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Para poder establecer una comunicacin con las zonas de petrleo y de gas no basta con abrir orificios en el

revestidor de acero utilizando las pistolas (o caones) y los mtodos de transporte ofrecidos en un catlogo de

servicios. La tecnologa de disparo basada en las propiedades promedio de la formacin y en el comportamiento

de las cargas huecas, hoy en da, se est reemplazando por un enfoque ms orientado a las necesidades espec-

ficas. El diseo de los disparos constituye una parte integral del planeamiento de la completacin, en el que se

tienen en cuenta las condiciones del yacimiento, las caractersticas de la formacin y las exigencias del pozo.

Larry BehrmannJames E. BrooksSimon FarrantAlfredo FayardAdi VenkitaramanRosharon, Texas, EE.UU.

Andrew BrownCharlie MichelAlwyn NoordermeerBP AmocoSunbury on Thames, Inglaterra

Phil Smith BP Amoco Houston, Texas

David Underdown Chevron Production & Technology CompanyHouston, Texas

Se agradece la colaboracin de Jim Almaguer, BobbyCarroll, John Corben, Janet Denney, Brenden Grove, BradHoffman, Manish Kothari, Jason Mai, Sam Musachia, BobParrott, Mark Vella, Ian Walton y Wenbo Yang, Rosharon,Texas, EE.UU.; y Andy Martin, Aberdeen, Escocia.Bigshot, CIRP (Insercin de la Completacin y Recuperacinbajo Presin), CleanSHOT, Enerjet, FIV (Vlvula de Aisla-miento de la Formacin), GunStack, HSD (Caones de AltaDensidad de Disparos), HyperJet, IRIS (Sistema Inteligentede Implementacin Remota), NODAL, PERFPAC, Pivot Gun,PowerFlow, PowerJet, QUANTUM, S.A.F.E. (Equipo deDisparo Activado por Impacto), Secure, SPAN (software deAnlisis de Operaciones de Disparo de Schlumberger),UltraJet, UltraPack y X-Tools son marcas de Schlumberger.

Las completaciones con disparos desempean unpapel fundamental en la produccin de hidrocar-buros. Desde las pruebas de pozos para laevaluacin del yacimiento hasta la completacine intervencin de remediacin, el disparo es unelemento clave para el xito de la exploracin, laproduccin econmica de petrleo y gas, la pro-ductividad del pozo a largo plazo y la recu-peracin eficiente de los hidrocarburos. Elproceso de disparo genera en forma instantneaorificiosdisparosen el revestidor de acero,en el cemento circundante y en la formacin(prxima pgina).

Tanto la productividad como la inyectividaddel pozo dependen fundamentalmente de lacada de presin en las cercanas del hueco, lacual habitualmente se computa a travs del fac-tor de dao. Este ltimo depende del tipo de com-pletacin, del dao de la formacin y de losparmetros de los disparos. En el pasado, los dis-paros a menudo consistan simplemente en orifi-cios realizados en el acero del revestidor concortadores mecnicos (antes de 1932), medianteel disparo de balas (a partir de 1932), por bombeode abrasivos (desde 1958) o, ms comnmente,detonando explosivos con cargas huecas espe-ciales fabricadas especficamente para los cam-pos petroleros (a partir de 1948).1 Lejos de sersimple, el disparo constituye un elemento com-plejo dentro de la completacin del pozo, quecobra mayor importancia gracias a las investiga-ciones contemporneas y a la comprensin desus principios bsicos.

La desviacin con respecto a la simetrareduce el rendimiento de las cargas huecas. En loque respecta a la penetracin y al tamao del ori-ficio, la optimizacin de los diseos y la precisinen su fabricacin contribuyen al perfecciona-miento de las cargas huecas. Por otra parte, laconfiabilidad de las cargas est garantizada porun estricto control de calidad. En consecuencia,las pruebas de disparo son cada vez ms consis-tentes y trasladables a las condiciones de fondoa los efectos de proyectar rendimientos y estimarproductividades.

Entre los muchos avances realizados en la tec-nologa de disparo se encuentran las nuevas car-gas de penetracin profunda que incrementan laproductividad del hueco al penetrar la zona inva-dida, y las cargas de orificio grande paraempaques de grava. El aumento del rendimientopor unidad de explosivo significa un incrementoen la eficiencia de estas cargas de alto rendi-miento. En los ltimos dos aos, las cargasmejoradas han alcanzado profundidades de pene-tracin y reas de flujo mucho ms grandes quelas obtenidas con la tecnologa utilizada anterior-mente. Tambin se han desarrollado otras tcni-cas que permiten controlar los residuos, enespecial en pozos con gran desviacin o en pozoshorizontales, reduciendo el tamao de los detritoso retenindolos dentro de las pistolas o caones.

Tcnicas de diseo de los disparos para optimizar la productividad

Verano de 2000

El disparo es el nico modo de establecer tne-les de conduccin que sirven de enlace entre losyacimientos de petrleo y gas y los huecos revesti-dos con acero que llegan hasta la superficie. Sinembargo, el disparo tambin daa la permeabili-dad de la formacin alrededor de los tneles de losdisparos. Tanto el dao como los parmetros delos disparosla penetracin en la formacin, eltamao del orificio, el nmero de disparos y elngulo entre los orificiostienen un impacto sig-nificativo sobre la cada de presin en las cer-canas del pozo y, por lo tanto, sobre la produccin.La optimizacin de estos parmetros y la disminu-cin del dao inducido constituyen aspectosimportantes del disparo. Las investigacionesactuales confirman que para poder remover, par-cial o totalmente el dao y los detritos de los dis-paros, en ciertos casos, es esencial que exista uncierto desbalance, es decir que la presin dentrodel hueco antes del disparo sea menor que la pre-

sin de la formacin (presin inversa). Las tcnicas modernas de disparo no sepueden separar de otros servicios que

mejoran la productividad del pozo,como la fracturacin, la acidifi-

cacin y el control o prevencinde la produccin de arena.2

Adems de ser conductos para el ingreso delflujo de petrleo y gas, los orificios proporcionanpuntos uniformes para la inyeccin de agua, gas,cido, geles con agentes de sostn, que se uti-lizan para las estimulaciones por fracturacinhidrulica, y los fluidos que emplazan la gravapara el control de la produccin de arena en for-maciones dbiles y no consolidadas.3 En otrasaplicaciones para el manejo de arena, los dis-paros proporcionan la cantidad necesaria de ori-ficios estables, con la orientacin y el tamaoadecuados para impedir la produccin de arena.

Los mtodos de transporte de las pistolas tam-bin se han mantenido actualizados a la par de latecnologa y las tcnicas de disparo. A fines de ladcada 70 y principios de la del 80, las estrategiasde disparo se limitaban a la utilizacin de pistolasms pequeas que se bajaban a travs de latubera de produccin o caones ms grandes quese bajaban a travs del revestidor, transportadosprincipalmente con cable de acero. Las cargas decada tipo y tamao de can se diseaban con elfin de lograr el tamao mximo del orificio, o bienuna penetracin profunda. A mediados de losaos ochenta, se ampliaron las opciones de trans-porte de los caones. A partir de entonces, loscaones bajados junto con la tubera de produc-cin (TCP, por sus siglas en Ingls) ya no estnlimitados a un sector reducido del mercado y sehan convertido en un elemento esencial demuchas completaciones de pozos y en una impor-tante herramienta para efectuar disparos.4

> Disparo moderno. La detona-cin controlada de cargas ex-plosivas huecas, diseadas yfabricadas especialmente, creatrayectorias que van desde elpozo a la formacin, atravesan-do el revestidor de acero, el ce-mento y la roca del yacimientode manera que los fluidos pue-dan fluir o ser levantados haciala superficie.

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1. Behrmann L, Huber K, McDonald B, Cout B, Dees J,Folse R, Handren P, Schmidt J y Snider P: Quo Vadis, Extreme Overbalance? Oilfield Review 8, no. 3 (Otoo de 1996): 18-33.

2. Martin A: Choosing The Right Gun, Petroleum EngineerInternational 71, no. 10 (Octubre de 1998): 59-72.

3. Como agente de sostn se utiliza arena natural o arenacubierta de resinas y bauxita de alta resistencia ocermica sinttica, clasificada por tamao de grano deacuerdo con el estndar americano de las zarandas.La grava est formada por arena sumamente limpia, degrano redondo y cuidadosamente seleccionada, ya quedebe ser lo suficientemente pequea para actuar comofiltro y prevenir la produccin de partculas de la forma-cin, pero al mismo tiempo lo suficientemente grandepara mantenerse en su posicin dentro de los intervalosproductivos detrs de una malla ranurada.

4. Cosad C: Choosing a Perforation Strategy, Oilfield Review 4, no. 4 (Octubre de 1992): 54-69.

Adems de la tubera flexible, las lneas dearrastre y las unidades para entubar contra pre-sin (unidades snubbing), los sistemas disponi-bles hoy en da permiten correr sartas de caonesde gran longitud en pozos activos bajo presin.Estos sistemas de disparo y transporte de losmismos tambin realizan otras funciones de com-plejidad variable, como por ejemplo liberar ydejar caer los caones, colocar los empacadoresy abrir y cerrar las vlvulas. En el futuro, las car-gas se podran incorporar y bajar directamentecon el equipo de completacin durante la cons-truccin del pozo.

En este artculo se examinan los aspectosprincipales de los disparos, incluyendo algunoselementos de fsica bsica, las nuevas cargas ymtodos de fabricacin, la disminucin del daoprovocado por los disparos, la optimizacin de losparmetros claves, las tcnicas de disparo paracompletaciones naturales, estimuladas o concontrol de produccin de arena, adems de laseguridad y los mtodos de transporte de loscaones. Tambin se detallan las razones por lascuales es necesario tener en cuenta las exigen-cias especficas de las formaciones, los pozos ylas completaciones para seleccionar las distintastcnicas de disparo. A travs de diversos ejem-

plos, se demuestra que los diseos especialespara yacimientos especficos y la interaccin delos disparos contribuyen a maximizar elrendimiento del pozo.

Dinmica de las cargas huecasLos disparos se efectan en menos de un segun-do por medio de cargas huecas que utilizan unefecto de cavidad explosiva, basada en la tec-nologa de las armas militares, con un revesti-miento de partculas metlicas prensadas (liner)para aumentar la penetracin (izquierda). Lascargas consisten de un explosivo de alta sentivi-dad y pureza (primer), un casco, un liner cnico yaltamente explosivo conectado con una cuerdade disparo. Cada componente debe estar fabri-cado con tolerancias exactas. El diseo y la fabri-cacin de estas cargas huecas se realiza en elCentro de Completaciones de Yacimientos deSchlumberger (SRC) con sede en Rosharon,Texas, EE.UU., donde tambin se prueban deacuerdo con estrictos estndares de calidad.

Una cuerda de disparo activa el detonador yel explosivo principal. El liner colapsa y se formaun chorro de alta velocidad de partculas demetal fluidizado que es impulsado a lo largo deleje de la carga. Este chorro de gran potenciaconsta de una punta ms rpida y una cola mslenta. La punta viaja a aproximadamente 7km/seg [4,4 millas/seg] mientras que la cola semueve ms lentamente, a menos de 1 km/seg[0,6 millas/seg]. Este gradiente de velocidadhace que el chorro se alargue de manera queatraviese el revestidor, el cemento y la forma-cin. Los chorros de las cargas erosionan hastaque consumen toda su energa al alcanzar elextremo del tnel del disparo.

Los chorros actan como varillas de altavelocidad y con un alto poder de expansin. Enlugar de recurrir al estallido, la combustin, laperforacin o el desgaste con abrasivos, la pene-tracin se logra mediante una presin de impactosumamente elevada; 3*106 lpc [20 GPa] sobre elrevestidor y 300.000 lpc [2 GPa] sobre las forma-ciones. Estas enormes presiones de impactohacen que el acero, el cemento, la roca y los flui-dos del poro fluyan en forma plstica haciaafuera. El rebote elstico daa la roca, deja gra-nos de la formacin pulverizados y residuos en lostneles de los orificios recientemente creados.

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5. Klotz JA, Krueger RF y Pye DS: Effect of PerforationDamage on Well Productivity, Journal of PetroleumTechnology 26 (Noviembre de 1974): 1303.

6. El 25 de noviembre de 1998, un can cargado concargas nuevas PowerJet de penetracin profundadisparado sobre un blanco API alcanz un promedio depenetracin de 54,1 pulgadas [37 cm].

> Una fraccin de segundo. En un proceso que dura microsegundos, millones de dlares y meses, oaos de preparacin llegan a su fin cuando el disparo abre un tnel para que los hidrocarburos fluyandentro del pozo. Las cargas huecas, que tienen la capacidad de liberar energa en forma instantneaen un explosivo, utilizan un efecto de cavidad y un liner metlico para maximizar la penetracin (abajoa la izquierda). Las cargas huecas constan de cuatro componentes bsicos: primer, explosivo princi-pal, liner cnico y casco (arriba a la izquierda). Una onda explosiva corre a lo largo de la cuerda dedisparo, activa el detonador y hace detonar el explosivo principal. Una detonacin avanza en formaesfrica, alcanzando presiones de 7,5*106 lpc [50 Gpa] antes de alcanzar el vrtice del liner. El casco de la carga se expande, el liner colapsa y forma un chorro de alta velocidad de partculas de metal fluidizado que es impulsado a lo largo del eje de la carga (derecha).

Casco

Liner cnico

Cuerda de detonacin

Carga hueca

Efectos de cavidad explosiva

Detonacin de la carga

Primer

Explosivo principal

Explosivo Objetivo de aceroLiner metlico

Efecto de cavidad con liner

Acabado plano

Efecto de cavidad sin liner

5 microsegundos

25 microsegundos

40 microsegundos

50 microsegundos

70 microsegundos

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Diseo y comportamiento de las cargasLas cargas huecas estn diseadas para generarcombinaciones ptimas en lo que respecta altamao del orificio y a la penetracin, utilizandoun mnimo de material explosivo. Un chorroasimtrico o torcido provoca una reduccin en elrendimiento de la carga, por lo cual los chorros sedeben formar exactamente de acuerdo con lasespecificaciones del diseo. En consecuencia, laefectividad de las cargas huecas depende de lasimetra de las mismas y de las caractersticasdel chorro. Para lograr mayor penetracin, esnecesario emitir chorros prolongados en formaconstante con perfiles de velocidad ptimos. Elperfil de velocidad se debe establecer entreambos extremos del chorro y los chorros de lascargas deben viajar con la mayor velocidad posi-ble. Si el perfil de velocidad es incorrecto, lapenetracin disminuye.

El tamao del orificio est relacionado con laforma del chorro. Anteriormente, se utilizabanliners de metal slido, a menudo de cobre, paragenerar chorros de alta densidad y orificiosgrandes, lo cual produca restos de metal quetaponaban los orificios. Se pensaba que estefenmeno se compensaba con el dimetro de losorificios y la alta permeabilidad de las forma-ciones en las que se utilizaban las cargas de ori-ficio grande. La nueva tecnologa para eliminarlos restos de metal y maximizar el rea abierta alflujo (AOF, por sus siglas en Ingls) ha reconside-rado este enfoque. Si bien todava se siguen uti-lizando los liners de cobre slido en algunas

1,15

1,0

0,85

0,7

0,55

0,44 8 12 16 20 24

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Espesor de la zona daada, pulg

Cargas PowerJet

Cargas UltraJet

Cargas HyperJet

> Disparo de alto rendimiento. Este grfico muestra la relacin de la produc-tividad en una completacin con disparos con respecto a la completacin ahueco abierto y no daada para varias profundidades de invasin de la for-macin. En una zona daada de 16 pulgadas, con un can de Alta Densidadde Disparo HSD de 338 pulgadas y cargas PowerJet se obtuvo ms del doblede productividad que con las cargas de penetracin profunda HyperJet yUltraJet utilizadas anteriormente.

> Penetracin profunda. Para garantizar la opti-mizacin del rendimiento sobre blancos que nosean concreto, las cargas huecas se pruebancon diferentes materiales: areniscas de granresistencia, concreto estndar y concreto acor-de con la Seccin 1 del API. Sin embargo, losdiseos y los materiales mejorados proporcio-nan la mayor parte del aumento en la penetra-cin. En comparacin con las cargas de pene-tracin profunda (arriba), la nueva lnea de linersde materiales pulverizados de alta densidadPowerJet y la nueva geometra utilizada, dancomo resultado una velocidad y una longitudptimas del chorro adems de presiones deimpacto sumamente elevadas (abajo).

cargas que producen orificios grandes, los diseosms recientes permiten generar los chorros de lascargas sin dejar ningn resto de metal slido.

Penetracin profundaLa invasin de los flui-dos de perforacin y completacin puede oscilarentre pocas pulgadas a varios pies. Cuando eldao de la formacin es severo y los disparos noatraviesan la zona invadida, la cada de presin eselevada y la productividad se ve reducida.5 Losdisparos que atraviesan el dao incrementan elradio efectivo del hueco e interceptan mayor can-tidad de fracturas naturales, si las hubiera. Lapenetracin ms profunda tambin reduce lacada de presin en los intervalos con disparospara prevenir o reducir la produccin de arena.Las cargas PowerJet son las ltimas y ms efi-cientes disponibles y han sido diseadas y fabri-cadas para superar el rendimiento de otras cargaspor al menos un 20 a 30% en ncleos de arenis-cas de gran resistencia (arriba a la izquierda).

Existen nuevos diseos de linersen lo querespecta a los materiales y su geometraquelogran un mayor rendimiento en cuanto a la pene-tracin (arriba a la derecha). Los liners de las car-gas PowerJet estn realizados con materialespulverizados de alta densidad que generan mxi-ma longitud de descarga y mayores presiones deimpacto para maximizar la penetracin.6

Si bien es sabido que los liners de alta densi-dad producen una penetracin ms profunda,resulta difcil trabajar con estos materiales. Losadelantos recientes respecto a las posibilidadesde fabricacin permiten producir liners de alta

densidad en forma constante. Dichos adelantosincluyen el uso de procedimientos estrictos ycontinuados, de herramientas de precisin y unmayor control de calidad (vase "Fabricacin yprueba de las cargas", pgina 66).

Por otra parte, las cargas se prueban dispa-rndolas sobre diferentes materialesncleosde areniscas de gran resistencia, concreto estn-dar y concreto conforme a las especificacionesfijadas por la Seccin 1 del Instituto Americanodel Petrleo (API)de manera que el rendi-miento no sea optimizado slo para los blancosde concreto.

En las rocas de gran resistencia, la pene-tracin se ve reducida hasta en un 75% en com-paracin con los resultados obtenidos sobre elconcreto estndar segn la Seccin 1 del API. Sinembargo, las cargas se pueden fabricar especial-mente para adecuarse a formaciones especfi-cas.7 Durante el desarrollo de las cargasPowerJet, se inici un proyecto para optimizar laeficiencia de las completaciones en formacionesde areniscas duras en Amrica del Sur. El obje-tivo consista en aumentar la penetracin de losdisparos en areniscas cuya resistencia a la com-presin era de 25.000 lpc [172 MPa]. En estosyacimientos con alta permeabilidad, la porosidades moderada y las gargantas de los poros songrandes, lo cual contribuye al dao provocado porel fluido. El bajo nivel de penetracin combinadocon la invasin profunda, result en una baja pro-ductividad de los disparos que no atravesaban lazona daada.

Para mejorar la produccin, se utiliz un sis-tema dividido en tres etapas. Se reformularon los

fluidos de perforacin con el fin de reducir lainvasin y el dao, se duplic el nmero de dis-paros y se disearon cargas especiales paraaumentar la penetracin. En un primer paso seredise slo la geometra del liner, lo cualaument la penetracin de 12,8 a 14 pulgadas [32a 36 cm]. Sin embargo, todava no se haba alcan-zado el objetivo de 16 pulgadas [40 cm]. La pene-tracin aument a 15,9 pulgadas optimizando eldiseo de la carga explosiva. En las pruebas decampo las cargas especiales permitieron mejorarla produccin y la inyeccin. En un pozo inyectorde gas abierto a razn de cuatro disparos por piecon cargas optimizadas se super el rendimientode otros inyectores que tenan 12 disparos por pierealizados con cargas convencionales.

En Australia, dos pozos revestidos concaeras de 7 pulgadas fueron reabiertos a travsde la tubera de produccin con pistolas de 218pulgadas utilizando cargas PowerJet; la produc-cin aument de 300 a 780 bppd [48 a 124 m3/d]y de 470 a 1550 bppd [75 a 246 m3/d]. En otro

caso, un operador en Europa redispar variospozos con cargas PowerJet para mejorar la pro-ductividad y reducir la produccin de arena.Antes de esta operacin se producan ms de 20litros [2,7 gal] de arena por da, mientras que lapresin en el cabezal del pozo era de 2000 lpc[13,8 MPa] y las tasas de produccin de gassuperaban los 2 millones m3/da [70,6 millonespcs/da]. Despus del redisparo, se logr pro-ducir gas libre de arena a razn de 2,5 millonesm3/da a una presin de superficie de 2700 lpc[18,6 MPa]. La eficiencia es importante no slopara los pozos productores, sino tambin para losinyectores. En el sector noruego del Mar delNorte, al redisparar un pozo inyector con cargasPowerJet, la inyectividad del gas aument nueveveces, de 17,6 a 159 millones pcs/da [500,000 a4,5 millones m3/d].

Orificios grandes, menos detritos y opti-mizacin de la resistencia del revestidorLageometra exclusiva del liner de las cargas hue-cas es tambin la base de las cargas PowerFlow,que generan orificios grandes sin dejar restos demetal slido (izquierda). Al aumentar el rea deflujo mejora el emplazamiento de la grava para elcontrol de la produccin de arena y se reducenlas restricciones de la cada de presin causadapor la turbulencia caracterstica de los pozos conaltas tasas de produccin, especialmente en losproductores de gas. Un mtodo de empaquenico patentado por Schlumberger, que incluyecargas huecas PowerFlow, genera el rea msgrande abierta al flujo disponible en la industria,deja al revestidor con una mayor resistenciaremanente y minimiza la cantidad de detritos.8

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7. Smith PS, Behrmann LA y Yang W: Improvements inPerforating Performance in High Compressive StrengthRocks, artculo de la SPE 38141, presentado en laConferencia Europea de Dao de la Formacin de laSPE, La Haya, Holanda, Junio 2-3, 1997.

8. Brooks JE, Lands JF, Lendermon GM, Lopez deCardenas JE y Parrott RA: Perforating Gun Including aUnique High Shot Density Packing Arrangement,Patente de EE.UU., No. 5.673.760 (Octubre 7, 1997).El 8 de octubre de 1999, un can de 7 pulgadas car-gado con cargas PowerFlow a razn de 18 disparos porpie, efecto orificios de 1,14 pulgadas [2,89 cm] dedimetro y estableci un rcord mundial de reaabierta al flujo en el revestidor de 18,5 pulg2/pie [391,6cm2/m].

9. Javora PH, Ali SA y Miller M: Controlled DebrisPerforating Systems: Prevention of an UnexpectedSource of Formation Damage, artculo de la SPE 58758, presentado en el Simposio Internacional sobre Controldel Dao de la Formacin de la SPE, Lafayette, Luisiana,EE.UU., Febrero 23-24, 2000.

10. Behrmann LA, Pucknell JK, Bishop SR y Hsia T-Y:Measurement of Additional Skin Resulting FromPerforation Damage,artculo de la SPE 22809, presen-tado en la Conferencia y Exhibicin Anual de la SPE No 66 , Dallas, Texas, EE.UU., Octubre 6-9, 1991.

Residuo metlico slido

Partculas fluidizadas

> Orificios grandes. Anteriormente, los liners slidos que generaban resi-duos metlicos se utilizaban para producir orificios grandes. Se crea que eltaponamiento de los disparos era compensado por los orificios de dimetrogrande y la elevada permeabilidad de la formacin. La tecnologa que permi-te eliminar los restos de metales slidos y maximiza el tamao del orificio, oel rea de flujo, ha reconsiderado esta teora. Los liners exclusivos consti-tuyen la base de estas cargas PowerFlow. La fotografa de rayos X muestrala formacin del chorro de las cargas UltraPack (arriba) y PowerFlow(abajo). Mientras que el residuo slido de una carga UltraPack es de grantamao, la carga PowerFlow genera slo un chorro fluidizado de partculasmetlicas.

Verano de 2000 59

resultados de laboratorio del permemetroradial confirmaron y cuantificaron este compo-nente del dao inducido por los disparos.10 Eldao puede comprender tres elementos: unazona triturada, la migracin de partculas finasde la formacin y la presencia de detritos dentrode los tneles de los disparos. Las presiones dela onda de vibracin desde la cara de la rocahasta el extremo de los disparos fragmentan laroca adyacente y los granos de la matriz de lafractura, lo cual daa la permeabilidad en sitioespecialmente al reducir el tamao de las gar-

> Control de los detritos. Un sistema de empaque patentado porSchlumberger permite disminuir el riesgo de que los detritos abandonenel can (arriba). Las cargas huecas se colocan en la posicin ms cer-cana posible conforme al tamao del can y la densidad de disparo, demanera tal que no se puedan expandir. El confinamiento estrecho haceque los cascos se quiebren en grandes trozos que permanecen dentro del can (abajo). El hecho de que los orificios de salida del transportadordel can sean pequeos tambin minimiza la cantidad de residuos quepueden escapar.

que puede provocar el colapso del revestidor. Losclculos con elementos finitos para un revestidorde 958 pulgadas abierto con el can de 7 pul-gadas mencionado, indican que la resistencia alcolapso del revestidor alcanza el 78% del valororiginal de un revestidor sin disparos.

Permeabilidad daadaUn efecto secundario y poco conveniente del dis-paro es el dao adicional, que se traduce en unazona de baja permeabilidad alrededor de los dis-paros. El flujo a travs de un solo disparo y los

Los detritos resultantes de las operaciones dedisparo deberan ser minimizados, ya que cons-tituyen un peligro para la integridad del pozo y laproduccin. Los restos de los caones y de las car-gas huecas aumentan el riesgo de aprisiona-miento, se acumulan en el fondo en los pozosverticales, mientras que en los pozos desviadospueden no alcanzar el fondo o pueden llegar a lasuperficie y daar los equipos de produccin. Paracontrolar los detritos se utilizan dos estrategias:

El sistema convencional utiliza cascos de zincque se quiebran en pequeas partculas solublesen cidos, que tambin se pueden hacer circularhacia afuera. Una posible desventaja del zinc esque produce dao a la formacin.9 Las pruebas delaboratorio indican que los fluidos ricos encloruros y el gas que se filtra en un pozo inactivopueden combinarse y precipitar un slido a partirde los restos de zinc que puede atascar loscaones. Otra desventaja son las vibraciones adi-cionales de los caones provocadas por laenerga que se libera cuando el zinc se consumeparcialmente durante la detonacin de la carga.

Debido a estas desventajas, los operadoresestn dejando de utilizar las cargas con cascosde zinc que producen pequeos detritos. Elmtodo de empaque patentado, porSchlumberger, donde los cascos de acero se frag-mentan en trozos grandes que se mantienen en eltubo transportador del can, se est convir-tiendo en la opcin preferida (derecha).

Los caones ms recientes que generanmayor rea abierta al flujo, dejan el revestidorcon disparos con una mayor resistencia rema-nente y producen menor cantidad de detritos,constituyen ejemplos de soluciones especialespara disparar pozos con alta tasa de flujo yempacados con grava. En 1998, Conoco solicitun rea abierta al flujo mayor de la que se encon-traba disponible hasta el momento con cualquiercan comercial, destinadas a aquellos proyec-tos distribuidos por el mundo que requieren altastasas de produccin para garantizar su viabilidadcomercial. Para satisfacer este requerimiento,Schlumberger desarroll un can PowerFlow de7 pulgadas para un revestidor de 958 que produceun rea abierta al flujo un 47% mayor que laobtenida con los caones de orificio grandedisponibles anteriormente y un 31% ms que losdel competidor que ms se le aproximaba.

Al garantizar la adecuada resistencia delrevestidor despus del disparo, los caonesPowerFlow ms nuevos tambin responden a unaspecto cada vez ms importante en el diseo dela completacin; la compactacin de la formacina medida que se agota la presin del yacimiento

gantas de los poros (derecha). Tambin se hanobservado en el laboratorio la migracin de laspequeas partculas generadas por la frag-mentacin del grano, la disgregacin de las arci-llas y los detritos de las cargas que bloquean lasgargantas de los poros y reducen an ms la per-meabilidad.

Los estudios muestran que el dao inducidoaumenta cuando las cargas explosivas son msgrandes.11 El alcance del dao provocado por eldisparo depende de la litologa, la resistencia dela roca, la porosidad, la compresibilidad del fluidoalojado en los poros, el contenido de arcilla, eltamao del grano de la formacin y el diseo delas cargas huecas.12 La investigacin junto con lasimulacin numrica permiten una mejor com-prensin del dao de la permeabilidad en lospozos con disparos, lo cual puede servir paramejorar los diseos de las completaciones.13

La porosidad de la zona triturada, por lo gene-ral, no se ve afectada por el disparo. Al menos enlas rocas saturadas, la densidad y la porosidadalrededor de los disparos son bastante similaresa las que se observan en la matriz no daada. Sibien el disparo produce modificaciones sobre lastensiones de la roca y las propiedades mecni-cas, no compacta la formacin como se creaanteriormente. Adems de los derivados de losexplosivos, otro mecanismo de dao posible es lainyeccin transitoria de los fluidos del pozo quepueden provocar problemas de permeabilidadrelativa.

En las rocas extremadamente duras, lasmicrofracturas creadas durante el disparo puedenservir como trayectorias que en realidad son mspermeables que la formacin y son capaces depuentear el dao provocado por los disparos. Con3000 lpc [20,7 MPa] de desbalance, en algunosncleos de yacimientos y de rocas de afloramien-

tos de gran resistencia, se han medido valores defactor de dao negativos equivalentes a los de untratamiento de estimulacin.14 Sin embargo, eldao inducido por las vibraciones en la mayora delos casos contribuye al factor de dao total,restringe el rendimiento del pozo y puede atenuarlas incrementos de produccin relacionados conotros parmetros de los disparos tales como elnmero de los mismos, el tamao del hueco, elngulo entre los disparos y su penetracin.

La zona triturada puede limitar tanto la produc-tividad como la inyectividad. Los finos y los detri-tos restringen la inyectividad y aumentan la

presin de bombeo, con lo cual disminuyen losvolmenes de inyeccin y se deteriora el emplaza-miento o la distribucin de la grava y los agentesde sostn para el control de produccin de arenao para los tratamientos de fracturacinhidrulica.15 La erosin de la zona triturada juntocon la remocin de los detritos en los disparos pormedio del flujo desde la formacin resultan esen-ciales para disminuir el dao causado por los dis-paros y garantizar el xito del pozo en todos losyacimientos, a menos que sean muy prolficos.

Reduccin del dao provocado por los disparosAnteriormente, los disparos se realizaban conlodos o fluidos de alta densidad en condicionesde presin balanceada o de sobrepresin. Hoy enda, es ms comn utilizar el desbalance paraminimizar o eliminar el dao causado por los dis-paros. Los trminos desbalance (o presin in-versa), balanceada, sobrepresin y sobrepresinextrema (EOB, por sus siglas en Ingls) se refie-ren a las diferencias de presin entre el hueco yel yacimiento antes de disparar. Existe undesbalance cuando la presin dentro del pozo esmenor que la presin de la formacin, en cambio,cuando ambas presiones son equivalentes sedescribe como condiciones de presin balancea-da. La sobrepresin ocurre cuando la presin delpozo es superior a la presin del yacimiento.

60 Oilfield Review

16. Behrmann et al, referencia 1.17. Bell WT: Perforating UnderbalancedEvolving

Techniques, Journal of Petroleum Technology 36(Octubre de 1984): 1653-1652.

18. King GE, Anderson A y Bingham M: A Field Study ofUnderbalance Pressures Necessary to Obtain CleanPerforations Using Tubing-Conveyed Perforating,artculo de la SPE 14321, presentado en la ConferenciaTcnica y Exhibicin Anual No 60 de la SPE, Las Vegas,Nevada, EE.UU., Septiembre 22-25, 1985.

19. Crawford HR: Underbalanced Perforating Design,artculo de la SPE 19749, presentado en la ConferenciaTcnica y Exhibicin Anual No 64 de la SPE, San Antonio,Texas, EE.UU., Octubre 8-11, 1989.

20. Tariq SM: New, Generalized Criteria for Determining theLevel of Underbalance for Obtaining Clean Perforations,artculo de la SPE 20636, presentado en la ConferenciaTcnica y Exhibicin Anual No 65 de la SPE, NuevaOrlens, Luisiana, EE.UU., Septiembre 23-26, 1990.

21. Hsia T-Y y Behrmann LA: Perforating Skins as aFunction of Rock Permeability and Underbalance, artculo de la SPE 22810, presentado en la ConferenciaTcnica y Exhibicin Anual No 66 de la SPE, Dallas,Texas, EE.UU., Octubre 6-9, 1991.

11. Pucknell JK y Behrmann LA: An Investigation of theDamaged Zone Created by Perforating, artculo de laSPE 22811, presentado en la Conferencia y ExhibicinAnual No 66 de la SPE, Dallas, Texas, EE.UU., Octubre 6-9, 1991.

12. Swift RP, Behrmann LA, Halleck P y Krogh KE: Micro-Mechanical Modeling of Perforating ShockDamage, artculo de la SPE 39458, presentado en elSimposio Internacional sobre Dao de la Formacin de laSPE, Lafayette, Luisiana, EE.UU., Febrero 18-19, 1998.

13. Behrmann LA, Li JL, Venkitaraman A y Li H: Borehole Dynamics During Underbalanced Perforating,artculo de la SPE 38139, presentado en la ConferenciaEuropea sobre Control del Dao de la Formacin de laSPE, La Haya, Holanda, Junio 2-3, 1997.

14. Blosser WR: An Assessment of Perforating Performancefor High Compressive Strength Non-Homogeneous Sand-stones, artculo de la SPE 30082, presentado en la Con-ferencia Europea sobre Control del Dao de la Formacinde la SPE, La Haya, Holanda, Mayo 15-16, 1995.

15. Behrmann LA y McDonald B: Underbalance or ExtremeOverbalance, artculo de la SPE 31083, presentado en elSimposio Internacional sobre Control del Dao de laFormacin de la SPE, Lafayette, Luisiana, EE.UU., Febrero14-15, 1996; tambin en SPE Production & Facilities(Agosto de 1999): 187-196.

Roca no daada

Dao de la zona triturada

Revestidor

Dao de la formacin

Cemento

Tnel del disparo

> Dao provocado por los disparos. Alrededor de los tneles de los disparos se crea una zona de per-meabilidad reducida debido al chorro de las cargas huecas. Las presiones de la onda de vibracinpulverizan la roca adyacente, fracturan los granos de la matriz, quiebran la cementacin intergranu-lar y despegan las partculas de arcilla. La fragmentacin de la formacin alrededor de los disparosdaa la permeabilidad en sitio, en especial al reducir el tamao de la garganta del poro. Las fotomi-crografas muestran la roca no daada (figura superior) comparada con la microfracturacin que seobserva en una zona triturada de un disparo (figura inferior).

Verano de 2000 61

Sobrepresin extrema significa que la presin delpozo excede en gran medida la resistencia de laroca, lo cual produce la iniciacin de una fracturao el quiebre de la presin. Tanto la sobrepresinextrema como la fracturacin tratan de puntear eldao.16

El potencial de los disparos en condiciones dedesbalance fue reconocido recin en la dcadadel 60. En los pozos agujereados con desbalancese notaba una tendencia al incremento de la pro-duccin. En la dcada del 70 y principios de los80, los investigadores reconocieron que la efi-ciencia del flujo en las completaciones con dis-paros aumentaba cuando se utilizaban presionescon mayor desbalance. Los estudios demostraronque el flujo inmediatamente posterior al disparolimpiaba los disparos y entonces se recomen-daron distintos criterios de desbalance.17 A partirde entonces se han investigado diversos aspec-tos de los disparos utilizando datos obtenidos enel campo y el laboratorio, los cuales refuerzanconstantemente las ventajas derivadas de unflujo inicial para erosionar las zonas trituradaspor los disparos y arrastrar los detritos resul-tantes.

En un estudio realizado por Amoco en 1985 seevaluaron 90 pozos que fueron acidificadosdespus de ser agujereados con caones bajadoscon las tuberas de produccin en condiciones dedesbalance y se estableci una correlacin entrela productividad y la permeabilidad para fijar cri-terios mnimos de desbalance.18 Los resultadosno indicaban que no existiera dao derivado delos disparos, slo que la acidificacin no eranecesaria ni tan efectiva si el desbalance erasuficiente. Este estudio fue la fuente principal de

Revestidor Formacin no daada Disparo balanceado

Dao de la formacin

Cemento Residuos del disparo

Zona triturada y compactada de baja permeabilidad

Revestidor Formacin no daadaDisparo con presin inversa de 3000 lpc

Cemento

Zona de baja permeabilidad y residuos del disparoexpulsados por el brote del fluido de la formacin

Dao de la formacin

> Disparo en desbalance. En un disparo con sobrepresin o condiciones de presin balanceada sinlimpieza y antes del flujo, el tnel est taponado por los fragmentos de roca y los detritos (arriba). Elflujo de produccin puede remover algunos residuos, pero buena parte de la zona triturada de bajapermeabilidad se mantiene. La oleada inicial generada por un desbalance adecuado durante el dis-paro permite barrer los detritos y erosionar la zona triturada (abajo).

datos de campo para correlacionar el desbalancecon la permeabilidad del yacimiento y elrendimiento de los disparos.

A partir de estos datos, en 1989 se calcularonlas presiones de desbalance mnimas y mximasbasadas en la produccin potencial de arena apartir de las velocidades snicas para los pozosde gas.19 El estudio original de Amoco se volvi aanalizar junto con los nuevos datos.20 A los efec-tos de considerar la permeabilidad, la viscosidady la densidad del fluido, las ecuaciones de des-balance mnimo se basaban en la velocidad delfluido y en el flujo turbulento a travs de los dis-paros. La desventaja era que este modelorequera conocer el espesor de la zona daada, eldimetro del tnel en la roca y la viscosidad delfluido. Por otra parte, los resultados de las prue-bas recientes no demuestran que el desbalancedependa de la viscosidad.

Estos modelos implican que el flujo despus deun brote temprano y transitorio, incluyendo el flujoen un estado seudo estable o los pozos fluyentesdespus de los disparos, es menos importante conrespecto a la limpieza del tnel. Sin embargo, elflujo posterior al disparo puede transportar algunosfinos hacia el pozo y limpiar mejor los disparos.21 Enalgunos casos, esto explica la limitada produccinde arena que se observa cuando los pozos sonpuestos en produccin.

Se cree que la magnitud y duracin de laoleada inicial de presin determinan la limpiezadel dao de la zona triturada. El flujo instantneominimiza la invasin del fluido, afloja la rocadaada y barre los detritos de roca que seencuentran en los tneles de los disparos (abajo).Cunto se afloja el material depende principal-

mente de la magnitud del desbalance. Al brotede alta velocidad le sigue un flujo seudo estable,que resulta menos efectivo porque las tasas y lasfuerzas de arrastre asociadas son menores quelas generadas durante la oleada transitoria ini-cial. El volumen del fluido y el flujo que le sucedems adelante se consideran secundarios.

Los desbalances de presin necesarios paralograr una limpieza efectiva de los disparos yreducir el dao de la permeabilidad se han cuan-tificado mediante pruebas de un solo disparo ypruebas de flujo que proporcionan una compren-sin bsica del mecanismo de reduccin deldao.22 Inmediatamente despus de disparar encondiciones de desbalance, se produce unadescompresin instantnea de los fluidos delyacimiento alrededor del disparo. En estemomento, las fuerzas dinmicasdiferencial depresin y arrastreque reducen el dao de lapermeabilidad erosionando y removiendo los gra-nos de la formacin fracturada de las paredes delos tneles son ms pronunciadas.

Las velocidades de la oleada transitoriadependen del desbalance y de la permeabilidadde la formacin. El diferencial de presin nece-sario para crear orificios limpios y efectivosdepende de la permeabilidad, la porosidad y laresistencia de la roca adems del tipo y eltamao de la carga. Por ejemplo, las cargas depenetracin profunda causan menos dao quelas cargas que producen grandes orificios.Cuando el desbalance se encuentra por debajodel nivel ptimo, el dao de los disparos y la tasade flujo por disparo resultan variables, y la mayorparte de los datos sugiere que para poder mini-mizar o eliminar el dao provocado por los dis-paros, las presiones de desbalance deben sersuperiores a las que se utilizan habitualmente enlos campos petroleros.23

22. Behrmann et al, referencia 10.Hsia y Behrmann, referencia 21.Pucknell y Behrmann, referencia 11.Behrmann LA, Pucknell JK y Bishop SR: Effects of Underbalance and Effective Stress on PerforationDamage in Weak Sandstone: Initial Results, artculo dela SPE 24770, presentado en la Conferencia Tcnica yExhibicin Anual No 67 de la SPE, Washington DC,EE.UU., Octubre 4-7, 1992.Bartusiak R, Behrmann LA y Halleck PM: ExperimentalInvestigation of Surge Flow Velocity and Volume Neededto Obtain Perforation Cleanup, artculo de la SPE 26896, presentado en la Conferencia y Exhibicin RegionalOriental de la SPE, Pittsburgh, Pennsylvania, EE.UU.,Noviembre 2-4, 1993. Tambin en Journal of PetroleumScience and Engineering 17 (1997): 19-28.

23. Behrmann et al, referencia 10.Mason JN, Dees JM y Kessler N: Block Tests Modelthe Near-Wellbore in a Perforated Sandstone, artculode la SPE 28554, presentado en la Conferencia Tcnica y Exhibicin Anual No 69 de la SPE, Nueva Orlens,Luisiana, EE.UU., Septiembre 25-28, 1994.

62 Oilfield Review

Laboratorio de avanzada para elestudio del disparo de ncleos

Muestras simuladas de ncleos del yacimiento

Conductores del disparo

Diferencial de presin de poro del hueco

Presin del hueco

Vlvula del micrmetro

Manmetros de cuarzo de respuesta rpida

Cmara de confinamiento

Acumulador de 30 galones

Placa de disparo que simula el conjunto revestidor-cemento

Acumulador de 5 galones conectado al hueco

Hueco simulado

Pistola con carga hueca

Muestra del ncleo

Conf

inam

ient

o de

las

resp

uest

as r

pida

s

Resp

uest

a in

med

iata

de

l hue

co

Si bien en un primer momento se produce unflujo turbulento con los fluidos de baja viscosi-dad, los resultados de las pruebas indican que laturbulencia no es una condicin necesaria para lalimpieza del orificio. En cambio, la limpieza deldao de la permeabilidad alrededor del disparohoy se relaciona con el arrastre viscoso.24 Losfactores principales son el diferencial de presiny el flujo radial subsiguiente, transitorio y ligera-mente compresible, ya sea laminar o turbulento,que constitua el punto de partida para obtenerecuaciones semiempricas de desbalance y fac-tor de dao con los datos histricos.

Cuando se combinan las ecuaciones empri-cas y tericas obtenidas, se puede calcular eldesbalance ptimo para dao o factor de daonulo en caso de que se utilice un desbalanceinferior al ptimo. El factor de dao provocadopor un solo disparo se puede utilizar en simu-ladores de flujo para obtener el factor de daototal del disparo y evaluar o comparar lasdiferentes opciones de disparo. Esta metodo-loga, que hoy en da constituye el criterio msampliamente aceptado para calcular el desba-lance necesario para obtener orificios con factorde dao cero, surge como resultado de ms deuna dcada de investigaciones en aras de la opti-mizacin de la limpieza de los disparos. Cuandose calculan con este mtodo los valores de des-balance necesarios son de dos a cuatro vecesms grandes que los que resultan de los criteriosutilizados previamente (arriba).

Debido a que el desbalance impacta elrendimiento de los disparos y la productividaddel pozo, resulta esencial entender la dinmicade los fluidos involucrados. Si se comprende

24. Behrmann LA: Underbalance Criteria for MinimumPerforation Damage, artculo de la SPE 30081, presen-tado en la Conferencia Europea sobre Dao de la For-macin de la SPE, La Haya, Holanda, Mayo 15-16, 1995;tambin en SPE Drilling & Completion (Septiembre de1996): 173-177.

25. Behrmann et al, referencia 13.

10.000

1.000

10010.0001.000100

Permeabilidad, mD

Desbalance ptimo versus permeabilidad

101De

sbal

ance

pt

imo,

lpc

Behrmann (1995)King (1985)

Desbalance de 1000 lpc

Desbalance de 1500 lpc

> Criterios de desbalance. El desbalancees ampliamente aceptado como el mto-do ms eficiente para obtener disparoslimpios. Los criterios de desbalance p-timo de presin han aumentado en formasubstancial a lo largo de la ltima dca-da como resultado de cientos de pruebasde laboratorio. Las observaciones decampo realizadas por King et al desarro-llaron criterios basados en la eficienciade la acidizacin de las areniscas.Behrmann estableci una correlacinentre los datos de laboratorio y la fuerzade arrastre viscoso para remover laspartculas finas (izquierda). Las pruebasde laboratorio confirman que para lim-piar los disparos se necesita un mayornivel de desbalance (derecha).

> Pruebas de flujo en disparos individuales. El laboratorio avanzado de flujo perteneciente al SRCincluye dos contenedores para investigar el flujo en los disparos en condiciones que incluyen lasobrepresin en el fondo y la presin de poro y del hueco (arriba). Un contenedor est destinado a los ncleos de hasta 7 pulgadas de dimetro y 18 pulgadas de longitud, mientras que el otro admitencleos de hasta 11,5 pulgadas de dimetro y 24 pulgadas de longitud. Esta disposicin permiterealizar pruebas de flujo a travs de ncleos de afloramientos o de yacimientos orientados desde la posicin horizontal a la vertical (abajo).

Verano de 2000 63

cmo actan las vibraciones, las presiones y elflujo de los fluidos, se podr seleccionar un nivelde desbalance ptimo y disear las herramientasde fondo adecuadas. El laboratorio de flujo avan-zado que se encuentra en el SRC incluye dos con-tenedores de pruebas para investigar el flujo enlos disparos y otras operaciones de completacinbajo condiciones de fondo que incluyen ten-siones de sobrecarga, adems de la presin deporo y del hueco (pgina previa, abajo).

Esta disposicin les permite a los investigado-res disparar y fluir por un solo disparo en aflora-mientos o ncleos del yacimiento orientados

desde una posicin horizontal hasta la vertical concualquier sistema de disparo. El flujo bifsico de pe-trleo y agua y el flujo de gas seco se pueden evaluar a tasas constantes con un registro continuode las mediciones de presin absoluta y diferencial.Los orificios se pueden examinar con una sondaprovista de un video a color durante el flujo a travsdel ncleo mientras se encuentra bajo tensinhidrosttica (arriba). Tambin se pueden evaluarotras operaciones, como la inyeccin de grava y laacidificacin. La dinmica del hueco se puede simu-lar para medir las presiones transitorias, la oleadainicial y las vibraciones causada por los disparos.

La tasa y la duracin de la oleada inicial secontrolan por el desbalance inicial, la permeabili-dad de la formacin, el dao provocado por losdisparos, la profundidad del dao de la formacinen las proximidades del hueco y la naturaleza delos fluidos del hueco y del yacimiento. Los datostransitorios obtenidos inmediatamente despusdel disparo, no adquiridos previamente debido alcosto y a la dificultad de obtener estas medi-ciones, les permiten a los investigadores com-prender el mecanismo de los disparos encondiciones de desbalance (abajo).25 La presindel hueco, el diferencial de presin entre elyacimiento y el hueco, y los datos de oleada ini-cial registrados con resoluciones de milisegun-dos, indican un corto perodo de inyeccin en losdisparos asociado con una sobrepresin transito-ria debida a la inyeccin de los gases de deto-nacin provenientes del can. La magnitud deldiferencial de presin que impulsa la inyeccinde este fluido depende del tamao de la carga yde la permeabilidad de la muestra de la roca.

El disparo en condiciones de desbalance haevolucionado como resultado de las investiga-ciones realizadas con el fin de pronosticar eldiferencial de presin para minimizar el daoprovocado por los disparos. Sin embargo, sedebe evaluar la probabilidad de que exista pro-duccin de arena, el colapso del revestidor, losmovimientos del can y el aprisionamiento delas herramientas, con respecto a los beneficiospotenciales. Los lineamientos del diseoincluyen el desbalance mnimo de presin nece-sario para la limpieza del disparo, el desbalancede presin mximo para evitar el arenamiento ylos colchones de fluidouna columna de gas ode lquidoo anclajes mecnicos para minimizarel movimiento de la herramienta.

> Video del flujo en el laboratorio. El flujo en los disparos se puede examinar en forma visual con una sonda de video a color mientras los ncleos seencuentran sometidos a tensin hidrosttica. A la izquierda se observa un orificio lleno de material pulverizado de la formacin y rodeado de granos fragmentados de cuarzo. En el centro aparece un orificio sin fragmentacin, pero el material pulverizado permanece en el fondo del tnel. A la derecha se observa un orificio libre de material de relleno.

6000

4500

3000

1500

0

-1500

-30000,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

80

60

40

20

0

-20

-40

Tasa

de

flujo

, cm

3 /se

g

Pres

in,

lpc

Tiempo, seg

Presin del hueco Desbalance Tasa de flujo

> Respuestas tpicas de disparo con desbalance de presin y tasas de flujo en funcin del tiempo. Losdatos fueron obtenidos a razn de 2000 muestras/seg en pruebas de flujo con disparo individual, bajocondiciones simuladas de fondo respecto de la tensin efectiva, la presin del pozo y del yacimiento.Despus de la detonacin, la presin del pozo (rojo) aumenta y el desbalance (azul) disminuye, lo cualpermite cierto flujo (verde) dentro de los disparos. A medida que los gases de detonacin entran ensolucin y el can vaco se llena de fluido, la presin del hueco vuelve a caer provocando una olea-da inicial transitoria dentro del pozo. Se considera que este flujo inicial reduce el dao y la cada depermeabilidad en la zona triturada. Luego de la oleada inicial transitoria de alta velocidad sobrevieneuna oleada en estado seudo estable, que podra arrastrar la roca suelta y los detritos de las cargashacia el pozo y limpiar los disparos. La oleada contina hasta que las presiones del pozo y del yaci-miento se ecualizan; es decir se alcanzan condiciones de desbalance cero o balance. Estas mismasrespuestas ocurren en condiciones de balance y de sobrepresin, con la excepcin de que en los disparos de presin balanceada no se produce una oleada y, cuando existen condiciones de sobre-presin, el flujo proviene del pozo y se dirige hacia la formacin.

Optimizacin de los parmetros del disparoLa remocin del dao y la limpieza de los disparosconstituyen elementos importantes dentro deldiseo de los disparos y la ejecucin de los mis-mos, pero tambin se deben tener en cuenta eldimetro y la longitud del tnel dentro de la for-macin, la densidad de disparo o el nmero deorificios especificados como disparos por pie(dpp), la orientacin o fase de los disparoselngulo existente entre los orificiosy el tamaodel orificio de entrada en el revestidor y en elcemento (abajo). La cada de presin provocadapor el dao del disparo depende de dos parme-tros fundamentales: la permeabilidad de la for-macin y el espesor de la zona triturada.

Las completaciones de pozos presentandiferentes requerimientos con respecto a los dis-paros. Despus del disparo, algunos pozos pro-ducen naturalmente grandes volmenes y nonecesitan estimulacin ni manejo de la arenadurante la completacin. Estas completacionesnaturales estn asociadas con areniscas permea-bles, de alta porosidad y gran resistencia y concarbonatos con poco dao de la formacin y unaadecuada conductividad de la matriz. La longitudy densidad de los disparos constituyen losparmetros predominantes que dictaminan laproductividad en estas aplicaciones. Los disparosdeben atravesar el dao inducido por la per-foracin y la invasin de los fluidos. Como reglaprctica, para establecer una conexin efectiva

con la roca no daada, es necesario lograr unapenetracin profunda, que atraviese por lomenos el 50% del dao.

La densidad de disparo y la orientacin o fasetambin desempean roles importantes. El au-mento de la densidad de disparo reduce el daoprovocado por los disparos y los pozos producena presiones inferiores. Si las formaciones sonlaminadas o tienen un alto grado de aniso-tropagrandes diferencias entre las permeabi-lidades verticales y horizontaleses necesarioque la densidad de disparo sea elevada. Amedida que el factor de dao se aproxima a cero,la densidad de disparo adquiere mayor importan-cia. Las cargas orientadas reducen la cada depresin cerca del pozo al proporcionar conductosde flujo en todas las caras del pozo. En el caso delas formaciones naturalmente fracturadas, laorientacin mltiple de las cargas de pene-tracin profunda permite interceptar un mayornmero de fracturas. Si las fracturas naturalesson paralelas, los disparos orientados resultanms convenientes.

Si bien resulta til para calcular la producti-vidad del pozo y evaluar el efecto de los parme-tros del disparo entre los diferentes caones, elanlisis computarizado algunas veces empaa lainteraccin y la importancia relativa de losparmetros correspondientes, ya que al agruparciertos parmetros se ponen de manifiesto lasdependencias subyacentes entre los mismos.Este tipo de anlisis permiti desarrollar unmtodo simple para estimar la productividad delas completaciones naturales con disparos.26 Alcombinar los parmetros del disparo y de la for-macin en un grupo nico adimensional, seobtiene un clculo rpido de la productividadsobre diversas variables que coinciden con losclculos analticos establecidos en los progra-mas de computacin disponibles en el mercado.

Este mtodo, aplicable para los disparos queatraviesan el dao de la formacin en unesquema en forma de espiral, considera que lasprincipales variables que rigen la productividadson: la longitud del disparo, la densidad de dis-paro, el dimetro del tnel, el dimetro en la

64 Oilfield Review

Dimetro del hueco abierto

Angulo de fase

Dimetro del tnel del disparo

Longitud del disparo

Dimetro de la zona triturada

Espaciamiento entre los orificios (dependiente de

la densidad de disparo)

Dimetro de la zona daada

> Parmetros del disparo. Para que resulten efectivos, los disparosdeben atravesar el dao inducido por la perforacin y la invasin delfluido en el pozo. El rendimiento de las cargas huecas se define por eltamao del orificio de entrada en el revestidor y la longitud del tnel.La productividad del pozo, sin embargo, se rige por el dao de la for-macin, la longitud del orificio, la densidad de disparo, el dao provo-cado por el disparo que se mantiene despus del brote generado por el desbalance, y la relacin entre las permeabilidades verticales y horizontales (anisotropa). La densidad de disparo es el nmero de orificios especificados en disparos por pie (dpp). La orientacin o fase es el ngulo entre los orificios.

26. Brooks JE: A Simple Method for Estimating WellProductivity, artculo de la SPE 38148, presentado en laConferencia Europea sobre Dao de la Formacin, LaHaya, Holanda, Junio 2-3, 1997.

27. En la fracturacin hidrulica, se inyecta un fluido a pre-siones superiores a la tensin de ruptura de la forma-cin para crear una fractura, que se extiende endirecciones opuestas desde el pozo. Las alas de la frac-tura se propagan en forma perpendicular al plano demnima tensin de la roca, en un plano preferencial defracturacin. Un agente de sostn, que por lo general esarena, hace que se mantengan abiertos estos conduc-tos que aumentan la efectividad del radio del pozo, per-mitiendo el flujo lineal dentro de la fractura y hacia elpozo. En los tratamientos de la matriz, se inyecta uncido por debajo de las presiones de fracturacin paradisolver el dao inducido o natural que tapona las gar-gantas de los poros. La fracturacin cida que, por logeneral, no incluye el uso de agentes de sostn, esta-blece la conductividad en los carbonatos por erosincida diferencial de superficies no uniformes quemantienen las fracturas abiertas.

28. Una entrada limitada implica bajas densidades de dis-paro1 dpp o menosen una o ms zonas con resis-tencias y permeabilidades diferentes para garantizar elemplazamiento uniforme del cido o del agente de sos-tn al limitar los diferenciales de presin entre los inter-valos agujereados. El objetivo consiste en maximizar losresultados de la estimulacin. Se pueden utilizar sella-dores de goma para bloquear los disparos abiertos yaislar los intervalos una vez que han sido estimulados,de manera que se pueda tratar el prximo intervalo.Dado que los disparos deben estar completamentesellados, el dimetro del orificio y la uniformidad sonimportantes.

29. Behrmann et al, referencia 1.

Verano de 2000 65

pared del hueco, el dao local de la formacinalrededor del pozo, el dao de permeabilidadinducido por los disparos y la anisotropa de la per-meabilidad. La mxima relacin terica de produc-tividad del pozo se define por medio de un canideal con densidad de disparo infinita que permiteagrandar el radio del hueco por una distancia equi-valente a la penetracin del disparo (arriba). As seestablece la productividad terica que se puedeobtener para una completacin natural con dis-paros y se define la eficiencia de productividadmxima de los sistemas de disparo en trminos deun factor adimensional. La aplicacin prctica deeste mtodo reside en determinar el efecto de losparmetros, combinados, el desbalance, el mejo-ramiento de la productividad y los parmetroseconmicos de las operaciones de disparo.

Resulta evidente que tanto la penetracincomo la densidad de disparo son importantes paralas completaciones naturales. La penetracintiene un efecto proporcional que aumenta amedida que el disparo atraviesa el dao de la for-macin. La densidad de disparo tiene un efectoexponencial de 1,5. Por otra parte, teniendo encuenta que el dao provocado por el disparo esinversamente proporcional al factor adimensional,se debera reducir cuando se dispara con el dife-rencial adecuado de desbalance de presin.

En los casos en que no se puede alcanzar unapenetracin profunda, una densidad de disparoelevada resulta particularmente efectiva. En lascompletaciones naturales, el dimetro del tnelen la formacin es el menos importante de losparmetros del disparo y, por lo general, se pro-duce un aumento del tamao del orificio en detri-mento de la penetracin. Un aumento del 10% enel dimetro significa una disminucin de la pene-tracin de alrededor del 20%, mientras que elfactor adimensional se reduce en un 15%. Otrarazn que lleva a restar importancia al tamaodel orificio cuando se seleccionan caones paralas completaciones naturales es que los chorrosde las cargas que abren huecos grandes tambinpueden provocar dao adicional.

Cuando el flujo se ve reducido debido a laanisotropa elevada, al dao causado por los dis-paros o al dao de la formacin, se puede solu-cionar parcialmente seleccionando un can conel mayor factor adimensional, ya sea por pene-tracin profunda, alta densidad de disparo,reduccin del dao por desbalance o una combi-nacin de estos factores. Las mejores estrategiasson aquellas que proporcionan niveles de eficien-cia de la productividad cercanos al 100% (arriba,figura inferior).

N=4

P

N=8 N=

2P + D

Can o pistola ideal

D

> Un mtodo simple para estimar la productividad del pozo. La productividadmxima de un pozo se define por un can ideal con densidad de disparo in-finita, que agranda el dimetro efectivo del hueco (D) por la longitud del orifi-cio, o profundidad de penetracin (P). En las completaciones naturales, estelmite terico de flujo se utiliza para definir la eficiencia del sistema de dispa-ro para aquellos orificios que atraviesan el dao de la formacin siguiendo unesquema en forma de espiral.

0

20

40

60

80

100

1000100

Factor adimensional, 0 = PN3/2d1/2-5/81010,1

Efic

ienc

ia d

e la

pro

duct

ivid

ad, %

P = penetracinN = densidad de disparod = dimetro del disparo = relacin de anisotropa

> La eficiencia de la productividad comparada con el factor adimensional de disparo.

(contina en la pgina 68)

Completaciones estimuladasLos tratamientos de fracturacin y acidificacin,en forma individual o combinados, estimulan laproductividad del pozo.27 Para que la estimu-lacin de un pozo resulte efectiva es necesarioque exista una comunicacin en la mayor canti-dad posible de los disparos, razn por la cual lasoperaciones de disparo se realizan con un des-balance ptimo, con tcnicas de entrada limi-tada, o bien utilizando esferas sellantes o paresde empacadores de conexin que desvan elcurso de los fluidos de estimulacin en formamecnica, para garantizar que los disparos seencuentren abiertos.28 En lugar de crear fracturashidrulicas largas en una formacin, la sobrepre-sin extrema tambin constituye una opcin paramejorar la comunicacin entre los disparos y elyacimiento. Se puede disparar en condiciones deextrema sobrepresin antes de realizar la esti-mulacin por fracturacin para reducir la presinde ruptura.29

Dado que la fracturacin hidrulica a menudose realiza en zonas de baja permeabilidad, el des-balance mnimo necesario para eliminar el daoprovocado por los disparos puede resultar suma-mente elevado. Por otra parte, para garantizar laremocin del dao de los disparos y los detritos serequiere un desbalance mximo y, si el dao no seelimina, los residuos pueden formar un revoqueque limita la inyectividad de los disparos. El flujoentrante, por lo general, no se ve afectado, pero larestriccin puede provocar el aumento de las pre-siones durante la inyeccin. Si el dao del disparono se remueve antes de la fracturacin, podra sernecesario realizar una acidificacin.

Cuando se seleccionan cargas huecas paraaplicaciones de fracturacin se deben balancearlos beneficios de la penetracin y el tamao delhueco. Si bien puede ocurrir que no sea nece-sario que los disparos penetren ms de seis pul-gadas dentro de la formacin, los orificios debentener el tamao adecuado para evitar los des-bordes del agente de sostn, u obturacin en losdisparos o cerca de los mismos. El desborde pre-maturo limita la longitud de la fractura y losvolmenes del agente de sostn que se puedencolocar. Para prevenir los desbordes cuando seutiliza agente de sostn con concentracionesentre moderadas y altas, el dimetro del disparodebe ser por lo menos seis veces mayor que eldimetro promedio de las partculas de agentede sostn. En realidad, se prefiere utilizar undimetro que sea de 8 a 10 veces superior que eldimetro promedio de las partculas para com-pensar posibles variaciones en el rendimiento delas cargas y la posicin del can.

forma del orificio, y reduce drsticamente elrendimiento. Para mantener las toleranciascorrectas, las herramientas de fabricacin degran precisin se construyen y se mantienen enun taller de maquinarias de ltima generacin(arriba). Por medio de operaciones de prensa-do computarizadas se garantiza un alto nivel decalidad y se minimizan las posibles variaciones.

La fabricacin de las cargas est controladapor computadora, pero existe intervencin hu-mana en el manejo de los liners, la verificacinde la existencia de grietas, las inspeccionesvisuales y la limpieza de las herramientas. Los tcnicos fabrican y empacan millones decargas por ao. Se utiliza un sistema de trabajoen equipo con funciones localizadas en una solarea, lo cual facilita la eficiencia de la fabrica-cin y permite optimizar el rendimiento de lascargas. El proceso de fabricacin se aceleramediante la organizacin en reas de trabajodivididas en varios compartimientos, lo cualproporciona la flexibilidad necesaria para po-der ajustarse a los frecuentes cambios en los

66 Oilfield Review

Punzn para elprensado del liner

Mol

dede

pre

nsad

o

Part

cula

spu

lver

izada

s de

l lin

er

Eyector del liner

Fuerza de empuje

2Se presiona con

fuerza el liner

1Se colocan las partculas

pulverizadas del liner en el eyector

3El liner terminado

se eyecta desde el molde

Mol

dede

pre

nsad

o

liner

Eyector del liner

Linerterminado

Fuerza de prensado

6Se moldea la plvora

explosiva a una forma cnica

Punz

n p

ara

pre-

mol

dear

Carga del explosivo

5Se pre-moldea la plvora explosiva

Fuerza de prensado

Punz

n p

ara

pre-

mol

dear

Grano explosivo

4La plvora explosiva se

coloca en el casco de carga

Plvora explosiva

Eyector del casco

Moldede carga

Casco

Fuerza de prensado

7Se inserta el liner y

se prensa contra el explosivo

Punz

n p

ara

inse

rtar

el li

ner

Line

r

8La carga terminada se eyecta

del molde de carga

Carga terminada

Fabricacin del liner

Carga del explosivo< Fabricacin de las cargas huecas. Hoy en da, lamayor parte de los liners son mezclas de partculasmetlicas pulverizadas, inhibidores de corrosin ylubricantes que facilitan el fluir de las partculaspulverizadas (arriba). En una serie de operacionesde prensado, estas partculas pulverizadas toman laforma de un cono utilizando un punzn y un moldemecnicos (centropasos 1-3). El armado de unacarga hueca consiste en colocar un primer en labase de un casco y verter el explosivo principal(centropaso 4). A continuacin, el explosivo principal se nivela y se prensa con grandes cargashasta alcanzar la densidad ptima (abajopasos 5 y 6). La carga se completa presionando un linerdentro del explosivo (abajopasos 7 y 8).

casco, se nivela y se prensa con una gran cargapara lograr la densidad ptima. Por ltimo, seprensa un liner en el explosivo para completarla carga.

Si bien parece simple desde un punto devista conceptual, la fabricacin de las cargashuecas requiere una gran precisin. Loscomponentes de la cargael casco, el primer,el explosivo y el linerdeben ajustarse aestrictos estndares de calidad y deben ser fa-bricados con niveles de tolerancia muy estrictospara garantizar que los chorros perforantes seformen exactamente de acuerdo con las especi-ficaciones del diseo. El colapso de un liner nouniforme provoca irregularidades en las densi-dades, las formas y los perfiles de velocidad delas descargas, lo cual perjudica el tamao y la

En la mayor parte de las cargas utilizadas porSchlumberger los liners slidos han sido reem-plazados por mezclas de partculas metlicaspulverizadas y prensadas, inhibidores de corro-sin y lubricantes que facilitan el fluir de laspartculas pulverizadas. En el Centro de Com-pletaciones de Yacimientos de Schlumberger(SRC) con sede en Rosharon, Texas, los liners ylas cargas se producen en una serie de opera-ciones de prensado (abajo). Con los componen-tes pulverizados se forma un cono utilizando unpunzn mecnico. Por lo general, se utilizanpartculas pulverizadas de cobre, tungsteno, es-tao, zinc y plomo para producir la densidad dechorro y la velocidad necesarias, que son laspropiedades crticas para el rendimiento de losdisparos. El explosivo principal se vierte en un

Fabricacin y prueba de las cargas

> Herramientas de fabricacin. Para mantener latolerancia correcta, Schlumberger produce y man-tiene matrices, punzones mecnicos y equipos deprecisin para los que existe un taller de maquina-rias interno con los ltimos adelantos tecnolgicos.

Verano de 2000 67

requerimientos de las completaciones de lospozos (izquierda). Los parmetros de fabricacinse despliegan en tiempo real para poder detectarposibles desviaciones durante el proceso.

El control de calidad se mantiene sobre todoslos materiales utilizados en la fabricacin de lascargas, desde los cascos y las partculas metli-cas pulverizadas hasta los explosivos. El controlde todas las cargas se realiza por medio de unabase de datos que incluye los nmeros de serie,tarjetas de historial, diseos asociados e infor-macin histrica (abajo). Estos registros permi-ten controlar da a da la calidad de produccinde las cargas huecas y resalta las mejoras defabricacin que influyen en el rendimiento delas cargas. Por ejemplo, ciertos procedimientosiniciados mientras se desarrollaban nuevas car-gas de penetracin profunda fueron implemen-tados en otras cargas, con lo cual se logrmejorar su rendimiento.

Los sistemas de disparo se prueban deacuerdo con los procedimientos determinadospor la norma RP 43, 5ta. Edicin de la Seccin 1del Instituto Americano del Petrleo (API).1 Lasnuevas normas RP 19B son compatibles con laRP 43, pero se exige una mayor revisin paraprevenir inconsistencias en los blancos de dis-paro.2 La arena utilizada en los blancos de con-creto se especifica como mallado americano16/30. Este cambio, que se encuentra en procesode implementacin, fue aprobado recientemen-te con el fin de solucionar discrepancias en laspruebas de profundidad de penetracin origina-das en las grandes variaciones en los tamaosde los granos de arena utilizados para fabricarlos blancos de concreto.3

Schlumberger realiza las pruebas API en elSRC sobre grandes blancos de concreto (dere-cha). Estas pruebas incluyen la certificacin denuevas cargas, adems de la recertificacin pe-ridica, para garantizar que los datos publicadosrepresenten efectivamente las cargas que seestn produciendo en ese momento. Las instala-ciones donde se realizan las pruebas API tambinse utilizan para pruebas especiales de los clien-tes que incluyen blancos del tipo de los incluidosen la Seccin 1 del API. Resultan de gran interslas pruebas especiales que comprenden diversasgeometras del revestidor o de la completacinque no se encuentran dentro de la configuracinestndar de la norma RP 43 del API.

1. El Instituto Americano del Petrleo (API) consulta con laindustria del petrleo y el gas, considera las sugerenciasy la informacin que recibe de las compaas de servi-cios, los operadores y las organizaciones cientficas yrecomienda procedimientos para equilibrar las necesida-des, la tecnologa y las opiniones de los proveedores deservicios dentro de la industria petrolera.

2. La norma RP 19R, Primera Edicin, del API es una versinrevisada de la RP 19B, segn la cual las pruebas se pro-graman y se registran en el API y pueden ser presencia-das por terceros. La norma RP 19R tiene la ventaja deque las compaas fabricantes se comprometen a pro-gramar y registrar las pruebas, las que merecen unmayor grado de confianza que durante la vigencia de la norma RP 43.

3. Brooks JE, Yang W y Behrmann LA: Effect of Sand-GrainSize on Perforator Performance, artculo de la SPE39457, presentado en el Simposio Internacional sobreControl del Dao de la Formacin de la SPE, Lafayette,Luisiana, EE.UU., Febrero 18-19, 1998.

Agua

Briqueta de prueba

Receptculo de acero

RevestidorCan

Cemento de 28 das

> Pruebas de las cargas huecas. En el centro SRC,Schlumberger lleva a cabo las pruebas API sobregrandes blancos de concreto (arriba). Las pruebasincluyen tanto la certificacin de nuevas cargascomo la recertificacin peridica de las cargas exis-tentes. Las instalaciones de pruebas API se utilizanpara pruebas especiales de clientes que incluyenblancos del tipo de los comprendidos en la Seccin1 del API y pruebas que involucren distintas confi-guraciones de revestidores y completaciones depozos que difieran de las que se ajustan a laconfiguracin RP 43 del API (abajo). Las com-paas petroleras utilizan estas instalaciones y elresto del SRC en forma habitual para llevar a cabopruebas especiales.

> Funciones de la fabricacin. Los equipos de tcni-cos capacitados arman y empacan millones de car-gas por ao. Para facilitar la fabricacin eficiente y de alta calidad y el comportamiento ptimo de las cargas, las operaciones de prensado del liner yrecargado de las cargas se concentran en un sololugar (arriba). Las reas de trabajo divididas envarios compartimientos otorgan flexibilidad y lacapacidad de responder en forma rpida a las nece-sidades cambiantes de las operaciones de disparo.Una habitacin de pesaje especial se utiliza paracontrolar cuidadosamente el contenido explosivo de las cargas huecas (abajo).

> Garanta de calidad. Se mantiene un estricto con-trol de todos los materiales desde los cascos de ace-ro y las partculas metlicas pulverizadas hasta losexplosivos y las herramientas mecnicas utilizadaspara fabricar las cargas. Un despliegue en tiemporeal les permite a los tcnicos identificar rpida-mente las desviaciones ocurridas en el proceso defabricacin y una base de datos registra cada unade las cargas. Estos registros se utilizan para super-visar las operaciones diarias y permiten cuantificarlos avances del proceso de manera tal que los nue-vos procedimientos que afecten el rendimiento de los disparos puedan ser implementados en todo elproceso de fabricacin de otras cargas.

(contina en la prxima pgina)

Los disparos constituyen el punto donde lapresin se pone en contacto con la formacin yse inician las fracturas. Con excepcin de las tc-nicas de entrada limitada y de las que usanagentes divergentes, es importante disear losdisparos de manera tal que se minimice la cadade presin en todos ellos durante el bombeo y laproduccin subsiguiente, incluyendo las prdidaspor friccin en los disparos, los puntos de acua-miento del microespacio anular y las tortuosi-dades provocadas por fracturas curvadas yfracturas mltiples o asimtricas.

Las tasas de inyeccin de los fluidos afectandirectamente el bombeo en la superficie y las pre-siones de iniciacin de la fractura. Las tasas y laspresiones elevadas promueven la iniciacin de lafractura en sitios individuales. Cuando las tasasson bajas, la presin de inyeccin se reduce y lasfracturas se pueden iniciar a partir de los disparosy puntos discretos alrededor del pozo. La densi-dad de disparo se calcula durante el diseo de lafractura. Una densidad de disparo mnima depen-de de varios factores: la tasa de inyeccin nece-saria por disparo, las limitaciones de la presin enla superficie, las propiedades de los fluidos, lostamaos de las tuberas de completacin, la pr-dida de presin por friccin aceptable de los dis-paros y el dimetro del orificio de entrada (arriba).

En algunos casos, despus de la cemen-tacin, las pruebas de integridad de la presin enel revestidor, el desplazamiento de los fluidos deperforacin o de completacin, o bien como con-secuencia de las operaciones de disparo ybombeo que debilitan la adherencia hidrulica

entre el cemento y la formacin (abajo) se creaun microespacio anular, lo que se debera evitardebido a los puntos de acuamiento, o restric-ciones de flujo, resultantes.

Si existiera un microespacio anular o la posi-bilidad de inducirlo a partir de los disparos, sedeben considerar varios factores.30 Para mini-mizar los puntos de acuamiento y reducir la tor-tuosidad de la trayectoria del flujo, los pozos coninclinaciones inferiores a 30 deberan ser agu-jereados con caones de 180 de fase dentro delos 10 con respecto al plano preferencial defracturacin (PFP, por sus siglas en Ingls). Ladireccin del PFP se puede inferir a partir de lageologa local o los registros de pozos.31

68 Oilfield Review

10

9

8

7

6

5

4

1

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Dimetro del disparo, pulg

Tasa

de

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, bbl

/mln

2

3

Cada de presin de 25 lpcCada de presin de 50 lpcCada de presin de 100 lpcCada de presin de 200 lpc

> Tasa de inyeccin comparada con el dimetro del orificio para un fluido de frac-turacin a base de agua. El tamao mnimo del orificio y la densidad de disparo paralos diseos de estimulacin por fracturacin dependen de la tasa de inyeccin pordisparo requerida, de las limitaciones de presin en la superficie, de las propiedadesde los fluidos, de los tamaos de las tuberas de las completaciones, de la prdida por friccin aceptable en los disparos y del dimetro del orificio de entrada.

>30

Plano preferencial de fracturacin

Punto de acuamiento

Microespacio anular

(PFP)

> Puntos de acuamiento. Un microespacio anu-lar se origina por el debilitamiento de la adheren-cia hidrulica entre el cemento y la formacin.Debido a las tortuosidades, la restriccin del flujoy el aumento de presin que acompaan a losmicroespacios anulares, estos ltimos y los pun-tos de acuamiento relacionados con los mismosse deberan evitar. Si el ngulo entre los disparosy el PFP es superior a 30, se inicia una fractura.

En los comienzos de un nuevo ciclo de produc-cin, se dispara un mnimo de dos cargas sobrelos blancos construidos de acuerdo con los es-tndares de Schlumberger utilizando transporta-dores de caones reales en un claro (stand-off)de agua que simula las condiciones de fondo.Estos blancos de concreto tienen una resistenciaa la compresin mnima de 5000 lpc [34,5 MPa].La penetracin esperada se calcula sobre labase de la Seccin 1 del API y se establece unaexigencia de penetracin mnima para la fabri-cacin. La produccin completa comienza unavez que los resultados de las pruebas indicanque se han superado los requerimientos mni-mos. Para controlar la calidad de la carga serealizan mediciones repetidas de la penetracintotal del blanco y del tamao mnimo y mximodel orificio de entrada.

Durante el ciclo de fabricacin, se realizanpruebas peridicas para confirmar que se estnrespetando las especificaciones de funciona-miento establecidas con respecto a los estn-dares de penetracin y tamao del orificio. Lasmuestras se prueban cada 240 cargas en los ci-clos largos y cada 120 cargas en los ciclos mscortos asociados con las cargas de alta tempera-tura. Para verificar la integridad del casco y elliner se realiza una prueba de vibracin o cada,y tambin se comprueba la sensibilidad de latransferencia balstica. Se realizan medicionesdetalladas acerca de todos los componentessobre grupos de cargas escogidas en forma alea-toria. Se almacenan algunas cargas de cada ciclode fabricacin con el fin de realizar auditoras.Durante este perodo, se extraen cargas de losbunkers de almacenamiento y se disparan aintervalos regulares para comprobar los efectosde envejecimiento de las cargas. Las auditorasinternas tambin verifican el funcionamientocorrecto de las cargas.

Las instalaciones del SRC destinadas a rea-lizar pruebas, si bien se utilizan principalmentepara evaluar las cargas nuevas y calificar losequipos de disparo, tambin estn disponiblespara que las compaas petroleras hagan uso delas mismas para el planeamiento de las comple-taciones y el anlisis de condiciones de pozosdifciles. Adems de mejorar el rendimiento delos caones, la posibilidad de realizar pruebasestndares y especiales les permite a los investi-gadores y a los clientes adquirir confianza en lastcnicas de disparo, verificando que los sistemasfuncionen en forma continua en las condicionesde temperatura y presin registradas a lo largode toda la operacin.

Disparos

Esfuerzo mximo

Esfuerzo mnimo

60

Fractura

PFP

Disparos efectivos

En las pruebas de laboratorio realizadas agran escala sobre la iniciacin de la fractura a tra-vs de los disparos reales, se observa que los si-tios de iniciacin de las fracturas se encuentran,por lo general, en la base de los disparos y en lainterseccin del PFP con el hueco.32 El sitio de ini-ciacin de la fractura depende de la orientacinde los disparos en relacin con el PFP. Cuandoeste ngulo es mayor de 30, las fracturas ocu-rren en los lugares donde no existen disparos. Siuna fractura no se inicia en los disparos, el fluidoy el agente de sostn deben atravesar la interfaseentre el cemento y la formacin para llegar a unafractura, con lo cual aumentan las presiones detratamiento, puede ocurrir un desborde prematuro

Verano de 2000 69

y existe la posibilidad de que se produzcan frac-turas mltiples o asimtricas.

La orientacin o fase de los disparos tambines importante en la fracturacin. La tortuosidad apartir de la trayectoria curvada de una fracturaresulta de una falta de alineacin entre la orien-tacin del can y el PFP. Los disparos orientadostienden a crear fracturas mltiples. Todos estosfactores provocan el incremento de las presionesde fracturacin.33

Los pozos verticales con inclinacionesmenores de 30 se deberan disparar concaones de 180 de fase, dentro de los 10 conrespecto al PFP para aumentar el nmero de dis-paros abiertos a una fractura, maximizar la ampli-tud de la fractura cerca del pozo y reducir lapresin de iniciacin de la fractura, o de punto de

30. Behrmann LA y Nolte KG: Perforating Requirements forFracture Stimulations, artculo de la SPE 39453, presen-tado en el Simposio Internacional sobre Control delDao de la Formacin de la SPE, Lafayette, Luisiana,EE.UU., Febrero 18-19, 1998.

31. Brie A, Endo T, Hoyle D, Codazzi D, Esmersoy C, Hsu K,Denoo S, Mueller MC, Plona T, Shenoy R y Sinha B:New Directions in Sonic Logging, Oilfield Review 10,no. 1 (Primavera de 1998): 40-55.

32. Behrmann LA y Elbel JL: Effect of Perforations onFracture Initiation, artculo de la SPE 20661, presentadoen la Conferencia Tcnica y Exhibicin Anual No 65 dela SPE, Nueva Orlens, Luisiana, EE.UU., Septiembre 23-26, 1990.

33. Romero J, Mack MG y Elbel JL: Theoretical Model andNumerical Investigation of Near-Wellbore Effects inHydraulic Fracturing, artculo de la SPE 30506, presen-tado en la Conferencia Tcnica y Exhibicin Anual No 70de la SPE, Dallas, Texas, EE.UU., Octubre 22-25, 1995.

> Fracturacin de pozos verticales y pozos muy inclinados. En los intervalos verticales y en los huecoscon inclinaciones inferiores a 30, se recomienda utilizar los caones con una fase de 180 dentro delos 10 con respecto al plano preferencial de fracturacin (PFP) (arriba a la izquierda). Si no se conocela direccin del PFP, se debe optar por una orientacin de 60 y altas densidades de disparo (abajo a laizquierda). Si la inclinacin del pozo supera los 30 y el hueco se encuentra dentro del PFP o cerca delmismo, se deben utilizar caones con una fase de 180 para disparar hacia arriba y hacia abajo (arribaa la derecha). A medida que los huecos se alejan del PFP, los intervalos agujereados deberan disminuir,por lo cual puede resultar ms efectivo utilizar un ngulo de 60 en lugar de 180 (abajo a la derecha).Los disparos se debern concentrar en intervalos cortos con mxima densidad de disparo y la orien-tacin necesaria para optimizar la comunicacin con una fractura dominante en cada intervalo.

ruptura. Si no se conoce la direccin del PFP, o sino es posible determinar la orientacin, serecomienda un ngulo de 60 o 120.

Cuando la inclinacin del pozo es mayor de30 y un hueco se encuentra dentro del PFP ocerca del mismo, se recomienda utilizar loscaones con un ngulo de 180 orientados paradisparar hacia arriba y hacia abajo. Se puede uti-lizar la Herramienta de Disparo Orientada porCable de Acero (WOPT, por sus siglas en Ingls)para orientar caones bajados con cable de aceroen pozos verticales y no verticales. Por otra parte,se encuentran disponibles varios mtodos alter-nativos para orientar los caones TCP. A medidaque los huecos se alejan del PFP, los intervalosagujereados deberan disminuir, por lo cualpuede resultar ms efectivo utilizar un ngulo de60 en lugar de 180 (izquierda).

En el caso de pozos muy desviados y pozoshorizontales, en los que el ngulo entre el huecoy el PFP supera los 75, los disparos se debenconcentrar en un rea reducida y utilizar una den-sidad de disparo mxima con ngulos de orien-tacin que optimicen la comunicacin con unafractura dominante en cada intervalo.

Manejo de la produccin de arena:control o prevencin?Dependiendo de la resistencia de la formacin,las tensiones de los disparos, la tasa de flujo y eltipo de fluido, la arena se puede producir con elpetrleo, el gas y el agua cuando la tasa de flujoes suficientemente elevada y existen granos dela formacin no consolidados o sueltos en losdisparos o alrededor de los mismos. Las causasprincipales de la produccin de arena son loscambios en la tasa de flujo relacionados con lacada de presin, el aumento de la tensin efec-tiva debido al agotamiento de las reservas y elaumento de la produccin de agua con el trans-curso del tiempo.

Para controlar la produccin de arena se uti-lizan mtodos mecnicos que la excluyen de losfluidos producidos. Las tcnicas de prevencintratan de minimizar o eliminar la cantidad dearena producida, adems de reducir su impactosin utilizar mtodos de exclusin mecnicos. Laseleccin entre estas opciones depende de laestabilidad de los disparos y de la formacin yadems se tiene en cuenta si existe la posibilidadde predecir el fracaso de la operacin de disparo.La esencia del manejo de la produccin de arenaes la cuantificacin del riesgo de produccin, locual les permite a los operadores decidir si sedebe implementar un sistema de control o de pre-vencin y cmo y cundo hacerlo (arriba).

Existen diversos mtodos que permiten pre-decir la estabilidad del tnel de los disparos a lolargo de la vida de un pozo. Los modelos tericosde estabilidad del hueco adaptados a los dis-paros resultan tiles a medida que se modificanlas condiciones de tensin debido a la cada de lapresin y al agotamiento de las reservas.34 Losmtodos experimentales comprenden pruebas dencleos del yacimiento o de rocas de afloramien-tos con propiedades similares.35 Los criterios parapronosticar la produccin de arena basados en elhistorial de produccin, que es la tcnica msampliamente utilizada, confan en la experienciaobtenida en otros pozos y la correlacin de laresistencia de la roca para calibrar los modelostericos y poder seleccionar entre los sistemasde control o prevencin.36

El disparo como sistema de control, parte dela suposicin de que la produccin de arena esinevitable y que ser necesario colocar empaquesde grava, fracturas empacadas u otras tcnicasmecnicas para eliminar la arena del flujo de pro-duccin. El disparo debe tener en cuenta el nivelde desbalance adecuado para minimizar la cadade presin, y remover toda la arena suelta paralimpiar los tneles de los disparos y poder realizarun emplazamiento ptimo de la grava. Como sis-tema de prevencin, el diseo de los disparos

tiende a evitar la produccin de arena a lo largode la vida de un pozo. Una decisin correctaafecta tanto los costos iniciales como la tasa deproduccin y la recuperacin total del pozo.

Requisitos del control de la produccin dearenaHabitualmente se cree que en las formacionesdbiles y no consolidadas no existen disparosabiertos en la formacin, con lo cual la nicaabertura para emplazar la grava sera el huecoque atraviesa el revestidor y el cemento. Estateora general sostiene que si las formacionesson dbiles y se produce arena junto con hidro-carburos, existen pocas posibilidades de queexistan tneles abiertos. Sin embargo, tanto laspruebas de un solo disparo como las de disparosmltiples demuestran que esa regla no se cumpleen todos los casos. Por el contrario, la investi-gacin indica que la definicin de los disparos enlas arenas dbiles depende fundamentalmentede la resistencia de la roca, pero tambin deotros factores, como la tensin efectiva, el des-balance, la distancia entre los disparos adya-centes y los fluidos en los espacios de los porosy en el hueco.

Cuando los tneles de los disparos no estndefinidos, el objetivo de disparar para realizar operaciones convencionales con empaques degrava consiste en minimizar la cada de presin entodo el hueco relleno de grava en el revestidor yel cemento. Esa cada de presin est determina-da por el rea total abierta al flujoel rea dehuecos individuales multiplicada por el nmerototal de disparos, la permeabilidad de la gravay la tasa de flujo por disparo. En las pruebas rea-lizadas sobre muestras de ncleos se observa quecuando los tneles se encuentran defi