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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA & ARQUITECTURA “UNIDAD TICOMAN” “CONTROL DE POZOS” TESIS PROFESIONAL A FIN DE OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO PETROLERO PRESENTA: CARLOS RAMÍREZ GARCÍA ASESOR INTERNO: ING. JAIME LÓPEZ REYES ASESOR EXTERNO: ING. JESUS RAMÍREZ ÁLVAREZ CIUDAD DE MÉXICO, 2019 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN Autorización de uso de obra INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL P r e s e n t e Bajo protesta de decir verdad el que suscribe Carlos Ramírez García, manifiesto ser autor y titular de los derechos morales y patrimoniales de la obra titulada “Control de pozos”, en adelante “LA TESIS” y de la cual se adjunta copia, por lo que por medio del presente y con fundamento en el articulo 27 fracción II, inciso b) de la Ley Federal del Derecho de Autor, otorgo a el Instituto Politécnico Nacional, en adelante El IPN, autorización no esclusiva para comunicar y exhibir publicamente total o parcialmente en medios digitales (publicación en línea) “La Tesis” por un periodo de (un año) contando a patir de la fecha de la presente autorización, dicho periodo se renovará automaticamente en caso de no ar aviso expreso a “El IPN” de su terminación. En virtud de lo anterior, “El IPN” deberá reconocer en todo momento mi calidad de autor de “La Tesis” Adicionalmente y en mi calidad de autor y titular de los derechos morales y patrimoniales de “La tesis”, manifiesto que la misma es original y que la presente autorización no contraviene ninguna otorgada por el suscrito respecto de “La Tesis”, por lo que deslindo de toda responsabilidad al El IPN en caso de que el contenido de “La Tesis” o la autorización concedidad afecte o viole derechos autorales, insdustriales, secretos industriales, convenios o o contratos de confidencialidad o en general cualquier derecho de propiedad intelectual de terceros y asumo las consecuencias legales y economicas de cualquier demanda o reclamación que pueda derivarse del caso. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN ÍNDICE RESUMEN ................................................................................................. 1 ABSTRACT ................................................................................................ 2 OBJETIVO ................................................................................................. 3 INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 4 CAPÍTULO 1.- PRINCIPIOS GENERALES DE PRESIÓN ............................... 6 1.1 Presión ................................................................................................ 6 1.2 Densidad ............................................................................................. 6 1.3 Presión Hidrostática ............................................................................ 6 1.4 Presión manométrica ........................................................................... 7 1.5 Principio del tubo en U ......................................................................... 8 1.6 Gradiente de presión ........................................................................... 9 1.7 Presión de Formación ........................................................................ 29 1.8 Presión de Fractura ........................................................................... 10 1.9 Presión de Sobrecarga ...................................................................... 11 1.10 Presión de fondo en el pozo ............................................................. 12 1.11 Ley de los gases .............................................................................. 12 1.11.1 Migración del gas sin expansión ................................................. 14 1.11.2 Migración del gas con expansión controlada .............................. 15 1.12 Prueba de admisión (LOT) ................................................................ 16 1.13 Pérdidas de Presión en el sistema de circulación ............................. 19 CAPÍTULO 2.- CONCEPTOS DEL CONTROL DE POZOS ............................ 23 2.1 Control de pozos ................................................................................ 23 2.2 Brote (Kick) ....................................................................................... 23 2.3 Descontrol ......................................................................................... 23 2.4 Causas de un brote ............................................................................ 24 2.4.1 Densidad insuficiente del lodo ...................................................... 24 2.4.2 Llenado Insuficiente durante los viajes ......................................... 24 2.4.3 Contaminación del lodo con gas ................................................... 25 2.4.4 Sondeo del pozo al sacar la tubería .............................................. 25 2.4.5 Pérdidas de Circulación ............................................................... 26 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 2.5 Indicadores definidos ........................................................................ 26 2.5.1 Aumento de volumen en presas .................................................... 27 2.5.2 Aumento en el gasto de salida ...................................................... 27 2.5.3 Flujo sin circulación ..................................................................... 27 2.5.4 El pozo acepta menos lodo o desplaza más en los viajes ............... 27 2.6 Indicadores Indefinidos ..................................................................... 28 2.6.1 Aumento en la velocidad de perforación ....................................... 28 2.6.2 Disminución de la presión de bombeo y aumento de las emboladas ............................................................................................................ 29 2.6.3 Lodo contaminado con gas........................................................... 29 2.6.4 Lodo contaminado con cloruros ................................................... 29 2.6.5 Cambio en las propiedades reológicas del lodo ............................ 29 2.6.6 Aumento en el peso de la sarta de perforación ............................. 30 2.7 Importancia de respuesta oportuna ................................................... 30 2.8 Presión de Cierre, PCTP Y PCTR ........................................................ 30 2.9 Presión de circulación ....................................................................... 31 2.10 Presión Máxima Permisible .............................................................. 32 2.11 Cálculos Complementarios .............................................................. 33 2.11.1 Determinación del tipo de brote .................................................. 33 2.11.2 Cantidad de barita necesaria para densificar el lodo................... 34 2.11.3 Incremento en el volumen de lodo por adición de barita .............. 35 CAPÍTULO 3.- SISTEMA DE CONEXIONES SUPERFICIALES DE CONTROL 36 3.1 Descripción del sistema de circulación .............................................. 36 3.2 Sistema desviador de Flujo (Diverters) ............................................... 37 3.3 Cabezales de tubería de revestimiento ............................................... 40 3.4 Conjunto de Preventores ................................................................... 42 3.4.1 Preventor Esférico ....................................................................... 46 3.4.2 Preventor Arietes .........................................................................49 3.4.2.1 Arietes Variables .................................................................... 50 3.4.4.2 Preventor Ciego ..................................................................... 51 3.4.2.3 Arietes de corte ..................................................................... 52 3.4.3 Empaque de los preventores (Elastómeros) .................................. 52 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 3.5 Carrete de Control ............................................................................. 54 3.5.1 Línea de Matar ............................................................................. 54 3.5.2 Línea de Estrangular .................................................................... 56 3.5.3 Estrangulador .............................................................................. 58 3.6 Unidad para operar los preventores (Unidad Koomey) ....................... 59 3.6.1 Acumuladores.............................................................................. 60 3.6.2 Fuentes de Energía ...................................................................... 62 3.6.3 Componentes del sistema Koomey ............................................... 64 3.6.4 Requerimientos de consolas de control remoto ............................ 68 3.6.5 Prueba de Operación del Sistema de Acumuladores ..................... 70 3.7 Válvulas de control y Preventor Interior ............................................. 70 3.7.1 Válvulas de la Flecha .................................................................... 70 3.7.2 Válvulas en el piso de perforación ................................................ 71 3.7.3 Preventor interior o válvula de contrapresión ............................... 72 3.7.4 Válvula de compuerta ..................................................................... 74 CAPÍTULO 4.- PROCEDIMIENTOS PARA EL CIERRE DE POZOS ............... 76 4.1 Tipo de Procedimiento: Cierre suave y Cierre duro ............................. 77 4.2 Cierre del pozo mientras se perfora ................................................... 77 4.3 Cierre del pozo al viajar con tubería de perforación ............................ 79 4.4 Cierre del pozo sin tubería dentro del pozo ........................................ 80 4.5 Límites de alarmas ............................................................................. 81 4.5.1 Indicadores de nivel de presas ..................................................... 81 4.5.2 Indicadores de flujo en la línea de flote ......................................... 82 4.5.3 Tanque de viajes .......................................................................... 83 4.5.4 Sensores de gases flamables o explosivos y h2S ........................... 84 4.6 Información previa para el control del pozo ........................................ 86 4.7 Introducción de tuberías a presión ..................................................... 87 4.7.1 Técnicas de introducción ............................................................. 87 4.7.2 Introducción de la tubería a presión ............................................. 87 4.7.3 Deslizar tubería a presión ............................................................ 87 4.7.4 Deslizando tubería (stripping) ...................................................... 89 4.7.5 Fuerza ascendente en función de la presión del pozo ................... 90 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN CAPITULO 5.- MÉTODOS DE CONTROL ................................................... 94 5.1 Método del Perforador ....................................................................... 94 5.2 Método de esperar y densificar .......................................................... 97 5.3 Método concurrente ........................................................................ 103 5.4 Métodos alternos de control de pozos .............................................. 104 5.4.1 Método de regresar fluidos contra formación (bullheading ......... 104 5.5 Método de control dinámico ............................................................. 105 5.6 Circulación inversa .......................................................................... 106 5.7 Método volumétrico ......................................................................... 107 5.8 Razones específicas para seleccionar un método de control ............ 108 5.9 Métodos incorrectos para controlar un pozo .................................... 108 5.9.1 Levantar la barrena a la zapata al detectar un brote ................... 109 5.9.2 Nivel de presas constante .......................................................... 109 5.9.3 Empleo de densidad excesiva ..................................................... 109 5.9.4 Mantener constante la presión en TR .......................................... 109 5.9.5 Regresar fluidos a la formación .................................................. 110 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 111 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................... 113 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN Lista de Figuras Figura 1.1 Comportamiento de la presión hidrostática ............................................ 7 Figura 1.2 Tubo “U” ................................................................................................. 8 Figura 1.3. Esquematización de zona de presión normal, zona de transición y zona de presión anormal, para zona de presión de sobre carga, poro y fractura ........... 11 Figura 1.4 Migración del gas sin expansión ........................................................... 15 Figura 1.5 Migración del gas con expansión controlada ........................................ 16 Figura 1.6 Gráfico Leak off test (LOT), Manual de capacitación ............................ 18 Figura 3.1 Descripción del sistema de circulación ................................................. 37 Figura 3.2 Desviador de flujo con líneas de desfogue ........................................... 39 Figura 3.3 Desviador de flujo en plataforma semisumergible ................................ 40 Figura 3.4 Cabezal soldable 16 ¾” 3m con válvulas mecánicas 2 1/16” 3m y TR de 16” ......................................................................................................................... 42 Figura 3.5 Arreglo típico de preventores para 2,000 lb/pg2 de presión de trabajo 45 Figura 3.6 Arreglos de preventores 3,000 y 5,000 lb/pg2 presión de trabajo ........ 46 Figura 3.7 Arreglos típicos de preventores para 10,000 y 15,000 lb/pg2 de presión de trabajo ............................................................................................................... 46 Figura 3.8 Presión de cierre en lb/pg2 del preventor anular Hydril sin presión en el pozo, ...................................................................................................................... 49 Figura 3.9 Preventor anular “Hydril tipo GK” .......................................................... 48 Figura 3.10 Preventor Sencillo de Arietes ............................................................. 49 Figura 3.11 Preventor Doble de Arietes ................................................................. 50 Figura 3.12 Rango de Cierre de Arietes Variables ................................................ 51 Figura 3.13 Arietes ciegos de corte marca Cameron,............................................ 52 Figura 3.14 Guía para la selección del elemento sellante ..................................... 53 Figura 3.15 Carrete de Control .............................................................................. 54 Figura 3.16 “Línea de matar de 5M, 10M y 15M Psi”............................................. 55 Figura 3.17 “Múltiple de estrangulaciónpara 2000 y 3000 psi .............................. 57 Figura 3.18 “Múltiple de estrangulación para 5000 psi” ......................................... 57 Figura 3.19 Estrangulador Ajustable...................................................................... 59 Figura 3.20 Volumen de Fluido disponible por Botella........................................... 61 Figura 3.21 Sistema Koomey ................................................................................ 64 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 1 RESUMEN El presente trabajo tiene como fin el conocimiento general del control de pozos, abarcando el contenido básico para conocer el comportamiento del pozo en el momento de presentarse un influjo (gas o aceite) y que el mismo no llegue a convertirse en una tragedia que repercuta económicamente, en vidas humanas y daños al ecosistema. Se describen los principios generales de presión tales como: presión hidrostática, geopresiones, presión en el fondo del pozo y las pérdidas de presión en el sistema de circulación, así como el comportamiento del pozo para los diferentes escenarios de migración del gas. Se detallan los conceptos del control de pozos, las causas mas comunes que dan pauta a un brote, así como los indicadores definidos e indefinidos que se manifiestan por medio de los parámetros de perforación. Los sistemas de control superficial del pozo ejecutan un papel de suma importancia al presentarse el influjo, son los responsables de la seguridad del equipo y el personal, así como las herramientas que son parte de la ejecución del control. El personal que ejecuta las operaciones del pozo debe conocer a detalle los procedimientos para cerrar el pozo de acuerdo con la operación que se este ejecutando en el momento. Se mencionan las prácticas recomendadas y especificaciones por el Instituto Americano del Petróleo que son las que actualmente rigen cada uno de los procedimientos operativos de la industria petrolera. La selección del método de control se ajusta siempre a las circunstancias, herramientas y tiempo que se tenga en dicho pozo. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 2 ABSTRACT The present work has as purpose the general knowledge of the control of wells, covering the basic content to be able to know the behavior of the well at the moment of presenting an influence (gas or oil) and that it does not become a tragedy that has an economic impact, in human lives and damage to the ecosystem. The general principles of pressure such as: hydrostatic pressure, geopresions, downhole pressure and pressure losses in the circulation system are described, as well as the behavior of the well for the different gas migration scenarios. The concepts of well control, the most common causes that guide an outbreak are detailed, as well as the defined and undefined indicators that are manifested through the parameters of drilling. The surface control systems of the well play a very important role in the presentation of the influence, are responsible for the safety of the equipment and personnel, as well as the tools that are part of the execution of the control. The personnel that execute the operations of the well must know in detail the procedures to close the well according to the operation that is being executed at the moment. The recommended practices and specifications are mentioned by the American Petroleum Institute, which are the ones that currently govern each of the operating procedures of the oil industry. The selection of the control method is always adjusted to the circumstances, tools and time in the well. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 3 OBJETIVO OBJETIVO GENERAL Detección oportuna de desviaciones en los parámetros de medición durante la actividad de intervención a pozos petroleros que indican la presencia de un brote de pozo, partiendo de los conceptos fundamentales de mecánica de fluidos y presión, así como los métodos de control de pozo. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1.- Principios básicos de presión en la perforación de pozos petroleros 2.- Causas que originan un brote 3.- Seleccionar el método más adecuado de control de pozo de acuerdo a las condiciones presentes 4.- Fallas comunes de equipos durante el control de pozo y alternativas para continuar las actividades INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 4 INTRODUCCIÓN En la historia de la perforación de pozos petroleros uno de los riesgos más catastróficos y que han cobrado vidas humanas, daños al medio ambiente y pérdidas económicas considerables es el descontrol de pozos. Al inicio del desarrollo de la industria petrolera no se contaba con la conciencia de seguridad y protección de la vida humana y al medio ambiente, por lo que las actividades de perforación de pozos se hacían de forma muy artesanal, acción que provocó muchos accidentes industriales siendo uno de los más catastróficos el descontrol del pozo. Estos accidentes además de cobrar vidas humanas afectaron el medio ambiente, cuyas remediaciones cobraron cantidades de recursos económicos considerables. Con el paso del tiempo las actividades de la industria petrolera fueron normándose, requirieron profesionales que estudiaran, comprendieran y desarrollaran tecnología que permitiera realizar los trabajos de perforación en forma segura cumpliendo con la normatividad y leyes vigentes en cada locación. Uno de los hechos que cambio la historia en descontrol de pozos, fue el 20 de abril de 2010, la plataforma que perforaba el pozo de petróleo “Macondo”, exploto y se hundió, muriendo 11 personas y derramando unos 5 millones de barriles de petróleo a las aguas del Golfo de México. El desastre de Macondo se considero para imponer en la industria internacional del petróleo y gas nuevas regulaciones ambientales y reglas más estrictas en la perforación en aguas profundas y ultra profundas. Inmediatamente después del incidente del pozo Macondo, el Instituto Americano del Petroleó (API), desarrollo la norma RP-75, Práctica recomendada para el desarrollo de un programa de gestión de seguridad y medio ambiente para operaciones e instalaciones marinas, así como la norma RP-14J, Práctica recomendada para el diseño y el análisis de peligros para las instalaciones de producción marinas, destinada a identificar los riesgos de seguridad presentes en las instalaciones de producción marinas. La búsqueda de yacimientos en la actualidad presenta un desafío dentro de su exploración, perforación y recolección de los hidrocarburos, nuevas técnicas, herramientas, equipos y mentes son las encargadas de satisfacer esta necesidad del petróleo que ha gobernado al mundo desde hace más de una década. Debido a los actuales retos y exigencias de la industria petrolera, la seguridad del personal y de los equipos se ha intensificado a la fecha por lo que el conocer las medidas, procedimientos y ejecución de un control de pozos es de vital importancia para todo ingeniero de operaciones. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 5 Los brotes principalmente surgen durante la perforación, terminación y reparación de un pozo debido a un desbalance entre la presión de formación y la presión hidrostática del pozo. El no conocer e ignorar como realizar un buen control de pozos desencadenan una serie de hechos que se ven reflejados en pérdidas materiales, herramientas, incremento de tiempos de operación, costos de intervención, daños industriales, ecológicos o al personal. Si un brote no se detecta y ejecuta de manera correcta en superficie para manejarlo o no se cuenta con los sistemas superficiales de control, este puede manifestarsede manera agresiva y sin la capacidad de manejar los fluidos a voluntad, ocurriendo lo que se le conoce como descontrol de pozo. Casos severos llegan a convertirse en una magnitud de siniestro, causando pérdida total del equipo, del pozo, daños al personal y al medio ambiente, por lo que saber manejar una situación de brote, es de suma importancia para la integridad del proyecto. Para ello esta tesis aborda los conocimientos, principios generales y bases de un control de pozos de acuerdo a las circunstancias que se puedan presentar durante las actividades de perforación. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 6 CAPÍTULO 1 PRINCIPIOS GENERALES DE PRESIÓN 1.1 Presión Se define la presión como la fuerza aplicada en un area determinada, mediante la siguiente expresión: 𝑃 = 𝐹 𝐴 Donde: P= Presión (lbf/pg2 ) F= Fuerza (lbf) A= Area (pg2 ) 1.2 Densidad Se define como la masa contenida por unidad de volumen, mediante la siguiente expresión: 𝜌 = 𝑚 𝑉 Donde: 𝜌= Densidad (g/cm3) ó (lbs/gal) m= Masa (g) ó (lbs) V= Volumen (cm3) ó (gal) 1.3 Presión Hidrostática Es la presión que ejerce el peso de un fluido estático (sin movimiento) a una determinada profundidad. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. 𝑃𝐻 = 𝜌ℎ 10 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 7 Donde: PH= Presión Hidrostática (kg/cm2) 𝜌= Densidad (g/cm3) h= Profundidad (mts) 𝑃𝐻 = 𝜌 ∗ ℎ ∗ 0.052 PH= Presión Hidrostática (PSI) 𝜌= Densidad (lbs/gal) h= Profundidad (pies) Figura 1.1 Comportamiento de la presión, Basics of Hydrostatic Level Measurement, by Tony R. Kuphaldt 1.4 Presión manométrica Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Cuando la presión se mide en relación a un vacío perfecto, se llama presión absoluta; cuando se la mide con respecto a la presión atmosférica, se llama presión manométrica. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 8 1.5 Principio del tubo en U Por lo general en un pozo, se tiene fluido dentro de la tubería de perforación (TP) así como en el espacio anular (EA), por lo que esto hace analogía a la figura 1.2, el espacio anular en un lateral derecho y la columna de la tubería de perforación en el otro. Al cesar el bombeo dentro del pozo, las columnas del lodo en ambas ramas permanecen estáticas quedando los niveles del lodo en la boca del pozo. El concepto del tubo en U, es el principio de vasos comunicantes en el que no cuenta el área del tubo, sino el valor de la columna hidrostática. Si existieran diferencias de presiones hidrostáticas en las columnas, el fluido intentará alcanzar un punto de “equilibrio”. Este fenómeno se denomina tubo en “U”. Esta es la razón por la cual fluye por la TP o fluye por la TR sin circular, perdiéndose el espejo del lodo. Esta situación puede generar una falsa alarma de un brote. El control de un brote se fundamenta en el uso de métodos y equipo, que permiten mantener una presión constante contra la formación. El control está en función de la densidad, gasto, presión de bombeo y la contrapresión impuesta por el estrangulador. Figura 1.2 Tubo “U” Fuente: Petróleos Mexicanos. Pemex Exploración y Producción Un Siglo de la Perforación en México. Tomo 13 - Control de Brotes INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 9 1.6 Gradiente de presión Se denomina gradiente de presión a la variación de Presión, que aumenta con la profundidad en la corteza terrestre, considerando que se avanza desde la superficie hacia el centro de Tierra. Físicamente se expresa en unidades de presión y unidades de longitud. Conversión de densidad a gradiente: Densidad (gr/cm3) Gradiente (kg/cm2/m) 1.20 0.120 .85 0.085 2.20 0.220 𝐺 = 𝜌 10 G= Gradiente de presión (psi/mts) 𝜌= Densidad (g/cm3) 1.7 Presión de Formación También conocida como presión de poro, se define como la presión a la cual están contenidos los fluidos dentro de la roca, estas presiones pueden presentarse como normales, anormales y subnormales, originadas por la depositación y compactación. Una roca con alta permeabilidad y porosidad tendrá más posibilidad de provocar un brote que una roca con baja permeabilidad y porosidad. Normales: Cuando son iguales a la presión hidrostática ejercida por una columna de fluidos de formación extendida hasta la superficie. Teniendo un gradiente de presión normal de 1.07 g/cm3. Subnormales: Cuando son menores a la presión normal, es decir, a la presión hidrostática ejercida por la columna de fluidos de formación menor a 1.07 g/cm3. Una posible explicación de la existencia de tales presiones en las formaciones es considerar que el gas y otros fluidos han escapado por fallas u otras vías del yacimiento, causando su depresionamiento. Anormales: Cuando son mayores a la presión normal, es decir, a la presión ejercida por una columna de fluidos de formación mayor a 1.07 g/cm3. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 10 Estas presiones se generan usualmente por la compresión que sufren los fluidos de la formación debido al peso de los estratos superiores. Las formaciones que tienen altas presiones se consideran selladas, de tal forma que los fluidos que las contienen no pueden escapar, soportando estas partes de la presión de sobrecarga. Los gradientes de poro se pueden obtener de los métodos analíticos como: • Hottman y Johnson • Foster y Whalen • Eaton • Exponente DC 1.8 Presión de Fractura Se define como la presión necesaria para deformar permanentemente la roca. En la perforación de pozos es importante resaltar que se debe evitar estar por encima de la PF ya que en dado caso se generaría una pérdida de fluido de perforación y con ello la disminución de columna hidrostática necesaria para controlar el pozo derivando así un brote o descontrol del mismo. Por lo general conforme aumenta la profundidad se incrementan los gradientes de fractura de formación. Este dato previo es aplicable al control de las presiones en la superficie al efectuar el control del pozo y es una limitante. Si no se toma en cuenta se puede presentar una pérdida de fluido al fracturarse la formación ocasionando muchos problemas adicionales a la presencia del brote, tales como un descontrol subterráneo. Los gradientes de fractura se pueden obtener de los métodos analíticos como: • Eaton • Hubbert –Willis • Mattews –Kelly Las principales prácticas de campo para obtener los gradientes de fractura de la formación, son las “pruebas de goteo” (LOT) y las pruebas de integridad de formación (FIT). INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 11 1.9 Presión de Sobrecarga Es la presión que ejerce el peso combinado de una columna de roca más los fluidos que están contenidos en el espacio poroso que soporta una formación a una determinada profundidad. S = Peso de la matriz rocosa + Peso de la formación Área que lo soporta S= Presión total de sobrecarga ( kg/cm2) ó (lbf/pg2) Peso de la matriz rocosa = (kg o lb) Peso de la formación = (kg o lb) Área que lo soporta= (cm2 o pg2) El esfuerzo matricial o efectivo, es el esfuerzo generado por el contacto grano a grano de la matriz de roca, en función de la sobrecarga a la profundidad de interés. Figura 1.3. Esquematización de zona de presión normal, zona de transición y zona de presión anormal, para zona de presión de sobre carga, poro y fractura (Adaptado de PEMEX “Exploración y Producción”, diciembre 2007) S = Pp + σ INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 12 Todos los métodos de predicciónde presión de sobrecarga, poro y fractura se basan en el principio de Terzaghi, el cual se define como la presión de sobrecarga (S) es igual a la suma de la presión de poro (Pp) mas el esfuerzo vertical efectivo (σ), (figura 1.3) El conocimiento de las presiones de sobrecarga, poro y de fractura de las formaciones a perforar, es fundamental para una óptima planeación en la perforación del pozo. Por lo tanto, es indispensable entender primero los principios físicos que originan estas presiones, y después predecirlas con la mayor exactitud posible. Para la costa del Golfo de México, se tiene un gradiente de sobrecarga de 0.231 kg/cm2/m. Sin embargo, para casos particulares es conveniente su determinación, ya que con frecuencia ocurren variaciones considerables. 1.10 Presión de fondo en el pozo El fluido de control ejerce presión sobre las paredes del pozo al estar perforando, la mayor presión es la que ejerce la presión hidrostática del lodo de perforación. La presión requerida al circular el fluido de perforación por el espacio anular actúa sobre las paredes del pozo. Esta presión no excede los 14 kg/cm2 (200 psi). Pero otras presiones adicionales se originan por la contrapresión del lado del espacio anular o por el movimiento de tubería causado por sondeo o pistoneo. Las paredes del pozo están sujetas a presión. La presión hidrostática de la columna de fluido constituye la mayor parte de la presión, pero la que se requiere para hacer subir fluido por el espacio anular también incide en las paredes del pozo. Por lo tanto, la presión en el fondo del pozo se puede estimar sumando todas las presiones conocidas que inciden dentro o sobre el anular. Presión de fondo= Presión Hidrostática + Pérdidas de Presión por espacio anular 1.11 Ley de los gases La ley general de los gases indica que la presión en un gas está relacionada con el volumen que se le permite ocupar, si la temperatura se mantiene constante, el científico británico Robert Boyle difundió los resultados conocidos como “ley de Boyle” y consideró que, a temperatura constante, el volumen varía inversamente proporcional a la presión que se somete. Por ejemplo, si una burbuja de gas se somete al doble de su presión original, el volumen se reduce a la mitad y si se libera la presión a la mitad de la original, el volumen aumenta al doble. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 13 Considerando la P1 (Presión de formación) y V1 (Volumen original ganado en presas), al determinar la P2 sería la presión a la profundidad donde deseamos conocer el nuevo volumen de la burbuja V2. P V= constante La ley de los gases perfectos puede ser considerada suficientemente precisa como para tenerse en cuenta en el caso de la migración del gas en los pozos. Durante las migraciones en el pozo el producto del volumen por la presión de influjo de gas se mantiene constante, por lo que: PV = P’V’ P= Presión inicial del influjo de gas (psi) V= Volumen inicial del influjo de gas (bls) P’= Presión del influjo de gas a cierta migración (psi) V’= Volumen del influjo de gas a cierta migración (bls) Es importante conocer si el fluido invasor es gas o líquido (aceite o agua salada). Esto puede obtenerse calculando su densidad. Para determinar el tipo de fluido que entró en el pozo, debe medirse con precisión el aumento de volumen en las presas y registrarse la cantidad en metros cúbicos o barriles (m3 o bls). Los brotes de líquidos ya sean de agua salada o aceite, no se comprimen ni se expanden, por lo que al circular al exterior del pozo, la presión en la TR no aumenta. Al compararse con los gaseosos, podrá entenderse que los líquidos no migran, y si no hay migración, las presiones no aumentan como en un brote de gas. El agua salada y el aceite son fluidos incompresibles. Durante su control no se presenta una expansión apreciable a medida que se reduce la presión ejercida sobre ellos. Por esta propiedad, la velocidad de bombeo y el flujo de retorno son esencialmente iguales a medida que circule el brote a la superficie y sean desalojados del pozo. Cuando se determina por cálculo la densidad del fluido invasor: Fluido Densidad (g/cm3) Densidad (lb/gal) Gas 0.2 - 0.6 1.6 – 5 Aceite 0.6 - 0.87 5 – 7.25 Agua 0.87 - 1.15 7.25 – 9.60 Un brote de gas es el más peligroso debido al exceso de presión que debe soportar la TR y la formación expuesta. Debe considerarse la migración del gas a través del fluido de INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 14 control del pozo y, por lo tanto, se debe aplicar un método de control que permita expulsar al gas del pozo, controlando su presión. Una burbuja de gas viaja a 1000 pies/hora, el equivalente de 304 metros/hora. 1.11.1 Migración del gas sin expansión Cuando se detecta la entrada de un fluido invasor en un pozo y se ejecuta el procedimiento de cierre cuantificando el volumen de ganancia en presas; sí se circula la burbuja de gas hacia la superficie manteniendo constante el volumen en las presas sin permitir la expansión de la burbuja durante su viaje a superficie, esto es manteniendo el volumen y presión de la burbuja original, la presión en el fondo se incrementa gradualmente conforme la burbuja asciende, y la presión a la que se somete la formación es la suma de la presión de la columna hidrostática por debajo de la burbuja más la presión contenida en la burbuja correspondiente a la columna hidrostáticas del fluido de control al momento de la detección del influjo. Ejemplo: Considerando un volumen inicial de fluido invasor de 159 lts (1 bls), profundidad del pozo de 3,048 m (10,000 pies) y densidad de lodo de 1.20 gr/cm3 (10 lb/gal), se tiene una presión inicial de la burbuja de 365.76 kg/ cm2 en el momento de que entra la burbuja en el pozo. Aplicando la ecuación de la Ley de Boyle: P1 x V1 = P2 x V2 Calcular la expansión del gas a las siguientes profundidades: • 2286 m • 1524 m • 718 m • Superficie 0 m Si se tiene una presión de formación (P1) = 365.68 kg/cm2 Y un volumen original (V1) = 159 lt Sustituyendo estos valores se obtiene: Expansión a 2,286 m P2 = (2,286 m x 1.20 gr/cm3) / 10 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 15 = 271.32 kg/cm2 Despejando V2=? V2 = (P1 x V1) / P2 = (365.76 kg/cm2 x 159 lt) / 274.32 kg/cm2 = 212 lt Por lo que: • 2286 m – 212 lts • 1524 m – 318 lts • 718 m – 636 lts • Superficie 0 m – 56,298 lts Figura 1.4 Migración del gas sin expansión, Manual de capacitación WellCap, Nivel supervisor Pemex (2012) El resultado de la migración del gas (sin expansión) provoca seguramente el fracturamiento de la formación expuesta o daño en las conexiones superficiales por presión excesiva. 1.11.2 Migración del gas con expansión controlada Este es el procedimiento correcto que se debe seguir en un control del pozo. Cuando se circula un brote de gas al exterior del pozo con expansión controlada, debe permitirse que se expanda de manera que mantenga una presión de fondo del pozo igual o un poco mayor de la presión de formación. Debe permitirse el aumento de volumen INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 16 en las presas de lodo, aplicando algunos de los métodos normales para controlar un pozo (del perforador, densificar y esperar, concurrente, etc). Para cumplir esto, el operador del estrangulador mantiene una “contrapresión suficiente”, para que se expanda el gas de tal manera que la contrapresión más la presión del brote, más la presión hidrostática de todos los fluidos que hay en el pozo, igualen a la presión de formación. Constantemente se debe vigilar las presiones de cierre, éstas pueden aumentar a medida que el gas asciende a través del fluido del pozo, al encontrarse cerrado. Las presiones de la TP y TR deben mantenerse dentro los parámetros establecidos,mediante la purga de pequeñas cantidades de fluidos, por medio del estrangulador. Esto permite una expansión controlada. Hay que tener en cuenta que si se desea mantener constante la presión en la TR, debe purgarse un cierto volumen de fluido del pozo; este volumen se mide cuidadosamente, dado que este fluido estaba contribuyendo a la presión hidrostática, debiendo permitirse un incremento a la presión en la TR para compensar esta pérdida. Figura 1.5 Migración del gas con expansión controlada, Manual de capacitación WellCap, Nivel Supervisor, Pemex (2012) 1.12 Prueba de admisión (LOT) La resistencia e integridad de la formación comúnmente se determina a través de una prueba de Admisión, el cual es un método que se usa para estimar la presión y/o la INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 17 densidad equivalente del fluido que puede soportar la zona por debajo de la tubería de revestimiento. Para realizar esta prueba el fluido a circular en el pozo debe estar limpio, para asegurar que tiene una densidad adecuada y homogénea. La bomba a usar debe ser la unidad de alta presión (UAP) o si la bomba del equipo se puede usar en regímenes bajos. Al bombear lodo con el pozo cerrado se genera la combinación de la presión hidrostática del fluido y de la fuerza adicional, tal como es la presión de bombeo, esto con el fin de encontrar el punto de presión donde la gota de fluido entra dentro de la zona plástica de la roca y empieza a admitir fluido sin llegar al límite elástico (fractura). De acuerdo a la información que se tiene de la prueba, se realizan cálculos a fin de obtener una estimación de la densidad del fluido, esta es la fuerza total del fluido representada como densidad, la cual se toma con objeto de realizar un reajuste de las geopresiones. Procedimiento para efectuar la prueba admisión (Goteo) 1. Con la barrena en la zona de prueba circular el tiempo necesario para homogeneizar y limpiar el fluido de control. 2. Levantar la barrena dentro de la TR (a la zapata). 3. Probar conexiones superficiales desde la unidad de alta hasta la TP. 4. Circular pozo con la unidad de alta presión. 5. Cerrar preventores de arietes de tubería. 6. Empleando bajo gasto de 0.5 bl/min, graficar comportamiento de la Presión – Volumen, Presión – Gasto (cuidando la Máxima Presión para TR) 7. La gráfica; al inicio, se comporta como una pendiente recta y, conforme aumenta la presión, origina una desviación en la recta. El punto donde se inicia la desviación corresponde como valor de la prueba de goteo, debiendo repetirse hasta obtener 2 valores iguales. Suspender el bombeo para evitar el fracturamiento de la formación. Cuantificar y anotar el volumen inyectado (bl) 8. Observar el comportamiento de la presión para asegurar que se trata de la “Presión de Goteo” (debe descender hasta un valor igual o ligeramente menor al del punto de separación de la tendencia de la recta). 9. Descargar la presión y verificar el volumen regresado. 10. Determinar los datos de presión permisible a la fractura, densidad de lodo equivalente y gradiente de fractura de formación. Si al efectuar la prueba de goteo, el agujero no sostiene la presión o no se llega a alcanzar el valor deseado; entonces, puede estar aceptando la formación o la cementación fue defectuosa y se está comunicando al espacio anular entre el agujero y TR; o posi- blemente hay alguna fuga en la superficie. Inspeccione las conexiones en superficie. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 18 Ejemplo: Se ha cementado una TR intermedia de 10 ¾ pg a 3,254 m y después de perforar bajo la zapata, se tienen los siguientes datos: Densidad de lodo = 1.56 g/cm3 Diámetro del agujero = 9 ½ pg Diámetro de TP = 5 pg Presión Máxima Interna TR = (P-110) 60.7 lb/pies al 80% = 549 kg/cm2 Profundidad del pozo= 3,325 m PH = ρ∗h 10 = 1.56 g cm3 ∗3,325 m 10 = 519 kg/cm2 Figura 1.6 Gráfico Leak off test (LOT), Manual de capacitación WellCap, Nivel Supervisor, Pemex (2012) En la gráfica anterior se suspendió el bombeo cuando se observó el cambio en el comportamiento de la presión respecto al volumen, determinando la prueba de goteo en 168 kg/cm2. Presión total en la zapata = PH + Prueba de Goteo Presión total en la zapata = 519 + 169 = 687 kg/cm2 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 19 Ajuste de densidad de fractura Densidad de fractura = Pres.Total Zapata∗10 Profundidad = 687 kg/cm2 ∗10 3,325 = 2.066 g/cm3 1.13 Pérdidas de Presión en el sistema de circulación En un sistema de circulación con lodo de perforación, la presión de circulación se genera por las bombas del equipo. Las pérdidas o caídas por fricción (ΔP) se manifiestan desde la descarga de la bomba hasta la línea de flote. A medida que la profundidad y las propiedades del lodo se incrementan, se requiere mayor presión de circulación. Los programas de hidráulica deben diseñarse para determinar las pérdidas de presión por fricción en los elementos siguientes: • Equipo superficial • Dentro de la tubería de perforación y herramienta • A través de las toberas de la barrena • Por el espacio anular Esta última pérdida de presión es importante, dado que puede señalar un posible des- equilibrio entre la presión del fondo y la presión hidrostática cuando se está circulando (densidad equivalente de circulación). Durante la circulación, el sistema del lodo incorpora una presión en el fondo del pozo un poco mayor que la presión hidrostática ejercida por la columna del lodo. Esta presión adicional (equivalente a las pérdidas anulares de presión por fricción), aña- dida a la presión hidrostática y convertida a densidad, se le llama densidad equivalente de circulación (Dec) y su ecuación es: 𝐷𝐸𝐶 = 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑛𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑥 10 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑎𝑑 + 𝜌 DEC= (g/cm3) Pérdidas de Presión Anular = (kg/cm2) 𝜌= Densidad (g/cm3) h= Profundidad (metros) INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 20 Las pérdidas de presión anular representan la presión requerida para vencer la fricción al bombear lodo desde la barrena hasta superficie. Las pérdidas de presión por fricción en un sistema de circulación dependen principalmente de: • Densidad del lodo • Viscosidad aparente y plástica • Punto de cedencia • Efecto de gelatinosidad • Diámetro interior de las tuberías • Geometría del espacio anular. • Velocidad del bombeo o gasto La fórmula para calcular las caídas de presión en el interior de la sarta es la siguiente: ∆P = 𝜌0.75∗Q1.75∗µ0.25∗L 8624∗ d4.75 Donde: ∆p = Caída de presión en el interior de la sección de la sarta (psi) 𝜌 = Densidad (lbs/gal) Q= Gasto (gpm) µ = Viscosidad (cps) L= Longitud de la sección (pies) d= Diámetro interior de la sección de la sarta (pg) La fórmula para calcular las caídas de presión en el espacio anular es: ∆P = 𝜌0.75∗Q1.75∗µ0.25∗L 8624∗(𝑑2+𝑑1)1.75∗(𝑑2−𝑑1)3 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 21 Donde: ∆p = Caída de presión en la sección de espacio anular (psi) 𝜌 = Densidad (lbs/gal) Q= Gasto (gpm) µ = Viscosidad (cps) L= Longitud de la sección (pies) d1= Diámetro exterior de la TP (pg) d2= Diámetro interior de la TR (pg) La fórmula para calcular la caída de presión en la barrena es: ∆P Bna = ρ ∗ Q2 10858 ∗(𝐴𝑇)2 Donde: ∆p Bna = Caída de presión en la barrena (psi) 𝜌 = Densidad (lbs/gal) Q= Gasto (gpm) AT= Área de las toberas (pg2) Ejemplo: Calcular las caídas de presión en una tubería de perforación franca con un OD= 5”, ID= 4” a 3000 mts con una TR de OD= 11 7/8” , ID= 10.711” a la misma profundidad, con una densidad de 14.58 lb/gal, viscosidad de 55 cp y un gasto de 300 gpm. ∆P TP =𝜌0.75∗Q1.75∗µ0.25∗L 8624∗ d4.75 = 14.580.75∗3001.75∗550.25∗(3000∗3.28) 8624∗ 44.75 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 22 ∆P TP = 692.42 Psi ∆P EA = 𝜌0.75∗Q1.75∗µ0.25∗L 8624∗(𝑑2+𝑑1)1.75∗(𝑑2−𝑑1)3 = 14.580.75∗300∗550.25∗(3000∗3.28) 8624∗(10.711+5)1.75∗(10.711−5)3 ∆P EA = 21.71 Psi ∆P Total = ∆P TP + ∆P EA = = 692.42 + 21.71 = 714.13 psi INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 23 CAPÍTULO 2 CONCEPTOS DEL CONTROL DE POZOS 2.1 Control de pozos En el control de pozos, conocer los principios básicos que otorgan los fundamentos para comprender fenómenos que se presentan al descontrolarse un pozo y así poder tomar las decisiones correctas para su control. Para las operaciones de control de pozos, se requiere la aplicación de una matemática básica, sencilla y directa. Las operaciones más comunes son: suma, resta, multiplicación y división. Todos los cálculos por efectuase sirven para entender mejor los procedimientos de control de surgencias. Los cálculos y principios matemáticos ayudan a encontrar soluciones a todos los problemas que se tienen cuando un pozo está en surgencia. 2.2 Brote (Kick) Se define como la entrada de fluidos provenientes de la formación al pozo, tales como aceite, gas o agua. Al ocurrir un brote, se desaloja del pozo una cantidad de lodo de perforación y si dicho brote no se detecta, ni corrige a tiempo, se puede producir un reventón o descontrol. 2.3 Descontrol Se define como un brote de fluidos, el cual no se puede manejar a voluntad, este normalmente ocurre por una mala ejecución de algún método de control o ignorancia de algún indicio de brote. Los brotes (kicks), ocurren como resultado de que la presión de formación es mayor que la ejercida por la presión hidrostática del lodo, lo cual causa que los fluidos fluyan hacia el pozo. Al momento de ocurrir un brote, el lodo en primera instancia se desplaza fuera del pozo, si el brote no es detectado oportunamente se produce un descontrol. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 24 2.4 Causas de un brote Durante las operaciones de perforación, se conserva una presión hidrostática mayor a la de formación. En ocasiones, la presión de formación excede la hidrostática y ocurre un influjo, esto se puede originar por las siguientes causas: • Densidad insuficiente del lodo • Perdidas de circulación • Contaminación del lodo con gas • Llenado insuficiente durante los viajes • Sondeo del pozo al sacar la tubería 2.4.1 Densidad insuficiente del lodo La densidad insuficiente del lodo es una de las causas por la que se originan los brotes, debido a que el pozo cuenta con una densidad de lodo por debajo del gradiente de poro. ρporo > ρlodo En la actualidad se hace énfasis en perforar con densidad de lodo mínima de control de presión de formación, con el objetivo de optimizar la velocidad de perforación. Pero se debe tener un especial cuidado cuando se perforen zonas permeables, ya que los fluidos pueden dar alcance al pozo y producir un influjo. Los brotes causados por densidad insuficiente de lodo son fácil de controlar con solo incrementar la densidad del lodo de perforación, pero a continuación se mencionan las razones por las cuales no es lo más adecuado: - Se puede exceder el gradiente de fractura - Se incrementa el riesgo de pegaduras por presión diferencial - Se reduce significativamente la velocidad de penetración 2.4.2 Llenado Insuficiente durante los viajes El llenado insuficiente del pozo durante los viajes es otra causa predominante de que ocurra el brote. A medida que la tubería se saca del pozo, el nivel del lodo dentro del mismo disminuye debido a que el volumen de acero de la tubería desplaza una cierta cantidad de lodo al ser introducida al pozo. Conforme se extrae tubería y el pozo no se llena con lodo, el nivel de este decrece y por consecuencia también la presión hidrostática. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 25 De lo anterior se deduce la vital importancia de llenar el pozo con lodo periódicamente, evitando así un posible brote. Esto es más crítico cuando se sacan las herramientas como los lastrabarrenas (drill collar) y la tubería pesada de pared gruesa (heavy weight). De acuerdo a las normas API 16D y API-RP59, al estar sacando la tubería, debe llenarse el espacio anular con lodo antes de que la presión hidrostática de la columna de lodo acuse una disminución de 71 psi o cada cinco lingadas de tubería de perforación, lo que da un decremento menor con la presión hidrostática. 2.4.3 Contaminación del lodo con gas Los brotes se originan debido a la reducción de la densidad del lodo a causa de la presencia del gas contenido en la roca cortada por la barrena. Al perforar demasiado rápido, se puede desprender el gas contenido en los recortes en tal cantidad que reduzca sustancialmente la densidad del lodo. Al reducir esta, lógicamente también se reduce la presión hidrostática en el pozo, de manera que si esta es menor que la presión de formación, una cantidad adicional de gas entra al pozo. El gas se detecta en superficie bajo la forma de lodo “cortado”. Una pequeña cantidad de gas en el fondo del pozo representa en la superficie un gran volumen debido a su expansión. Han ocurrido brotes por esta causa, los cuales se han trasformado en reventones, por lo que para reducir su efecto se recomienda efectuar las prácticas siguientes: • Reducir el ritmo de penetración • Aumentar el gasto de circulación • Circular el tiempo necesario para desgasificar el lodo 2.4.4 Sondeo del pozo al sacar la tubería El efecto de sondeo se refiere a la acción del pistón y el cilindro que ejerce la sarta de perforación dentro del pozo. Es decir, cuando se mueve la sarta hacia arriba, esta tiende a levantar el lodo con mayor rapidez que la que el lodo tiene para caer por la sarta y la barrena. En algunas ocasiones la barrena, los lastrabarrenas (DC), la tubería pesada (HW) o los estabilizadores se “embolan” con sólidos de la formación, haciendo más críticos dicho efecto. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 26 Si esta reducción de presión es lo suficientemente grande como para disminuir la presión hidrostática efectiva a un valor por debajo de la formación, dará origen a un desequilibrio que puede causar un brote. Entre las cuales destacan: • Velocidad de extracción de la tubería • Propiedades reológicas • Geometría del pozo • Estabilización de la sarta 2.4.5 Pérdidas de Circulación Las pérdidas de circulación son uno de los problemas más comunes durante la perforación de un pozo y se clasificación en dos tipos: • Pérdidas naturales o intrínsecas • Pérdidas mecánicas o inducidas Si la pérdida de circulación se presenta durante el proceso de perforación de un pozo, se corre el riesgo de tener un brote, esto se incrementa al estar en zonas de alta presión o de yacimiento, en un pozo exploratorio o delimitador. Al perder la columna de lodo, la presión hidrostática ejercida por el mismo puede disminuir a un punto tal, que permita que el pozo fluya originado un brote. Con el objeto de reducir la pérdida de circulación se recomienda efectuar las prácticas siguientes: • Emplear la densidad mínima de lodo que permita el pozo • Mantener el mínimo de sólidos en el pozo • Mantener los valores reológicos en condiciones óptimos de operación • Reducir las pérdidas de presión por fricción en el espacio anular • Evitar incrementos bruscos de presión • Reducir la velocidad de introducción de la sarta 2.5 Indicadores definidos Al momento de ocurrir un brote, el lodo es desplazado fuera del pozo. Los indicadores de que el lodo está fluyendofuera del pozo son: • Aumento del volumen en presas INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 27 • Aumento en el gasto de salida mientras se está circulando con gasto constante • Flujo del pozo teniendo la bomba parada • El pozo acepta más lodo o menos del calculado 2.5.1 Aumento de volumen en presas Suponiendo que no se añada fluido ni a los tanques ni a las presas de lodo, una ganancia en el volumen de cualquiera de estos al estar perforando, es un signo seguro de que se tiene un brote. Existe equipo de medición de volumen que debe tenerse en las presas y los tanques de lodo y que hace sonar una alarma indicadora si el nivel de lodo aumenta o disminuye de la prefijada. También hay disponible, accesorios que mantienen un registro constante del volumen en presas. A estos se les conoce como totalizadores de volumen en presas. 2.5.2 Aumento en el gasto de salida Un aumento en el gasto de salida es también una indicación de que está ocurriendo un brote, que a su vez está empujando lodo adicional fuera del pozo. Esta situación se detecta al observar el flujo de lodo a través de las temblorinas y cualquier cambio fuera de lo normal; existen equipos medidores de gasto, que detectan esas variaciones en forma automática. 2.5.3 Flujo sin circulación La indicación más definida de un brote, es un pozo fluyendo teniendo las bombas paradas. Si el indicador así se manifiesta, es seguro que un brote este en camino; atender un pozo de esta manera es “observar el pozo”. Esto significa que las bombas de lodo se detienen y el espacio anular se observa para determinar si el pozo continúo fluyendo o si el nivel estático del fluido está aumentando. Cuando se “observa el pozo”, la práctica normal consiste en subir la sarta de perforación de manera que la flecha se encuentre arriba de la mesa rotaria. 2.5.4 El pozo acepta menos lodo o desplaza más en los viajes Cuando se realiza un viaje (introducción o extracción de tubería) es más difícil detectar un brote. En cualquiera de los dos casos, para poder detectar un brote en sus inicios, es necesario llevar un control de la cantidad de tubería introducida o sacada del pozo y el correspondiente volumen de lo desplazado o requerido para su llenado correspondiente. Al introducir tubería dentro del pozo, se desplaza lodo hacia fuera. El volumen de lodo desplazado debe ser igual al volumen del acero de la tubería introducida. Si el volumen desplazado es mayor que el volumen del acero, entonces fluidos de la formación estarán entrando al pozo forzando el lodo hacia afuera, es decir está ocurriendo un brote. Si el volumen de lodo desplazado es menor que el volumen de la tubería introducida, se tendrá una pérdida de circulación. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 28 En caso de que se esté sacando tubería del pozo, se debe añadir lodo para que vaya ocupando el espacio previamente ocupado por la tubería que se sacó. El volumen de lodo requerido para llenar el pozo debe ser igual al volumen de acero extraído. Si por el contrario, se requiere una cantidad menor para llenar el pozo, entonces se tendrá una indicación de que está ocurriendo un brote. Ahora bien, si la cantidad de lodo necesaria para llenar el pozo es mayor que el volumen de acero extraído, entonces se tiene una pérdida de lodo. La extracción de tubería es una operación más crítica que su introducción, debido a los efectos de sondeo y de llenado del pozo. En otras palabras, tanto el efecto de sondeo como el de llenado ocasional del pozo, reduce la presión en el fondo y esto puede originar un brote. El volumen real requerido para llenar el pozo puede medirse mediante: • Tanque de viajes • Medidor de gasto • Cambio en el nivel de presas • Contador de emboladas 2.6 Indicadores Indefinidos Los indicadores indefinidos en el pozo se pueden valorar como señal de brote, aunque estos se pueden deber a otras razones totalmente ajenas a un brote, los cuales son: • Aumento en la velocidad de perforación • Disminución de la presión de bombeo y aumento de emboladas • Lodo contaminado con gas • Lodo contaminado con cloruros • Cambio en las propiedades reológicas del lodo • Aumento en el peso de la sarta de perforación 2.6.1 Aumento en la velocidad de perforación Un aumento en la velocidad de perforación puede ser un indicador de un posible brote. La velocidad de perforación está en función de los siguienes factores: • El peso sobre la barrena • Velocidad de rotación • Densidad de lodo • Hidráulica • Características de la formación Pero también se determina por la presión diferencial entre la presión hidrostática del lodo y la presión de formación. Es decir, si la presión de formación es mayor que la INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 29 presión hidrostática dentro del pozo, aumenta considerablemente la velocidad de penetración de la barrena. Cuando esto ocurra, y no se tiene cambios en alguna de las otras variables, se debe sospechar la presencia de un posible brote; esta posibilidad es mayor cuando se perfora en zonas de presión anormal o de yacimiento. 2.6.2 Disminución de la presión de bombeo y aumento de las emboladas Cuando un brote ocurre mientras se perfora, los fluidos debido al brote están únicamente en el espacio anular. La presencia de dichos fluidos que tienen una densidad menor que la del lodo, causa que la presión hidrostática en el espacio anular sea menor que la presión hidrostática dentro de la sarta de perforación. La diferencia de presiones ayuda a que el lodo dentro la sarta fluya al espacio anular más fácilmente, con la consecuente disminución de presión de bombeo y el aceleramiento de la bomba de lodo, el cual se manifiesta en el aumento de las emboladas. Sin embargo, hay que hacer notar que una disminución de presión de bombeo también puede deberse a las causas siguientes: • Reducción en el gasto de circulación • Agujero o fisura en la TP • Junta de la sarta lavada por presión • Desprendimiento de una tobera en la barrena • Cambio en las propiedades del lodo 2.6.3 Lodo contaminado con gas La aparición del lodo contaminado con gas puede deberse al fluido contenido en los recortes de la barrena o al fluido de la formación al pozo que están siendo circulados a superficie. Conforme el gas se va expandiendo al acercase a superficie, el lodo contaminado con gas provoca disminución en la presión hidrostática, lo cual puede ocasionar un brote. 2.6.4 Lodo contaminado con cloruros La detección de un aumento de cloruros y el porcentaje de agua, pueden ser un indicador de que los fluidos de perforación entran al pozo, y en consecuencia sea el origen posible de un brote. Aunque el aumento de cloruros también puede ser originado al perforar una sección salina. 2.6.5 Cambio en las propiedades reológicas del lodo Cuando las propiedades reológicas cambien, debe tenerse presente que tal variación puedo ser causada por la entrada de un flujo invasor, lo cual se manifiesta en la variación de la viscosidad, relación agua-aceite y precipitación de sólidos. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 30 2.6.6 Aumento en el peso de la sarta de perforación Aun cuando este indicador es difícil de detectar es conveniente mencionar. Cuando ocurre un brote y los fluidos de formación entran al pozo, el efecto de flotación de la sarta de perforación se reduce, ocasionando como resultado un incremento en el peso de la tubería, siendo más representativo en altas densidades, dado que tiene un factor de flotación mayor. 2.7 Importancia de respuesta oportuna Si las bombas de lodo están paradas y el pozo se encuentra fluyendo, generalmente un brote está en camino. A la acción de verificar el estado de un pozo se le conoce como “Observar el pozo” Esto significa que las bombas de lodo son detenidas y los niveles en TPy TR son observados para determinar si el pozo continúa fluyendo o si el nivel de lodo está aumentando. Al observar el pozo, se recomienda como práctica subir la sarta de perforación, de manera que la flecha se encuentre arriba de la mesa rotaria. El aumento en el gasto de salida mientras se circula con gasto constante, generalmente es señal de que está ocurriendo un brote. Generalmente, una ganancia o aumento de volumen en presas al estar perforando es indicativo de que se tiene un brote. Ninguno de los indicadores mencionado es absoluto; por lo que se deben analizar en conjunto. Sin embargo, cuando exista la presencia de alguno de los indicadores antes mencionados, se justifica el tener que investigar de inmediato la causa, ya que se requiere una pronta respuesta a cualquier indicador para poder mantener el control del pozo. 2.8 Presión de Cierre, PCTP Y PCTR Cuando un brote se presenta, causa modificaciones en las presiones. Luego se estabilizan los valores de presión, asegurando un nuevo equilibrio entre la presión de fondo del pozo y la presión de formación, lo cual lleva algunos minutos, dependiendo del fluido invasor y la permeabilidad de la formación. Cuando el pozo se cierra y su presión se estabiliza, un control del pozo es necesario, registrándose dos lecturas específicas de presiones. PCTP: Presión de cierre en tubería de perforación El shut-in drill pipe pressure (SIDPP o PCTP) es la presión leída en la tubería de perforación después de la estabilización con el pozo cerrado en presencia de un brote. PCTR: Presión de cierre en tubería de revestimiento INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 31 La shut-in casing pressure (SICP o PCTR) es la presión leída en la tubería de revestimiento después de la estabilización con el pozo cerrado en presencia de un brote. En la mayoría de los casos, la presión de cierre en la tubería de revestimiento (PCTR) es más alta que la presión de cierre en la tubería de perforación (PCTP). Esto se debe a que los fluidos de la formación con mayor facilidad fluyen al espacio anular, desplazando al lodo y disminuyendo su columna hidrostática, lo que no ocurre comúnmente con el lodo del interior de la sarta, por lo que generalmente se toma el valor de PCTP como el más confiable para calcular la densidad de control, debido a que es la columna menos contaminada. 2.9 Presión de circulación La presión de circulación es la presión ejercida en las tuberías. Presión reducida de circulación (PRC): Es la presión mínima ocasionada por un gasto mínimo de bombeo suficiente para vencer los geles del fluido de perforación e inicia a circular el lodo. Durante el control de un pozo se presentan dos diferentes presiones de circulación. Presión inicial de circulación (PIC) y presión final de circulación (PFC) Presión inicial de circulación: Es la presión a la cual comienza a circular el lodo a través de la tubería durante un control. PIC= PCTP + PRC PIC= Presión inicial de circulación (psi) PCTP: Presión de cierre en tubería de perforación (psi) PRC= Presión reducida de circulación (psi) Presión final de circulación: Es la presión con la cual debe llegar el fluido a la barrena por lo que debe ser menos que la inicial. PFC = 𝑃𝑅𝐶 ∗ 𝜌𝑐 𝜌𝑜 PFC = Presión final de circulación (psi) PRC= Presión reducida de circulación (psi) 𝜌𝑐= Densidad de control (g/cm3) INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 32 𝜌𝑜= Densidad original (g/cm3) Los datos necesarios registrar en una bomba son: • Marca • Modelo • Diámetro de la camisa • Longitud de carrera • Emboladas máximas • Presión de operación a un gasto establecido • Presión límite de operación Para bombas triplex de simple acción, considerando un 90% de eficiencia, se aplican las siguientes ecuaciones: Bomba Triplex: Q = 0.0386 x L x D2 = lt/emb Q = 0.0102 x L x D2 = gal/emb Donde: Q = Capacidad de la bomba (lt /emb o gal/ emb) L = Longitud de la carrera (pg) D = Diámetro de la camisa (pg) Bomba dúplex doble acción: Q = 0.02575 x L (2D2 – d2) Lt/Emb. Q = 0.0068 x L (2D2– d2) = Gal/Emb Donde: Q = Volumen por embolada en lt. D = Diámetro de la camisa en pg. d = Diámetro de vástago en pg. L = Carrera de la bomba en pg. 2.10 Presión Máxima Permisible Es la presión máxima a la que se puede someter las conexiones superficiales de control en condiciones de operación. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 33 La norma API-6A y el boletín API-13 presentan las especificaciones del equipo y conexiones respecto a la presión máxima de trabajo, las cuales son para 2000, 3000, 5000, 10,000 Y 15,000 psi. La presión de trabajo de la cabeza del pozo debe ser mayor a las máximas presiones esperadas. Esta presión debe ser mayor que: • Resistencia a la presión interna de la tubería de revestimiento • Presión máxima anticipada • La presión de fractura de la formación referida a la zapata de TR En cuanto a los valores de presión interna de la tubería de revestimiento se recomienda por seguridad usar solamente el 80% del valor nominal. 2.11 Cálculos Complementarios Los cálculos de los parámetros que a continuación se enuncian, son el complemento para llevar a cabo un control de brotes más estricto, ya que sólo teniendo los cálculos básicos se puede llevar a cabo el control del pozo de una forma adecuada. Estos cálculos son los siguientes: A. Determinación del tipo de brote B. Cantidad de barita necesaria para densificar el lodo C. Incremento en el volumen de lodo por adición de barita 2.11.1 Determinación del tipo de brote Los fluidos de la formación asociados con un brote son: aceite, agua, gas o una combinación entre ellos. Existen diferencias en el comportamiento de las presiones que van ligadas a un brote de aceite, agua o gas a medida que éstos circulan. La presión en las tuberías de perforación y de revestimiento y el aumento de volumen en presas (si se mide con suficiente precisión) se emplean para estimar el tipo de brote mediante el cálculo de la densidad del fluido invasor a través de la siguiente ecuación: Dfi = Do – 10 (PCTR−PCTP) Lb Donde: Dfi = Densidad del fluido invasor (gr/cm3) Do = Densidad original del lodo en el pozo (gr/cm3) INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 34 PCTR = Presión de cierre en espacio anular estabilizada (kg/cm2) PCTP = Presión de cierre en TP estabilizada (kg/cm2) Lb = Longitud de la burbuja (m) Midiendo el aumento de volumen en presas y con el factor de capacidad anular de la sección donde se estima esté localizada la burbuja, la longitud se determina con la siguiente ecuación: Lb = Incremento del volumen en presas (lt) Capacidad del espacio anular ( lt m ) Obteniendo la longitud de la burbuja, se aplica la fórmula para calcular la densidad del fluido invasor. Si la densidad calculada es menor a 0.69 gr/cm3, el brote es de aceite con alguna cantidad de gas, entre menor sea la densidad se trata de mayor cantidad de gas. Una densidad mayor a 0.87 gr/cm3 indica que el flujo invasor es agua salada. 2.11.2 Cantidad de barita necesaria para densificar el lodo Una vez que conoce la densidad del lodo de control, es necesario calcular la cantidad de barita requerida para aumentar el peso del lodo hasta obtener la densidad adecuada. Con la siguiente ecuación se calcula la cantidad de barita que se necesita para incrementar la densidad a 1 m3 de lodo a la densidad requerida: Núm. sacos de barita = 85 (𝑑𝑐−𝑑𝑜) (4.15−𝑑𝑐) Donde: Núm. sacos de barita = (scs/m3) dc = Densidad de lodo de control (gr/cm3) do = Densidad inicial de lodo (gr/cm3) 4.15 = Peso específico de la barita (gr/cm3) Donde: Cantidad de barita = Núm. sacos de barita x volumen de lodo en el sistema= scs/m3 x m3 de lodo INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 35 2.11.3 Incremento en el volumen de lodo por adición de barita Cuando se adiciona al sistema de lodo a fin de aumentar su densidad, también se esta aumentando su volumen. Es conveniente conocer este aumento de volumen antes de agregar el material densificante, con objeto de disponer la capacidad de almacenamiento suficiente. Dicho incremento se calcula con la siguiente ecuación: Inc.Vol. = Núm Sacos de Barita Totales 85 = m3 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 36 CAPÍTULO 3 SISTEMA DE CONEXIONES SUPERFICIALES DE CONTROL 3.1 Descripción del sistema de circulación El sistema de circulación empieza con las bombas de lodo que son suministradas por motores eléctricos o diésel. Después de salir de la bomba de lodos, el fluido de perforación sube por el tubo vertical atado al pie de la torre de perforación, pasa a través de un conjunto de conexiones denominado “stand pipe”, posteriormente a la manguera del kelly y luego fluye hacia abajo dentro del kelly a través de una unión giratoria y dentro de la tubería de perforación hasta alcanzar la barrena. Una barrena tiene dos o más toberas que aceleran el lodo para obtener un flujo de gran velocidad, el cual lava el fondo del pozo para mantener limpios los cortadores de la barrena. A partir del fondo del pozo, el lodo sube por el espacio anular que existe entre la pared de la formación y el pozo, transportando los recortes generados por la barrena. El lodo y su carga de recortes fluyen fuera del pozo (niple de campana), pasando a través de una tubería inclinada de gran diámetro (línea de flote o de retorno) hasta llegar a las temblorinas, cayendo lodo dentro de la presa de asentamiento. Éstos son tanques metálicos rectangulares de gran tamaño, conectados por tuberías. La presa de asentamiento únicamente permite que los sólidos residuales de gran tamaño puedan asentarse por separado; el lodo pasa dentro de los agitadores, ubicados corriente abajo, donde se separa el gas, la arena y el sedimento. Posteriormente el lodo entra a la presa de succión, donde las bombas lo extraen para hacerlo circular de nuevo dentro del pozo y también se usa para agregar químicos de tratamiento y aditivos acondicionadores del lodo. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 37 Figura 3.1 Descripción del sistema de circulación, AIPU Solid Control, Eritia (2017) 3.2 Sistema desviador de Flujo (Diverters) El sistema desviador de flujo se utiliza como un medio de control del pozo, proporcionando un determinado grado de protección antes de que se corra y cemente la tubería de revestimiento superficial sobre la que se instalan los preventores. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 38 El API RP-53 del Instituto Americano del Petróleo, establecen los criterios para seleccionar, instalar y operar el equipo del sistema desviador de flujo (diverters). Un desviador de flujo puede cerrar sobre la flecha, tubería de perforación o de revestimiento, lastrabarrenas y no está diseñado para hacer un cierre completo del pozo o parar el flujo; si no, más bien desviarlo al abrir simultáneamente las válvulas de las líneas de desfogue (venteo), derivando el flujo de formaciones someras hacia sitios alejados del equipo de perforación y del personal. Evitando así el fracturamiento de las formaciones con el consecuente riesgo de comunicarse a la superficie por fuera de la tubería conductora, poniendo en peligro a la cuadrilla y a las instalaciones de perforación. Figura 3.2 Desviador de flujo con líneas de desfogue, Programa de acreditación en control de pozo WellCap, Pemex (2002) Cuando se inicia la perforación de un pozo terrestre, se introduce y cementa una TR conductora a poca profundidad. En el caso de pozos en plataformas costa afuera, por lo general se instala una TR conductora de gran diámetro por debajo del fondo o lecho marino. El sistema desviador de flujo se instala sobre la tubería conductora y básicamente consiste de un preventor anular (esférico) o cabeza giratoria que tenga el diámetro interior suficiente que permita pasar la barrena para perforar la siguiente etapa. Debajo INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 39 del desviador se debe instalar una línea de desfogue de diámetro adecuado y longitud suficiente para dirigir los flujos provenientes del pozo, lejos de la unidad de perforación. Estas líneas de venteo deben ser de paso completo y abrir automáticamente en cuanto se cierre el desviador de flujo. Todo el conjunto después de su instalación debe probarse a satisfacción a fin de asegurar que funcione correctamente. Figura 3.3 Desviador de flujo en plataforma semisumergible, Programa de acreditación en control de pozo WellCap, Pemex (2002) INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 40 Recomendaciones: • Verificar diariamente la operación correcta del sistema desviador de flujo, accionándolo desde los controles remotos • Revisar que las líneas de desfogue no estén obstruidas • En función de la planeación y programación de la perforación del pozo; después de cementar o hincar la tubería conductora. Debe instalarse un sistema desviador de flujo consistente de un elemento de sello, líneas de venteo, válvulas de derivación y un sistema de control • Las salidas del desviador deben tener un diámetro mínimo de 12 pulgadas al trabajarse en pozos de plataforma marina y de 10 pulgadas al operarse en pozos terrestres • El sistema debe tener un control remoto en el piso de perforación y además otro en un lugar de fácil acceso. El uso del desviador de flujo es recomendable cuando se tenga duda de que el pozo pueda cerrarse sin que la presión generada rompa la formación debajo de la tubería de revestimiento superficial (y el flujo pueda canalizarse hasta la superficie). Las ventajas de usar un sistema desviador de flujo son: • Evita el fracturamiento de la formación debajo de la zapata de la tubería de re- vestimiento superficial • Transporta los fluidos a una distancia segura, lejos del pozo Las desventajas son: • El pozo no está bajo control total. Por lo tanto, es más difícil de controlar • Se tiene que manejar grandes cantidades de fluido invasor en superficie • Se debe disponer grandes cantidades de lodo y material densificante 3.3 Cabezales de tubería de revestimiento El cabezal de la tubería de revestimiento forma parte de la instalación y terminación de una etapa de perforación, se usa para anclar y sellar alrededor la siguiente tubería de revestimiento. Los cabezales pueden ser de tres tipos: -Roscable -Soldable INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – ESIA UNIDAD TICOMAN 41 -De cuñas invertidas o bridado Estos antes mencionados se usan como base a fin de instalar el conjunto de preventores. Las salidas laterales de los cabezales no deben usarse para conectar líneas primarias de matar y estrangular, pueden usarse para instalar las líneas secundarias (auxiliares) de control y su uso debe limitarse para casos de emergencia estrictamente. Cuando las líneas no estén instaladas, es recomendable disponer de una válvula y un manómetro en dichas salidas. La norma API-6A del Instituto Americano del Petróleo establece las siguientes especificaciones para el cabezal de tubería de revestimiento. • La presión de trabajo debe ser igual o mayor que la presión superficial máxima que se espere manejar • Resistencia mecánica y capacidad de presión acorde a las bridas API y a la tubería en que se conecte • Resistencia a la flexión (pandeo) es igual o mayor que la tubería de revestimiento en que se conecta • Resistencia a la compresión para soportar las siguientes tuberías de revestimiento que se van a colocar
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