Punzado y daño de formación Mayo 2014

Terminación y reparación de pozos Unidad 3 Punzado y daño de formación Mayo 2014 Tecnicatura Superior en Yacimientos Hidrocarburíferos No Convencionales Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado • 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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado • 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 x105 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

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) Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado: norma API-RP19B Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado • Sistemas de punzado • Cañones para casing (recuperables y descartables), • Punzados por tubing con cargas • cañones con empaquetadura (packer). Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Cañones para casing (Casing perforatingguns) • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Cañones para casing (Casing perforatingguns) • 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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Cañones para casing (Casing perforatingguns) • Recuperables Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Cañones para casing (Casing perforatingguns) • 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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Cañones para casing (Casing perforatingguns) • 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). Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Cañones para casing (Casing perforatingguns) • 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: WirelineConveyedPerforating) o a la punta de un tubing o de un coiledtubing (TCP: TubingConveyedPerforating). Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Punzados a través de tubing(wirelineconveyedthrutubingguns) • 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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Punzados a través de tubing(wirelineconveyedthrutubingguns) Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Punzados a través de tubing(wirelineconveyedthrutubingguns) • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado • Cañones con empaquetadura (con packer) • Se pueden punzar en pozos verticales y pozos horizontales, donde inclusive se pueden orientar los cañones Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado: Underbalance versus Overbalance Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

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).) Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Penetración y densidad de disparos • 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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Penetración y densidad de disparos • Penetración de cargas moldeadas en plancha de acero Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Penetración y densidad de disparos • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Orientación de los punzados • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Orientación 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Orientación de los punzados • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Orientación de los punzados Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Terminología Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Operaciones de punzado Equipamiento de superficie Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación Causas del 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) Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación Causas del daño de Formación • Superficie de una arenisca magnificada con un microscopio electrónico que muestra grandes cantidades de finos adheridos a las paredes porales Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación Causas del daño de Formación • illita bloqueando poros de areniscas Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación Clasificación • 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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Tipo y ubicación del daño Tubería Engravado Punzados Formación Incrustaciones Depósitos orgánicos Silicatos, Aluminosilicatos Emulsiones Bloqueo por agua Cambio de mojabilidad Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación por la perforación: • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación por invasión de sólidos: • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

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 (Porelining) • Están sueltas en medio de los poros (Porefilling) Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

25 m 10 m Arcillas migrables Kaolinita • 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. Clorita • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

10 m Arcillas hinchables Ilitaautigénica con forma de pelo • 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. Esméctica • 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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Zeolitas 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. 1mm Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación por cementación: • Se ha postulado que las filtraciones de cemento pueden dañar la permeabilidad de la formación de dos formas posibles: • hidratación del cemento a niveles de súper saturación con el Ca++ (Calcio) seguida de recristalización (depositación en espacios porales) • 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 Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

Daño de Formación por punzados: • 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. Ministerio de Educación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional del Neuquén

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