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Taller de Geomecánica en las Cuencas de MéxicoTaller de Geomecánica en las Cuencas de México

Diseño de Pozos no Convencionales

Henry Arias

Agenda

• Trayectorias Optimas de Perforación• Geometría de Fracturas en Pozos

Horizontales• Fortalecimiento del agujero (Perdidas de

circulación)• Terminación de Pozos Horizontales• Pozos Multilaterales• Uso de Elementos Finitos en Cementaciones

APAT• Sistema de Lodo de Densidad Dual

Análisis de Estabilidad de Agujero en el Diseño de Pozos

• Información requerida:– Tensor de esfuerzos in-situ (SV, SH, Sh).– Inclinación y azimut del agujero.– Propiedades de la roca

• UCS• Modulo de Young• Angulo de fricción de la roca• Permeabilidad• Eficiencia de membrana (arcillas)

– Perfil de temperatura (Pozos HT).– Interacción química Lodo/formación.– Propiedades del fluido de perforación.– Hidráulica de perforación.

Sistema de Coordenadas para un Pozo Desviado

Pozo Vertical

La concentración de esfuerzos en el agujero:

• Desviación y azimut del agujero

•Magnitudes y orientación de esfuerzos in-situ.

+Propiedades Mecánicas de la roca (UCS, Res. Tensil, Ang. Int. Fricc.)

• Fallas por Compresión

• Fallas por Tensión

SPE 100202

Regimenes de Esfuerzo (Clasificación Anderson)

Ejemplo:

Sv= 1 psi/ft

SH= 0.7 psi/ft

Sh= 0.6 psi/ft

Pozos de alto ángulo y horizontales en la dirección del esfuerzo horizontal mínimo son mas estables que en la dirección del esfuerzo horizontal máximo!

Regimenes de Esfuerzo (Clasificación Anderson)

Ejemplo:

Sv= 1 psi/ft

SH= 1.5 psi/ft

Sh= 0.6 psi/ft

En el régimen de esfuerzos del ejemplo:

• Pozos de alto ángulo y horizontales en la dirección del esfuerzo horizontal máximo son mas estables que en la dirección del esfuerzo horizontal mínimo!

Regimenes de Esfuerzo (Clasificación Anderson)

Ejemplo:

Sv= 1 psi/ft

SH= 1.5 psi/ft

Sh= 1.2 psi/ft

En el régimen de esfuerzos del ejemplo:

•En cual dirección los pozos de alto ángulo y horizontales serian mas estables mecánicamente?

Perforación en Yacimientos con Fracturas Naturales

Fracturas Abiertas Fracturas Cerradas

Pozos horizontales o de alto ángulo se deben perforar las fracturas naturales abiertas perpendicularmente. (FMI, fracturas en tension).

Esfuerzo Horizontal Máximo. NE-SW (60°)

Esf. Hor. Mínimo ±150°

•Esfuerzo compresivo generado es mas bajo cuando la temperatura del lodo es menor que el de la formación.

• El enfriamiento del lodo reduce la inestabilidad del agujero pero aumenta el riesgo de perdida de circulación.

•Calentamiento del fluido de perforación no es practico en pozos con alta temperatura o yacimientos fracturados.

•Los esfuerzos térmicos generados dependen principalmente del coeficiente de expansión térmico y deben ser considerados durante el análisis de inestabilidad.

Efecto del Calentamiento e Enfriamiento del Lodo de Perforación

SPE 100202

Puntos Relevantes

• El diseño del fluido e hidráulica de perforación son importantes en el diseño del pozo. Una trayectoria optima de perforación no es suficiente sin un adecuado gasto y tipo fluido de perforación (salinidad y tipo de sal).

• La ventana de lodo puede ser alterada debido a la interacción entre el fluido de perforación y la formación. El efecto químico y termales pueden cambiar la distribución de esfuerzos y presión de poros alrededor del agujero.

• Las arcillas químicamente activas se hinchan, cambiando las propiedades de las rocas.

• Debido a la baja permeabilidad del lutita (10-7 a 10-12 darcies), la presión de poros no puede ser disipada fácilmente ocasionando que la lutita falle.

• Las lutitas normalmente tienen una estructura laminada y las propiedades de la roca en la dirección de los planos de estratificación son diferentes del plano perpendicular a la estratificación (Angulo de ataque).

Geometría de las Fracturas y Esfuerzos in-situ

El diseño de un pozo horizontal debe considerar si se va a efectuar fracturamiento y decidir la terminación del pozo .

Yacimiento:

-Empuje Hidráulico.

- Capa gas.

Razones:

• Baja KV

• Interconectar fracturas naturales.

El intervalo perforado no debe ser mayor que 4 veces el diámetro del agujero para evitar fracturas múltiples y Hydrajetting. SPE 86992

Geometría de las Fracturas y Esfuerzos in-situ

Pozo Vertical (fract. Vertical:

Pb=3σh – σH + αPp+To

Equipo requerido :

-Presión

-Tipo fractura

Fractura Longitudinal:

Pb=3σH – σv + αPp+To

Fractura Transversal:

Pb=3/2σl – ½σL + αPp+ ½ Co

σL is el mayor entre σv y σH

σl is el menor entre σv y σH

Presión requerida para general una fractura transversal es mayor que en una fractura longitudinal.

SPE 86992

Reducción de la Perdidas de Circulación (Fortalecim iento del agujero)

• En promedio, 10‐20% del costo total de la perforación de un pozo HTHP esta relacionado con perdidas de lodo (U.S. Department of Energy).

• No hay una solución única al problema de perdidas de circulación (aprox. 180 productos de lodo).

Gradiente de sobrecarga mas alto. Gradiente de fractura mas alto.

Aplicaciones para Aumentar el Gradiente de Fractura

• Físicos– Incrementar los esfuerzos tangenciales (Hoop stresses).– Químicos

• Cemento• Resinas

– Mecánicos • TR’s expandibles

• Térmicos– Incrementar los esfuerzos tangenciales, incrementando la

temperatura del lodo.

Fortalecimiento del agujero

Pm= Presión del lodo

Pt= Presión en la punta de la fractura

Pp= Presión de poros

Pt < Pm

Objetivos:

1. Incrementar el ancho de la fractura.

2. Aislar la punta de la fractura

Baches anti-perdidas son efectivos si se requiere un pequeño incremento del ancho de la fractura y el mecanismo de bloqueo ocurre inmediatamente.

SPE 100202

Perdidas de Lodos en Formaciones Permeables e Imper meables

Formaciones permeables son mas fácil de sellar que las formaciones impermeables (LCM).

Formación Permeable Formación Impermeable

El diseño del material punteante se basa en el ancho de la fractura (registros de imágenes) para calcular la distribución del tamaño de partícula y concentración del material punteante.

Un bache antiperdida debería incluir tanto partículas finas como gruesas para efectuar el sello de la fractura.

Perdidas de Lodo en Sistemas Base Agua y Base Aceit e

Lodos Base Agua Lodos Base Aceite

En lodos base aceite la presión de la columna de lodo se aplica directamente en la punta de la fractura. La presión de fractura Inicial es igual para lodos base aceito y base agua.

Terminación de Pozos Horizontales

openhole

cased and perforated well

slotted liner

formation damage

Disparo - Pozos Verticales y Horizontales

kH

kh

kV

Disparo en Pozos verticalesDisparo en Pozos verticales

kH

kh

kV

ααααPerforation Orientation

αααα

Disparo en Pozos HorizontalesDisparo en Pozos Horizontales

Daño de Formación en Pozos Horizontales Revestidos y Cementados

m=1

m=2

m=3

m=4

El efecto de la orientación de los disparos puede ser despreciable para m=3 y 4

Tecnología de Pozos Multilaterales

Pozos multilaterales reducen el costo total usando arquitectura de drenaje compleja para incrementar la cantidad de yacimiento expuesta con reducción de costos de los pozos.

Yacimientos Multiples

Historia de Pozos Multilaterales

Imprecisiones - Multilaterales

• Aplicaciones horizontales únicamente• Pozos costosos• Alto riesgo• Requiere mas Ingeniería

– Geomecánica apoya en la toma de decisiones• Nivel del pozo multilateral• Donde localizar la junta del pozo multilateral• Dirección optima de perforación de los brazos/ramas del

pozo multilateral

• Mas fallas que éxitos

Estadística de Pozos Multilaterales

Nivel 3-6• Tipo de Instalación

– 76% Tierra

– 20% Costa Afuera

– 4% Aguas Profundas

• Tipo de Yacimiento– 59% Aceite Pesado

– 40% Petróleo– 1% Gas

Nivel 1-6• Aplicaciones

– Aceite Pesado– Yacimientos Naturalmente

fracturados– Yacimientos apilados

verticalmente– Yacimientos en diferentes

compartimientos (diferentes bloques)

Estadística de Pozos Multilaterales (cont.)

Nivel 3-6• Desde 1994 – 95% de éxito, 5% falla.• Desde 1998 – 96% de éxito, 4% falla.• Desde 2001 – 98% de éxito, 2% falla.

• Falla es definida como la perdida del agujero principal y/o lateral antes que el pozo sea puesto en producción.

Clasificación Pozos Multilaterales (TAML)

Pozo Multilateral Nivel 1 & 2

Nivel 1. Junta abierta no soportada:Agujero principal y lateral en agujero abierto o con liner ranurado colgado en ambos agujeros

Nivel 2. Agujero principal con TR y cementado, agujero lateral abierto:Agujero lateral en agujero abierto o con liner ranurado en agujero abierto.

La roca puede soportar las cargas generadas en las juntas incluso durante la etapa de producción?

Nivel 3. Agujero principal con TR y cementado, agujero lateral con TR pero no cementado: TR lateral colgada al agujero principal. La TR Lateral tiene un colgador pero no esta cementado.

Pozo Multilateral Nivel 3

Pozo Multilateral Nivel 4

Nivel 4. Agujero principal con TR y cementado, junta lateral con cemento como sello: Agujero lateral puede ser una TR cementada o Liner ranurado con sello de cemento en la junta.

Nivel IV

Pozo Multilateral Nivel V

Consideraciones:• Limitaciones de profundidad

•Aprox. 3500 m, hay limitaciones para bajar el empacadura dual.

• Temperatura puede afectar los empacaduras.• No para inyección de Vapor.•Presión diferencial limitada.•Diámetros de las TR’S.• Costos de Reparación.

•Los empacaduras son permanentes.•Trabajos con Coil Tubing.

Nivel 5. Integridad de la presión en la junta:Alcanzada con la terminación.

Pozo Multilateral Nivel VI

Nivel 6. Integridad de la presión en la junta:Alcanzada con la TR.

Nivel 6S. División en Fondo:Agujero principal ensanchado con dos TR’s de igual tamaño.

Análisis de Elementos Finitos en Pozos Multilateral es*

* Disertación-PhD de López Manríquez

σx=σH=30 MPa (a=0˚)σy=σh=18 MPaσz=σv=18 MPa

• Pozos horizontales simple• Pozo Multilateral alas de gaviota

• Multilateral apilado• Pozo Multilateral espina de pescado

• Pozo Alas de Gaviota y espina de pescado• Pozo Multilateral espina de pescado apilado

~Aceite de 9 oAPI. ~1.2 * 1012 bls reservas. ~250 * 10 9 bls recuperable

“Geometrías Complejas de Pozos en la Cuenca del Orinoco Venezuela”Oil & Gas Journal, Feb. 28, 2000

Pozo Horizontal

Pozo Multilateral Apilado

Agujeros Horizontales y TR’s del mismo tamaño

Pozo Multilateral Apilado

Liners ranurados

Pozo Alas de Gaviota

Análisis de Geomecánica son necesarios para determinar el riesgo de colapso del agujero

Pozo Multilateral Espina de Pescado

Análisis de Geomecánica son necesarios para determinar el riesgo de colapso del agujero

Pozo Multilateral Alas de Gaviota con Espina de Pescado

Pozo Multilateral Espina de Pescado Apilado

Elementos Finitos en Cementaciones de Pozos ATAP

Fracturamiento Hidráulico:

Prof. 15,000 m (4572 m)

Temp=350 °F (177 °C)

Deformaciones de la roca: 1.477 x 10-3 in (0.00375 cm.).

Deformación Plástica del cemento y roca durante el Fracturamiento Hidráulico genera Micro-anillos internos y externos.

Elementos Finitos en Cementaciones de Pozos ATAP

Etapa de Producción:

Prof. 15,000 m (4572 m)

Temp=350 °F (177 °C)

Deformaciones del cemento: 3.5416 x 10-3 in (0.009 cm.).

Deformación Plástica del cemento y roca durante al inicio de la etapa de Producción genera Micro-anillos internos y externos

1. Existe mayor riesgo de generación de micro-anillos externos e internos entre mayor sea la diferencia del modulo de Young de la roca y cemento.

2. Cementos de alto modulo de Young o UCS no son necesariamente la mejor opción (Flexibles).

3. Relación de Poisson debe ser considera en el diseño del cemento.

Sistema de Lodo de Densidad Dual (Perforación en Ag uas Profundas)

Un sistema de densidad dual tiene lodo en el pozo desde el piso marino hacia abajo y agua de mar desde el piso marino hasta superficie.

Un ejemplo son las perforaciones en aguas profundas antes que el riser ha sido instalado.

Nivel del Mar

PisoMarino

Perforación con Densidad Dual

TP

Linea de Retorno de Lodo.

Bomba

…Algunas veces llamado:

“Perforación Gradiente Dualo“Perforación con Densidad Dual”

Detalle de la Configuración en el Piso Marino

Rotating BOP(RBOP)

BOP Annular

Arreglo de BOP “Rams”

Presiones en el Pozo

Piso marino

Presión de Fractura

Presión de Poros

Presión Hidrostática del Agua del Mar.

Presión

Profundidad

PRESION HIDROSTATICA

DEL LODO Convencional

Presiones en el Pozo

Piso Marino

Presión de Fractura

Presión de Poros

PRESION HIDROST. DEL LODO

Subsea Mudlift

Presión Hidrostática del Agua de Mar

Presión

Profundidad

PRESION HIDROSTATICA

DEL LODO Convencional

Requerimiento de TR’S - Convencional

Piso Marino

PRESION DE FRACTURA

PRESION DE POROS

Presión Hidrostática del

Agua de Mar

Presión

Prof.

PRESION HIDROSTATICA DEL LODO (Convencional)

Requerimiento de TR’S - Subsea Mudlift

Piso marino

Presión de Fractura

Presión de Poros

PRESION HIDROSTATICA DEL LODO

Subsea Mudlift

Presión Hidrostática del Agua de Mar

Presión

Profundidad

Conclusiones

• Análisis de los esfuerzos in-situ es importante en el diseño de los pozos convencionales y no convencionales (trayectorias de perforación, cementación, terminación, fracturamiento, etc.).

• Análisis de estabilidad de la roca en la junta debe ser considerada para elegir nivel del pozo multilateral.

• Existen varios métodos para incrementar el gradiente de fractura, tanto por prevención y mitigación (Stress Cage). Perdidas de lodos en formaciones permeables son mas fáciles de controlar que en formaciones impermeables.

• No existe un diseño único de cementaciones para todas los pozos con ATAP y el cemento puede fallar durante la vida del pozo, desde la cementación del pozo hasta el abandono.

• Sistemas de lodo de densidad dual pueden ayudar a la perforación de pozos en aguas profundas, reduciendo el numero de TR’s requeridas.