificados con PSG and HPG y Reticulados conSal de Zirconio (Zirconato).

• Rango de Temperatura: 80 a 180 oC• Reticulador: Sal de Zirconio (Zirconato)

Borato (Sistema Dual)• Activador: Sulfato de Calcio• Quebrador: Persulfato de Amonio (Disuelto y

encapsulado)• Buffer: Bicarbonato de sodio• Estabilizador: Tiosulfato de Sodio, J450

Sistemas Reticulados con

Zirconatos

SISTEMAS RETICULADOS CON ZIRCONIO:

Son los sistemas YF600 (SLB) y VISTAR (BJ).

La reticulación del fluido puede ser casi instantánea, ajustando la concentración del Zirconato, oretardada mediante un sistema de doble activación, un activador lento y otro rápido. Esta solución seusa cuando se fractura pozos profundos con tiempos altos de residencia en los tubulares. En este casopuede haber problemas de transporte de apuntalante, pudiendo puentearse en la tubería o en losdisparos. Para evitarlo se agrega un activador rápido (Borato), que semi-reticula el gel, mientras que elreticulador lento (Zirconio) trabaja a nivel de la formación, cuando el fluido se calienta al ingresar en lafractura.Esta solución se usa si las concentraciones de polímero no superan las 40 lb/1000 gal. La soluciónreticuladora puede ser utilizada diluida o concentrada, dependiendo de las necesidades del trabajo y delequipo disponible.El Bicarbonato de Sodio (Na(CO3)2) se utiliza como amortiguador (buffer) para controlar el nivel debicarbonatos en el agua de mezcla, ya que el gel requiere la presencia de cierta cantidad de ellos.


30/46




Sistemas Reticulados para

Alta Temperatura (UT)Fluido gelificado con HPG y reticulado con

zirconato para muy Alta Temperatura (UT)

• Rango de Temperatura: 160 a 230 oC• Preparación:

– Agregando HPG a un gel lineal premezclado conHPG y totalmente hidratado

• Reticulador: Sal de Zirconio (Ziorconalto)• Retardador: Bicarbonato de Sodio• Estabilizador: Tiosulfato de Sodio, J450• Viscosificante: Sulfato de calcio

SISTEMAS RETICULADOS PARA MUY ALTA TEMPERATURA (UT):

Este tipo de fluido es preparado adicionando polímero HPG a un gel lineal de HPG totalmente hidratadoy agregando un buffer adecuado, reticulador y estabilizadores.

Optimizando su preparación, este tipo de fluido puede ser estable durante un largo período bajocondiciones de fondo de pozo, 10 hs @ 160

oC; 4 hs @ 175

oC o 2 hs a 200

oC.

El gel base no puede ser preparado en forma continua, sino premezclado en tanques adonde deberáresidir el tiempo suficiente hasta alcanzar su completa hidratación, lo que dependerá de las condicionesdel agua de mezcla y de la temperatura ambiente.


31/46




Fluidos de Fractura Base

Aceite

• El aceite fue el fluido utilizado originalmente para lasprimeras fracturas (1949)

• Es menos dañino para la formación

• Costoso

• Operacionalmente dificil de manipular

• Se usa sólo en:

– Formaciones muy sensibles al agua

– Donde no hay fácil disponibilidad de agua

• El gel puede ser lineal o reticulado

• Puede usarse hasta BHT = 150 oC

SISTEMA DE FLUIDOS BASE ACEITE: .


32/46




Base Aceite Reticulados para

Temperatura Media y Alta

• Rango de Temperatura 40 a 150 oC

• Gelificante: Ester de Fosfato de Aluminio

• Activador:

– Temp. Media: J601 + J602L

– Temp. Alta: J453

• Quebrador:

– Temp. Media: J603

– Temp. Alta: Sulfato de calcio

FLUIDOS RETICULADOS BASE ACEITE PARA MEDIA Y ALTA TEMPERATURA:

Estos fluidos fueron diseñados para el tratamiento de formaciones sensibles al agua. A pesar de serbase aceite, dejan un daño residual en el empaque de la fractura debido a que el gelificante utilizado esmuy fuerte y tiene una vida media bastante larga, lo que algunas veces puede originar dificultades en lalimpieza posterior del pozo. Por lo tanto, el uso de un rompedor adecuado es de extrema importancia.

El gelificante es un Ester de Fosfato de Aluminio, un elemento muy afin al aceite refinado.Dependiendo del sistema utilizado y del dueño de la patente, la solución reticuladora se obtienepremezclando el reticulador (J601) en conjunto con un control de pH (J602L), en una proporción de 1:5

A su vez esta solución se mezcla con el gelificante en una proporcion de 2:1, aumentando odisminuyendo este rango en un 10%, de tal manera de obtener un retardo o una gelificacióninstantánea, dependiendo ello del diseñ y de las condiciones del pozo. La proporción adecuada sedetermina mediante ensayos de laboratorio, porque es fuertemente influenciada por el tipo de aceiteutilizado, ya que la presencia de parafinas y asfaltenos influencia la reacción química del Fosfato de

Aluminio.

Para desplazar el fluido y bajar la fricción se utiliza un rompedor adecuado sólo a este fin. El mismo esun surfanctante desemulsionante cationico que rompe la estructura del gel casi instantáneamente.


33/46




• Rango de Temperatura: 25 a 110 oC

• Gelificante: J518

• Activador: C108

• Quebrador: – BHT < 90 oC: J474 – BHT > 90 oC: Sulfato de Sodio

Base Aceite Reticulado para

Baja Temperatura

FLUIDOS RETICULADOS BASE ACEITE PARA BAJA TEMPERATURA:


34/46




Sistema en Baches vs.

Continuo• Sistema de mezcla en baches

– Buen control de calidad

– Material sin usar

– Problemas de desechos

• Sistema de Mezcla Contínua

– No queda material de desecho

– Requiere una medición precisa

– El Control de Calidad es dificultoso

• Logística y disposición de equipos

SISTEMA DE MEZCLA EN BACHES VS CONTINUO:

Sistema en Baches para Fluidos Base Aceite: Todos los componentes se mezclan conjuntamente,excepto rompedores y aditivos de control de filtrado, los que se agregan en forma contínua al pasar elfluido por el blender. El rompedor puede reducir la viscosidad del fluido, haciendo que las partes máspesadas se asienten en el tanque de mezcla.

Sistema de Baches para Fluidos Base Agua: Todos los componentes se mezclan en el agua, incluidoel reticulador para los casos de sistemas con boratos. El activador se agrega en forma continua a lapasada del fluido por el blender. Para los sistemas organo-metálicos, la solución de reticulador/activadores agregada a la pasada.

El sistema en baches tiene beneficios, como un adecuado control de la calidad del fluido, pero tambiéndesventajas, porque se debe eliminar el fluido no utilizado remanente en los tanques, lo cual puedecomplicar la operación.

El sistema contínuo no tiene problemas de eliminación de fluidos remanentes, pero el control de calidades más complicado. El blender debe tener equipos de medición y dosificación bien ajustados. Además,el tiempo de hidratación (residencia) del gel es crítico. El uso de equipos premezcladores como el PCMsoluciona en gran parte este problema. La hidratación del polímero se puede acelerar aplicando una altaenergía a la mezcla.


35/46




Espumas de Fractura

• La Fase Líquida

– Gel Lineal

– Gel Reticulado (X-link)

– Hidrocarburos y Alcohol

• La Fase Gaseosa

– Nitrógeno

– CO2

• Agente Espumante

– Surfactante

ESPUMAS DE FRACTURA:

Bajo ciertas condiciones, especialmente para fracturar pozos de baja energía (baja presión deyacimiento) y baja permeabilidad, utilizar los fluidos normales base agua o aceite no es la solución másadecuada, ya que su limpieza es lenta y puede llegar a ser muy complicada, llegando a dañarseveramente el empaque de la fractura por el efecto del tiempo de residencia del gel roto dentro de laformación.

Para evitar o minimizar este efecto, se han diseñado fluidos bifásicos como las emulsiones y espumas.Las espumas tienen la ventaja de que el agregado de un gas inerte al fluido base energiza el mismo,haciendo que la limpieza y el retorno de los vertidos sea mas rápido y eficiente. Esto los hacesumamente aptos para fracturar reservorios depletados de baja permeabilidad.

Un factor importante en las espumas es la estabilidad de las mismas. Así, el agua no es usualmenteutilizada como fase líquida, ya que su estabilidad es limitada. Se alcanza una adecuada estabilidadcuando se agrega un polímero, siendo la estabilidad de la espuma directamente proporcional a laviscosidad del fluido base, por lo que se agrega más polímero o se reticula el fluido base.

Los gases comúnmente usados son el Nitrógeno y el Anhidrido Carbónico (CO2). Ambos son gasesbaratos y fácilmente obtenibles. El Nitrógeno, además, es inerte. El uso de uno u otro esta determinadopor el tipo de formación, la compatibilidad de los fluidos involucrados y la economía del proyecto.

El uso del agente espumante está condicionado por el tipo de fluido base y la compatibilidad del aditivocon el fluido de formación.


36/46




• Aplicaciones – Reservorios depletados o de baja presión

– Formaciones sensibles al agua

• Ventajas: – Provee energía para un mejor limpieza

– Buena eficiencia del fluido

– Menos dañino para la conductividad de la fractura

– Buena performance reológica a baja carga polimérica

• Desventajas: – Baja concentración de apuntalante

– Ejecución más complicada

– Columna hidrostática disminuida (N2)

– Alto gradiente de fricción (CO2)

Espumas de Fractura


37/46




Poliemulsiones

67% Aceite

Emulsionante concentradoen la interfase

33% Gel Base Agua(Fase contínua)

Emulsiones

EMULSIONES:

Una emulsión es una dispersión de dos fases inmiscibles –como aceite en agua, o agua en aceite-estabilizadas con un surfactante. Se trata por ende, de un fluido bifásico, cuyas fases son ambaslíquidas.Las emulsiones utilizadas en fractura son fluidos muy viscosos con excelentes propiedades detransporte de apuntalante. A mayor porcentaje de fase interna, mayor es la resistencia al movimiento delas gotitas formadas y, por consiguiente, mayor es la viscosidad.Las emulsiones han sido utilizadas por muchos años, desde los 60 (Keil, 1971). La emulsión más comúnes una compuesta de una fase interna del 67% de aceite y 33% de salmuera viscosificada como faseexterna, conocida como “Polyemulsión”. La viscosificación del agua de la fase externa tiene comoobjetivo reducir el gradiente de fricción y aumentar la estabilidad de la emulsión. La concentración depolímero utilizada varía entre 20 y 40 lb/1000 gal, así, el fluido resultante contiene solo de 1/6 a 1/3 depolímero que un fluido stándard base agua de las mismas características reológicas.Las emulsiones usualmente se rompen mediante el mecanismo de absorción del emulsificante por laroca de la formación, dejando un daño mínimo tanto a la formación como al empaque (Roodhard et al.,1986).. Es de suma importancia que el emulsificante sea compatible con la roca del reservorio y no dañela cara de la fractura por efectos de cambios de mojabilidad.La principal desventaja de la Polyemulsión es su elevado costo. También el gradiente de fricción eselevado. Las emulsiones se adelgazan significativamente a medida que la temperatura se incrementa, locuál limita su aplicación a formaciones de temperatura baja a media.


38/46




Polyemulsión

• Poliemulsión

– 61% Aceite y 33% agua estabilizada con un emulsificante

• Componentes:

– Polímeros: PSG o HPG

– Activador: Emulsificador (Esteres)

– Quebrador: Enzimas y Persulfato de Amonio

• Ventajas:

– Alta viscosidad

• Buen transporte de apuntalante

– Buen control de filtrado (Bifásico)

– Menor daño a la formación

– Rango de Temperatura: 25 a 90 oC

EMULSIONES:


39/46


40/46




Daño por Gel Fluido no dañino

Daño producido por el

Polímero

DAÑO POR POLIMEROS:

Luego de una fractura, puede ocurrir una significativa reducción en la permeabilidad del empaquedebido a un rompimiento parcial del fluido utilizado para crear la fractura. Los residuos del gel taponan laporosidad del empaque, pudiendo eliminarse una parte de ellos si el pozo es abierto poco tiempodespués de terminada la fractura. Pero en aquellos pozos que no han fluido inmediatamente debido, porejemplo, a problemas operativos o a baja presión del yacimiento, el daño puede llegar a serconsiderable, puediendo taparse hasta un 95% de la permeabilidad original del apuntalante.

La figura muestra los beneficios de utilizar fluidos no dañinos, como los viscoelásticos.


41/46




100

75

50

25

0

GUAR

HEC

P e r m e a b i l i d a d R e t e n i d a ( % )

Arena 20/40 VES

Permeabilidad de la Fractura

Empaquetada

PERMEABILIDAD DE LA FRACTURA:

La figura muestra una comparación, medida en laboratorio, entre las permeabilidades retenidas en elempaque luego de utilizarse tres fluidos diferentes, bajo las mejores condiciones.

En el caso de los polímeros –PSG y HPG-, la concentración original del mismo se incrementa durante lafractrura por efecto del filtrado. En efecto, el elemento que se filtra hacia la formación durante laoperación no es gel, sino el agua contenida en el mismo. Por lo tanto, la concentración original delpolímero aumenta por este efecto, llegando a ser tan grande como 1000 lb/1000 gal. En este caso seuso una concentración de 400 lb/1000 gal y Persulfato de Amonio para romper el gel.


42/46




10

9

8

7

6

5

4

3

2

0

0 2 4 6 8 10 12 14

80

70

60

50

40

30

20

10

8 10 12 14 16 18 20

I n c r e m e n t o d e l a v i s c o s i d a d

Concentración de Apuntalante (PPA)

I n c r e m e n t o d e l a f r i c c i ó n ( % )

Caudal (BPM)

8 PPA

6 PPA

4 PPA

2 PPA

Efecto del Apuntalante

sobre el Fluido

EFECTO DEL APUNTALANTE SOBRE EL FLUIDO:

Al agregar apuntalante a un gel, se esta agregando un sólido. El resultado es una alteración de lascondiciones reológicas del fluido resultante (llamado “Fluido sucio”). La medición de la reología bajoestas condiciones es muy dificultosa debido no solo a las condiciones de agregado, sino también a ladistribución no uniforme del sólido en la mezcla. Lo que sí se sabe es que la viscosidad aumenta amedida que se agrega el apuntalante.

En la figura se muestra el efecto de agregado de apuntalante a un fluido newtoniano y como varía suviscosidad en función de la concentración del sólido. Estos fluidos pueden llegar a contener un volúmende sólidos comprendido entre un 20 y 80% del volúmen total. El eje vertical muestra el factor deincremento de la viscosidad del fluido base por efecto de la concentración de apuntalante.

Estos datos aún se estan desarrollando y no existen tablas que nos ilustren estos datos fluido por fluido.

A la derecha se muestra la variación del gradiente de fricción vs. la concentración del apuntalante. Elcomportameinto de esta curva se corresponde con lo observado en el gráfico de la izquierda para ungasto determinado, es decir la fricción se incrementa con el incremento de la concentración, pero amedida que aumenta el caudal, el incremento del gradiente tiende a bajar, posiblemente por efecto deuna mejor distribución del sólidos dentro del fluido.


43/46




Transporte de Apuntalante

• Relación de densidad entre apuntalante y fluido(δp/δf): – Una mayor relación incrementa la velocidad de asentamiento

• Viscosidad del fluido: – A mayor viscosidad menor velocidad de asentamiento

• Tamaño de grano: – A mayor granulometría, mayor velocidad de asentamiento

• Caudal de bombeo: – La velocidad de asentamiento es inversamente proporcional

al gasto (Turbulencia).

TRANSPORTE DE APUNTALANTE:

El comportamiento y rendimiento de una fractura depende de la geometría de la fractura empaquetada yde su conductividad.

Debido a la gran diferencia este los Pesos Especîficos del fluido y del apuntalante, este último tiende aasentarse en el fondo de la fractura. Si este proceso alcanza cierta severidad, tendremos la formaciónde un banco o duna, la cuál afecta la geometría de la fractura e incrementa el riesgo de un arenamientoprematuro por puenteo o bloqueo del apuntalante dentro de la fractura, incrementa la presión debombeo por incremento de fricciones e induce el arenamiento en los disparos.

Para mejorar la geometría, se requiere una baja velocidad de decantación, lo que mejoraría ladistribución del apuntalante a lo largo de la fractura y en la cara de la misma, cubriendo toda la alturacreada. A una velocodad de corte igual a cero (Fluido estático), la velocidad de asentamiento es máximay ocurre en el centro de la fractura durante el tratamiento, debido al perfil del movimiento del fluido(Laminar).

Para predecir dicha velocidad se utiliza la Ley de Stokes bajo condición de velocidad de corte cero.

Fluido Lineal

o

p Pd g u

µ 18

2∆=

Fluido Potencia'18

)'1(2

k Ut Pd g u

n

p

−

∆=


44/46




• Principal causa:• El polímero contenido en el gel forma una pasta que no es

completamente quebrada por los rompedoresincorporados

• La reducción de la conductividad es relativa a:

• Concentración final del polímero

• Concentración inicial del polímero

• Tipo de X-link

• Temperatura

• Concentración del quebrador

• Concentración final del polímero (FPC)

• FPC = Conc. Inicial x Factor de Concentración

−=

100/

100/1'

φ

φ

s

s

C

P P

Daño a la Conductividad de

Fractura

DAÑO A LA CONDUCTIVIDAD:

A medida que el fluido es inyectado, parte del mismo se pierde hacia la formación por filtrado. Estefiltrado casi no contiene polímeros, sino que es casi 100% de agua. La macromoléculas de polímero sonretenidas en la pared de la fractura, constituyendo una red que previene un filtrado mayor, tal comocomo hace el lodo durante la perforación de un pozo.

El efecto final es un incremento de la concentración del polímero dentro de la fractura a valores mayoresque los que el rompedor incorporado puede quebrar. Esto resulta en la formación de residuos muydifíciles de remover.

Para reducir la influencia de este daño se debe trabajar con bajas cargas polimérica, utilizar unreticulador limpio, preferentemente boratos, y una concentración efectiva de quebradores adecuada alas condiciones reales de carga dentro de la fractura.


45/46




1 2 3 4 5 6 7 8

40

35

30

25

20

15

10

5

0

30%Proppant-Pack

33.5%Proppant - Pack

37%Proppant - Pack Porosity

Concentración de Apuntalante (PPA)

F a c t o r d e C o n c e n t r a c i ó n d e l p o l í m e r o ( A d m )

Factor de Concentración

−=

100/

100/1'

φ

φ

s

s

C

P P

FACTOR DE CONCENTRACION:

El Factor de Concentración del Polímero (P’) se define como la relación existente entre la concentraciónfinal del polímero dentro de la fractura y la concentración inicial de mezcla.

Si asumimos que todo el polímero permanence dentro de la fractura luego de completado el trabajo, P’puede ser expresado como:

−=

φ

φ 1'

Cs

Ps P

Donde:

PS = Peso Específico del apuntalante [lb/gal]CS = La concentración promedio del apuntalante dentro de la fractura, incluyendo el volumen de colchón[PPA]

φ = La porosidad del apuntalante en condiciones de confinamiento [Fracción]

Una concentración polimérica de entre 200 a 400 lb/1000 gal es encontrada usualmente en fracturascerradas y confinadas. Esto origina un fluido muy difícil de desplazar a menos que se asegure unacompleta degradación del gel por temperatura y uso de quebradores.

Este hecho dio origen a los estudios que llevaron al uso de quebradores encapsulados.


46/46



100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 100 200 300 400

20/40 Sand at 2 lb/ft2

BHST = 150o F (70

o C)

Closure Stress = 3,000 psi

Linear Guar or HPG

Borate-Crosslinked

Guar or HPG

Organmetallic-Crosslinked

Guar or HPG

P e r m e a b i l i d a d d e l E m p a q u e t a d o r e t e n d a ( % )

Concentración del Polímero (lb/1,000gal)

Comparación entre

Diferentes Reticulantes

COMPARACION ENTRE RETICULANTES:

Debido a su mayor estabilidad a alta temperatura, los reticulantes organo-metálicos (Titanatos yZirconatos) producen un daño residual mayor que los Boratos.

El caso presentado puede considerarse como el mejor, ya que una concentración areal de 2 lb/pie2 es

raramente alcanzada.

7 - fluidos de fractura

Documents