punzado y daño de formación mayo 2014 tecnicatura superior en yacimientos hidrocarburíferos no...

Punzado y daño de formación

Mayo 2014

Tecnicatura Superior en Yacimientos Hidrocarburíferos No Convencionales

Terminación y reparación de pozosUnidad 3

Ministerio de EducaciónUniversidad Tecnológica NacionalFacultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzadoMinisterio de Educación

Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional del Neuquén

La necesidad de comunicar el pozo con la formación existe desde el primer pozo. No solamente hay que hacer orificios en el casing y el cemento pero hay que generar túneles suficientemente largos para conectar el pozo con una cierta superficie de roca virgen. Y la formación de este túnel no debe generar daño adicional a la matriz.

Punzado: es la perforación del casing y del cemento.

Esto se realiza mediante cañones con "cargas moldeadas" unidas por un cordón detonante activado desde la superficie mediante un cable especial.

Camión de perfilaje

Cable

conductor

Cuenta

cuplas

Registrador

Oscilador

Cuerda

explosiva



Carga moldeada (Carga hueca): consiste en un cono metálico rodeado de una cierta cantidad de explosivo de alto poder detonante, comprimido dentro de una carcaza de acero o aluminio.

La onda expansiva, iniciada en el ápice de cada carga, se propaga a través del explosivo de la misma hacia el vértice del cono con una velocidad cercana a los 6000 m/seg, generando una presión del orden de los 3 x 105 kg/cm2. Bajo estas condiciones el material del cono se comporta esencialmente como un fluido y se desplaza hacia el interior del mismo. Al llegar al eje se produce una colisión, de la que resulta la formación de dos chorros: uno anterior que tiene una velocidad aún mayor que la de la onda expansiva y penetra en el blanco, y un chorro posterior que se mueve hacia atrás con respecto al centro de masa con una velocidad inferior a la de la onda expansiva.

El chorro anterior choca con alta velocidad contra el blanco, atravesando fácilmente la cañería, el cemento y la formación.


Operaciones de punzado



•El túnel.•La extremidad del túnel que es generalmente rellenada por residuos de la explosión (restos del liner, del casing,…).•Una zona donde los granos de la matriz son rotos y compactados. Según la carga utilizada esta zona puede ser parcialmente vitrificada.•La matriz en condición anterior al punzado (zona dañada por la perforación cerca del pozo y zona virgen)


Operaciones de punzado: norma API-RP19B

Sistemas de punzado

• Cañones para casing (recuperables y descartables),

• Punzados por tubing con cargas

• cañones con empaquetadura (packer).



Recuperables

Las cargas huecas son colocadas dentro de un tubo de acero a prueba de presión, que absorbe la energía lateral liberada en el momento de la explosión. El cañón tiene un diámetro ligeramente menor al diámetro interior del casing. Los cañones son sellados y no permiten la entrada de fluidos sobre las cargas hasta luego de detonarlas. Las cargas se disparan a través de tapas reemplazables y los cañones pueden volver a emplearse en varias operaciones.

Por efecto de la descentralización del cañón, parte de las cargas están más alejadas del casing. Esta mayor distancia que debe recorrer el jet implica una pérdida de presión y por ende una menor eficiencia, por lo cual se debe utilizar cañones de mayor diámetro posible según la instalación existente.


Operaciones de punzadoCañones para casing (Casing perforating guns)

Recuperables

Los recuperables son pre-agujerados frente a las cargas, sin embargo este agujero es sellado con una capsula. Hoy son poco utilizados por el requerimiento en mantenimiento (lavado, control de deformación). Con el uso se tuercen y por lo tanto pueden atascarse en un pozo.

Desventaja. El fluido de terminación se encuentra mas tiempo en contacto con la formación, la que para las siguientes maniobras hay que ahogar el pozo





Recuperables

Recuperables

Las ventajas de este tipo de cañones son las siguientes:

•No dejan desechos en el pozo.•No dañan la cañería ya que absorben la energía lateral.•Es un dispositivo robusto y de fácil descenso, aún en condiciones críticas de pozo, presión y temperatura.•Al estar los componentes explosivos encerrados dentro del cañón, son operacionalmente muy seguros.

Desventaja:•El fluido de terminación se encuentra más tiempo en contacto con la formación, la que para las siguientes maniobras hay que ahogar el pozo



Descartables

Estos cañones no son pre agujerado, y por lo tanto serán perforados junto con el casing. Por efecto de la detonación el agujero tiene rebaba sobre la salida, lo cual equivale a un incremento del diámetro exterior del cañón y puede dificultar su salida del pozo.

Para minimizar eso se puede utilizar cañones de menor diámetro y por lo tanto de menor eficiencia o cañones parcialmente maquinados frente a cada carga (scallop).



Descartables: Los tamaños de cañones más comunes son de 5”, 4”, 3 5/8”, 3 1/8”, “2 ½”, 2”, 1 ¾” y 1 ½”.Los cañones pueden ser bajados con cable (WCP: Wireline Conveyed Perforating) o a la punta de un tubing o de un coiled tubing (TCP: Tubing Conveyed Perforating).




Operaciones de punzadoPunzados a través de tubing (wireline conveyed thru tubing guns)

Este sistema se utilizan cuando la instalación de producción ya está en posición. Visto la gran diferencia de diámetro entre el cañón y el casing, hay una mala centralización y por lo tanto una gran variedad en diámetro de entrada y longitud de túnel según la posición axial.

Si el diámetro interno del tubing y el tamaño de las cargas lo permiten se utilizarán cañones. Pero con menor diámetro de tubing puede ser necesario eliminar el tubo (cañón) para para poder pasar las cargas que serán colgadas de un soporte flexible (ristra). Con este sistema gran parte de las cargas detonadas quedan en el fondo del pozo, algo a tener en cuenta si luego se debe hacer operaciones como CTU. También se debe tomar en cuenta que los cañones tipo ristra deforman mucho más el casing que un cañón más centralizado.

En este sistema, cada carga hueca está protegida individualmente por una cápsula de material destruible tal como aluminio, vidrio o cerámica, y unidas entre sí por diferentes sistemas, de acuerdo al modelo



Las cargas de aluminio son de costo menor, pero presentan las siguientes limitaciones:•Se desgastan rápidamente por fricción.•No resisten a los ácidos.•Son permeables al gas, lo que puede reducir la penetración apreciablemente.•El cañón es frágil, pudiendo romperse durante el descenso.•Los desechos pueden llegar a tapar el pozo.

Las cargas de vidrio o cerámica son montadas en flejes o planchuelas recuperables, dejando desechos finos y no perjudiciales en el pozo, siendo además impermeables al gas.

La carga de cerámica es la única que se adecúa a condiciones de alta presión y temperatura y tiene una elevada resistencia mecánica al desgaste.

Cañones con empaquetadura (con packer)

Esta técnica consiste en armar los cañones de 4” descartables de la longitud deseada, con el packer y la instalación de producción (niples, stinger y tubing), bajarla hasta la profundidad adecuada para el punzado. Para esto se pone en profundidad con un perfil de rayos Gamma antes de fijar el packer

Una vez fijado el packer, se baja el nivel del fluido de terminación a una profundidad determinada por gráficos (según la profundidad, presión estimada de capa, etc.), se acondiciona la boca de pozo y se procede a detonar los cañones.

Este sistema permite la limpieza inmediata de los agujeros, debido a que la packer aislar la zona de interés de la presión hidrostática en el momento del punzado. Además, un registro de presiones a lo largo de la operación y para cada zona punzada, permite calcular un índice de productividad por zona.



Cañones con empaquetadura (con packer)Se pueden punzar en pozos verticales y pozos horizontales, donde inclusive se pueden orientar los cañones




Operaciones de punzado: Underbalance versus Overbalance


Operaciones de punzado: Extreme Overbalance (EOB) con gas comprimido

Para mejorar la eficiencia del punzado se han desarrollado técnicas que permiten romper la zona dañada alrededor del túnel y generar fracturas cortas en la cercanía del pozo. Estas técnicas son principalmente utilizadas en formaciones donde será difícil de iniciar una fractura hidráulica (limitación en el equipamiento de completación, altas presiones de ruptura). Para eso, al momento de disparar el punzado, se va generar un muy alto desbalance desde el pozo hasta el reservorio, de donde el nombre de punzado “Extreme Overbalance” (EOB).)


Operaciones de punzado: Extreme Overbalance (EOB) con gas comprimido

Otra manera de generar una alta presión frente a los punzados consiste en colocar una camisa de un material propelante (explosivo de reacción “lenta”: milisegundos vs. los microsegundos del disparo). Cuando se dispara el cañón el jet perfora el propelante e inicie su combustión, lo cual genera de alta presión frente a los nuevos punzados. Por inercia es fácil que el gas entre en los punzados en lugar de mover por arriba toda la columna de fluido del anular

La penetración dentro de la formación de una carga moldeada, es un factor de importancia para la productividad del pozo, supere en varios centímetros a la zona dañada, de manera que comunique la zona virgen con el pozo. Una vez logrado esto, la densidad de tiro, el tamaño del orificio y la limpieza del hueco, se transforman en los factores determinantes de la productividad


Operaciones de punzadoPenetración y densidad de disparos

Penetración de cargas moldeadas en plancha de acero



Pero de la carga (g)

Diámetro del canon

(Pulg.)

Profundidad de penetración en acero (pulg.)

Diámetro promedio del agujero de entrada (pulg.)

Diámetro promedio del agujero de salida (pulg.)

Diámetro de la cañería (pulg.)

Distancia de la carga a la pared (pulg.)

28 5 5 5/16 1/16 7 3/4 21 4 4 7/32 1/16 5 ½ 1/2 10 3 1/8

3 ½

5/32 1/16

4 ¾

1/2

Densidad de disparo

La densidad de tiro generalmente recomendada, es de seis a cuatro tiros por pie. Serán insuficientes dos tiros: por pie, si existen intercalaciones arcillosas que disminuyan la permeabilidad vertical. Para una densidad mayor deberá considerarse el daño que puede sufrir la cañería, especialmente si se usan cañones destruibles de tipo capsular.



De acuerdo a las características de las formaciones, hay distintas geometrías para la disposición de las cargas en los cañones.

Las cargas son bajadas colgadas a un soporte (cañón o ristra) y pueden tener varias orientaciones:• 0º: todas las cargas son en la misma dirección.• 0º-180º: Las cargas son orientadas en dos direcciones opuestas. Se suele utilizar esta configuración para fracturar para control de arena en formaciones pocas consolidadas.• 45º: Las cargas son orientadas en ochos direcciones diferentes. Se utiliza en casing de mayor diámetro.• 60º: Las cargas son orientadas en seis direcciones diferentes. Es la configuración más utilizada para fracturar.• 90º: Las cargas son orientadas en cuatro direcciones diferentes.• 120º: Las cargas son orientadas en tres direcciones diferentes.


Operaciones de punzadoOrientación de los punzados

Como el cañón o la ristra serán siempre descentralizado la distancia de la carga al casing, y por ende las propiedades de los punzados (diámetro, longitud), cambia según la dirección.



En el caso de yacimientos de baja permeabilidad lo ideal es mantener las perforaciones a 30 grados del esfuerzo máximo siendo la fase ideal 60 grados de acuerdo a Daneshy (1973), Warpinsky (1983) y Abbas et al. (SPE 28555 -1994).

En yacimientos de baja permeabilidad donde se requiere fracturamiento hidráulico o acidificación, uno de los factores críticos para máxima eficiencia de la estimulación es la orientación de disparos para mejorar orientación de la fractura.

Se ha comprobado que en formaciones con esfuerzos horizontales bien definidos la orientación en la dirección del máximo esfuerzo entrega los mejores resultados.




Operaciones de punzadoTerminología


Operaciones de punzadoEquipamiento de superficie

Estudios de laboratorio y de campo indican que casi todas las operaciones de explotación y exploración (perforación, terminación, reparación, producción y estimulación) conforman una fuente potencial de daños a la productividad del pozo.

Aún cuando el radio de drenaje pueda ser de varios centenares de pies, la permeabilidad efectiva en las cercanías del pozo tiene un efecto desproporcionado sobre la productividad del pozo.


Daño de Formación

Es necesario comprender previamente la naturaleza de los sistemas con que estamos trabajando

Requiere de una visión en microescala

Los fluidos que se desplazan por los poros lo hacen en condiciones críticas (recorridos tortuosos, paredes ásperas con grandes áreas de superficie)

Inyección de agua pueden asociados al proceso de hinchazón de la monmorillonita

Desprendimiento de arcillas, micas, feldespatos y otros minerales débilmente adheridos a las paredes de tos poros. Las partículas liberadas se desplazan posteriormente junto con el agua creando nuevas taponamientos en los poros (movimiento de finos)


Daño de FormaciónCausas del daño de Formación

Superficie de una arenisca magnificada con un microscopio electrónico que muestra grandes cantidades de finos adheridos a las paredes porales



illita bloqueando poros de areniscas



• Daño por perforación• Daño por invasión de sólidos• Daño por cementación• Daño por punzados• Daño por estimulación• Daño de caños filtro con empaquetamientos de grava • Daño por taponamiento de los punzados por incrustaciones

inorgánicas• Daño por taponamiento de los punzados por incrustaciones

orgánicas• Daño por taponamiento de los punzados en los pozos de

inyección de agua• Daño por taponamiento de los punzados por productos

corrosivos• Daño por taponamiento de los punzados durante la inyección

de gas


Daño de FormaciónClasificación

Tipo y ubicación del daño

Tubería Engravado PunzadosFormación

Incrustaciones

Depósitos orgánicos

Silicatos, Aluminosilicatos

Emulsiones

Bloqueo por agua

Cambio de mojabilidad


El reservorio está expuesta a una cantidad de fluidos y operaciones que pueden afectar severamente la capacidad productiva.

Resultan críticas la calidad de los fluidos de perforación y las diferencias de presión. La interacción de los lodos de perforación con los minerales de la formación y la invasión de componentes sólidos de los fluidos de perforación pueden provocar daños a la formación y afectar la productividad del pozo.

La profundidad de los daños provocados por la filtración depende de la efectividad del control de la perdida de fluidos y puede variar entre unas pocas pulgadas y varios pies.


Daño de Formación por la perforación:

El daño dependiendo del tipo de filtrado y el tipo de roca. Estudios básicos sobre la química de las arcillas, estudios de flujo en testigos, han demostraron que las arcillas, las lutitas y las rocas arcillosas son más estables cuando se las expone a iones de potasio.

Se utilizan generalmente lodos con base agua y potasio para la perforación y terminación. Cuando la sensibilidad al agua llega a valores críticos, los mejores fluidos resultan los de base petróleo.

Actualmente, debidos a los altos costos del ClK en el mercado, se emplea el ClNa combinados con inhibidor de arcillas.


Daño de Formación por invasión de sólidos:

Arcillas

• Se pueden clasificar por:• Arcillas migrables• Arcillas hinchables• Arcillas sensible al HCl

• Se debe conocer la posición del arcilla en los poros:• Recubre los granos de arena (Pore

lining)• Están sueltas en medio de los poros

(Pore filling)


Arcillas migrables

10 m

Clorita

Kaolinita

25 m

Las placas están pegadas entre sí por la presencia de iones que generan efectos electroestáticos, pero la presencia de agua dulce diluye los iones y suprime el efecto electroestático. Entonces las placas empiezan a moverse.

La clorita es una arcilla rica en hierro, y es también soluble en ácido clorhídrico a temperatura relativamente baja (125 °F). Una vez en solución el hierro puede re-precipitar formando un material gelatinoso y obturante.


Arcillas hinchables

10 m

Ilita autigénica conforma de pelo

Esméctica

La ilita es una arcilla que tiene forma de hilo o de aguja. En presencia de un flujo o de un caudal demasiado importante (dentro del poro) estas agujas se pueden romper y moverse, generando finos.

La smectita tiene una forma similar a los alvéolos que se ven en la superficie del mondongo. Esta forma facilita la absorción del agua, y la smectita tiene el inconveniente de hincharse tremendamente en presencia de agua dulce inyectada a la formación.La smectita es un componente de la bentonita y de la montmorillonita


Zeolitas

48

1mm

Zeolita(heulandita)

Cuarzo

Tiene varias composiciones químicas, algunas de las cuales son reactivas con el ácido y forman un precipitado de material insoluble con poder de taponamiento.


Se ha postulado que las filtraciones de cemento pueden dañar la permeabilidad de la formación de dos formas posibles: 1) hidratación del cemento a niveles de súper saturación con

el Ca++ (Calcio) seguida de recristalización (depositación en espacios porales)

2) reacción de la Ca++ con el Si (silice) en la formación para formar un silicato de calcio hidratado, un compuesto de características similares al cemento. Otra fuente potencial de danos a la formación es la invasión de ésta por compuestos sólidos del propio cemento.

Para reducir el daño producto de la cementación, se emplean aditivos reductores de filtrado


Daño de Formación por cementación:

El problema de la obstrucción del flujo es provocada por sólidos, en parte introducidos por los fluidos de perforación (lodo), en parte creados por el proceso de punzado.


Daño de Formación por punzados:

Para reducir el daño por punzado se deben:

• minimizar los daños de perforación; controlar la pérdida de fluidos para prevenir una penetración profunda del daño a la formación

• utilizar fluidos de punzado limpios• utilizar la presión de surgencia en la perforación durante el

punzado• Asegurarse que se atraviesa zona con permeabilidad dañada• utilizar una adecuada densidad de disparos para compensar

las heterogeneidades de la formación• usar tuberías limpias, para evitar la contaminación de los

fluidos de punzado.


Daño de Formación por punzados:

A pesar que el objetivo de la estimulación es mejorar la productividad del pozo, en la práctica el proceso consiste en dos mecanismos mutuamente incompatibles: el efecto de estimulación de un tratamiento particular y el daño a la productividad asociado a diversos problemas de control de calidad.


Daño de Formación por estimulación:

El espacio entre los caños filtro y las paredes del pozo se llenan con arena o grava para impedir el movimiento de finos de la formación,

En muchas formaciones estratificadas resulta crítico que el tamaño de la grava esté basado en la capacidad de ésta para estabilizar los granos de arena más finos presentes en el intervalo y para lograr este objetivo es imprescindible realizar muestreos apropiados de la formación.


Daño de Formación por caños filtro con empaquetamientos de grava:


Daño de Formación por caños filtro con empaquetamientos de grava:

Las incrustaciones en condiciones de reducir la productividad de un pozo pueden producirse tanto en los poros de la formación como dentro de la tubería. La depositación de incrustaciones inorgánicas, como carbonato de calcio, sulfato de calcio, sulfato de bario y carbonato de hierro.

Es importante anticipar un problema potencial de incrustación a través de un detallado estudio químico y termodinámico en los comienzos de la vida útil del pozo. Un análisis de ese tipo permite diseñar un adecuado programa de inhibidores a utilizar para impedir el depósito de materiales de obstrucción. Un estudio como el mocionado demanda análisis de agua, presiones y temperaturas.


Daño de Formación por taponamiento de los punzados por incrustaciones inorgánicas:

También juegan un rol importante, y deben ser analizadas, las condiciones hidrodinámicas y cinéticas del pozo.

El petróleo crudo, como mezcla compleja de hidrocarburos, es fuente de materiales de taponamiento durante el proceso de producción. Como en el caso de las incrustaciones inorgánicas, los componentes orgánicos, denominados generalmente "parafinas" pueden precipitar como incrustaciones orgánicas tanto en la formación frente a la tubería como dentro de la tubería.

Por definición, en el campo se considera depósitos de parafina a los que resultan insolubles en el petróleo crudo en las condiciones existentes de producción.


Daño de Formación por taponamiento de los punzados por incrustaciones orgánicas:

Ellos consisten en mezclas complejas que abarcan desde cadenas rectas abiertas de átomos de hidrocarburos, los constituyentes primarios de las ceras parafínicas, hasta estructuras asfálticas no parafínicas, como los asfáltenos.

El análisis de muestras de petróleo de producción es un recurso válido para diagnosticar problemas potenciales de taponamiento por parafina y asfaltos.


Daño de Formación por taponamiento de los punzados por incrustaciones orgánicas:

Pueden ser debidos a: tipo de lodos, arcillas, escamas petróleo y bacterias en suspensión

Es importante conocer la calidad y la composición del agua de inyección y de las aguas contenidas en la formación. Debe precederse cuidadosamente cuando se mezclan diferentes fuentes de provisión de agua para inyección, dado que las reacciones químicas de aguas mutuamente incompatibles forman precipitados que pueden taponar el pozo inyector. Por ejemplo, la mezcla de agua que contiene sulfates con agua de formación que contenga bario resulta en un precipitado de sulfato de bario que pueden taponar el pozo de inyección.


Daño de Formación por taponamiento de los punzados en los pozos de inyección de agua:

La formación también puede resultar obturada en un pozo convencional de inyección por productos originados en la corrosión del hierro.

El oxígeno disuelto en ausencia de sulfuro de hidrógeno genera productos como el hidróxido de hierro y el oxido de hierro.

En agua sulfurada (con H2S), los productos de la corrosión del sulfato de hierro se precipitan cuando el pH se aproxima a 7. Otro producto de corrosión obturador, carbonato de hierro, se forma cuando el agua contiene CO2.


Daño de Formación por taponamiento de los punzados por productos corrosivos:

Cuando se mantiene la presión del reservorio mediante la inyección de gas, los lubricantes de los compresores, si no se eliminan previos al ingreso del gas en el pozo, pueden taponar la superficie de la formación.


Daño de Formación por taponamiento de los punzados durante la inyección de gas

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