chapter 14, GRAVEL PACK PERFORMANCE

Captulo

Tcnicas De Colocacin De La Grava

Tcnicas de colocacin de la gravaCaptulo 11

Introduccin

La colocacin del empaque con grava constituye quizs la operacin de completacin ms difcil y compleja que se efecte rutinariamente. Tal como se analiz en captulos anteriores, el xito de un empaque con grava depende de numerosos factores, que entran en juego desde que la mecha de perforacin ingresa a la zona productiva hasta que se corre en el pozo la tubera de produccin. Se ha insistido en la importancia que reviste minimizar el dao en la zona cercana al pozo utilizando fluidos de completacin y estimulacin compatibles y estableciendo un ambiente limpio cerca del pozo. De igual modo, se han estudiado los requerimientos de la perforacin y las tcnicas de limpieza. Se han presentado tambin tcnicas para manejar y, de ser necesario, controlar las prdidas de fluidos. De haberse cumplido con todas las recomendaciones que se han formulado hasta ahora, el pozo debera encontrarse en buenas condiciones para la colocacin del empaque con grava.

Objetivos de la colocacin de la grava

La colocacin de un empaque con grava en un pozo persigue dos objetivos fundamentales. En primer lugar, el espacio anular existente entre la rejilla y la tubera de revestimiento debe estar empacado total y hermticamente con grava. Llenar el espacio anular con grava de tamao adecuado garantiza que la arena de formacin se mantenga en el fondo y que no se produzca hacia la superficie. El segundo objetivo consiste en empacar completa y hermticamente cada perforacin con grava, lo que constituye la clave para asegurar una productividad elevada del pozo. En una formacin no consolidada, toda perforacin que no se llene con grava se llenar de arena de formacin. Tal como se analiz en el Captulo 9, el flujo que atraviesa un tnel de perforacin empacado con grava est representado por el flujo lineal de Darcy. La cada de presin a travs del tnel de perforacin se reduce a su nivel mnimo si el tnel se llena con grava de alta permeabilidad en lugar de arena de formacin. Las tablas 11.1 y 11.2 comparan las cadas de presin calculadas en distintos dimetros de perforacin para tneles de perforacin llenados con arena de formacin y grava. Estas tablas demuestran claramente la importancia vital que reviste el llenado completo de la perforacin durante el proceso de colocacin de la grava.

Tabla 11.1

Prdidas de presin en una perforacin empacada.

(Arena de formacin: 1,000 md)

Cada de presin (psi)

Tasa de Flujo

(BPD/Perforacin)

Perforacin de 3/8 Dimetro

Perforacin de 1/2 Dimetro

Perforacin de 3/4 Dimetro

1

450

190

64

10

27,760

9,280

2,091

Tabla 11.2

Prdidas de presin en una perforacin empacada.

( Grava 20/40 - 119,000 md)

Cada de presin (psi)

Tasa de Flujo

(BPD/Perforacin)

Perforacin de 3/8 Dimetro

Perforacin de 1/2 Dimetro

Perforacin de 3/4 Dimetro

1

2

1

0.4

10

55

21

6

25

272

99

25

Tcnicas de colocacin de la grava

La tcnica de circulacin cruzada es el mtodo ms comnmente utilizado para colocar grava en las perforaciones y alrededor de la rejilla. Tal como se analizara en el Captulo 7, el equipo de empaque con grava y las herramientas de servicio permiten hacer circular la grava en sentido descendente por la sarta de trabajo, por encima de la empacadura y por dentro del espacio anular rejilla/tubera de revestimiento que se encuentra debajo de la empacadura, con retornos que ascienden por la tubera de lavado y el espacio anular sarta de trabajo/tubera de revestimiento. El fluido empleado para transportar la grava puede filtrarse hacia la formacin o circular hacia afuera del hoyo (tal como se ilustra en la Figura 11.1), dependiendo de la posicin en la que se encuentren las herramientas de servicio y de la condicin de las perforaciones en trminos de excluir las fugas de fluidos.

Se ha empleado toda una gama de fluidos para el acarreo de grava en operaciones de colocacin de empaque con grava. Entre ellos se encuentran la salmuera, el aceite, el diesel, los geles reticulados, el gel de goma xntica clarificado (XC) y el gel de hidroxi-etil-celulosa (HEC). Los fluidos ms comnmente utilizados han sido y continan siendo la salmuera y el gel de HEC. Los empaques con grava efectuados con salmuera como fluido de acarreo se denominan empaques de agua o empaques convencionales, mientras que los que se ejecutan con fluidos de acarreo de gel de HEC se denominan empaques de lechada, empaques viscosos o empaques de gel.

En la tabla 11.3 se muestra una comparacin entre las caractersticas del gel de HEC y las correspondientes a la salmuera en lo que respecta a su uso como fluido de acarreo de grava. Cuando se emplea el gel de HEC, la arena del empaque con grava recibe fundamentalmente la influencia de las fuerzas viscosas (es decir, la grava est suspendida por el gel y tiende a acompaarlo hacia donde ste se dirija). Por otra parte, cuando se emplea salmuera como fluido de acarreo, la grava se ve afectada bsicamente por las fuerzas de gravedad (es decir, la grava busca sedimentarse en el fondo o lado inferior del hoyo, independientemente del rumbo que siga la salmuera). A tasas elevadas de bombeo, las fuerzas viscosas pueden ser tambin un factor importante cuando se utilizan fluidos de acarreo de salmuera.

Tabla 11.3

Comparacin de la HEC y la salmuera como fludos de acarreo

Gel HEC

Salmuera

Viscosidad

300 - 750 cp

1 - 2 cp

Concentracin tpica de grava

10 - 15 lpg

1 - 3 lpg

Tasa de bombeo tpica

1 - 4 bpm

4 - 5 bpm

Rejilla Indicadora utilizada?

Si

No

Figura 11.1

Recorridos del flujo durante el empaque con grava

Antecedentes histricos

Los primeros empaques con grava se efectuaron tan slo vertiendo grava en el espacio anular comprendido entre la tubera de produccin y la tubera de revestimiento y permitiendo que la grava se asentara alrededor de una rejilla. Esta tcnica sigue emplendose en la industria de los pozos de agua, pero raramente se emplea en el campo petrolero. Cuando los equipos y la tecnologa progresaron, los pozos de petrleo y gas comenzaron a empacarse con grava mezclando arena en salmuera y bombeando la mezcla hoyo abajo. Por lo tanto, la salmuera representa el primer uso de un fluido de acarreo para la colocacin de la grava. Antes del inicio de la dcada de los 60, la salmuera continuaba siendo el fluido de acarreo de grava de preferencia (en trminos de uso).

El equipo que se empleaba para mezclar la salmuera y la grava resultaba ser ineficiente y produca acumulacin de grava en el hoyo, en lugar de generar una relacin uniforme de mezcla salmuera/grava. En muy pocas ocasiones se filtraba la salmuera y no existan especificaciones estrictas establecidas que garantizaran que la calidad de la arena de empaque con grava era aceptable. El mantenimiento general del equipo de perforacin era deficiente y las tcnicas de perforacin conocidas hasta entonces resultaban limitadas cuando se comparan con las disponibles actualmente. La combinacin de todos estos factores se traduca en completaciones de empaque con grava ineficientes que ocasionaban daos severos.

A finales de la dcada de los 60, los esfuerzos de investigacin1,2,3 realizados por varias compaas se centraron en tratar de mejorar el proceso de colocacin del empaque con grava. Estos esfuerzos culminaron en la introduccin de los fluidos viscosificados para el acarreo de la grava. El fluido de acarreo viscosificado de preferencia era la HEC. El gel de HEC brindaba un medio razonablemente limpio para aislar y transportar la arena de empaque con grava hasta el fondo del pozo. El gel permita que el lote se mezclara de manera uniforme e impeda que la grava resultase triturada o contaminada durante las operaciones de bombeo. Debido a estas ventajas aparentes, los fluidos de acarreo de gel de HEC sustituyeron rpidamente la salmuera como el fluido de empaque con grava de preferencia y se mantuvieron a la vanguardia hasta principios de los aos 90.

La evolucin permanente de los campos petroleros trajo consigo la introduccin de los sistemas de filtracin de tierra diatomcea (alrededor de 1980). Este sistema permita filtrar grandes cantidades de salmuera a un costo relativamente bajo. Junto con el uso creciente de salmuera limpia, a diferencia de lodo, los sistemas de filtracin de tierra diatomcea generaban ambientes de pozo mucho ms limpios, lo cual no haba resultado hasta entonces econmicamente factible. En 1986, el API introdujo las especificaciones de la arena para el empaque con grava4. Estas especificaciones contemplaban requisitos rigurosos que la arena de empaque con grava deba reunir. La arena de empaque con grava que cumple con las especificaciones API posee un nivel elevado de permeabilidad y de resistencia a la trituracin y est en capacidad de pasar por equipo de bombeo degradndose muy poco o incluso nada 5. Finalmente, a principios de los aos 80, el caoneo con sistema transportado por tubera y en condiciones de subbalance se convirti en una tcnica comn y bien establecida que permita lograr la alta densidad de disparos, el dimetro de agujero grande y las perforaciones limpias que se requieren para garantizar el nivel mximo de productividad de un pozo que ha sido empacado con grava.

A finales de los aos 80, la industria procedi una vez ms a analizar seriamente el problema de la productividad de un pozo empacado con grava. A pesar de los avances tecnolgicos alcanzados en cuanto a calidad de la grava, limpieza del pozo, filtrado del fluido y calidad de las perforaciones, los pozos que posean un empaque con grava no estaban produciendo, en trminos generales, tan eficientemente como era tericamente posible. Se centr la atencin en el gel de HEC como causa potencial de esta productividad deficiente. Se descubri que la HEC no era tan inofensiva como se haba presumido en un principio, por lo que se desarrollaron procedimientos mejorados de mezcla.6 A pesar de un mejor proceso de mezclado, todava era posible que se produciera dao por accin del gel residual. Las investigaciones tambin sealaron que la HEC no empacaba las perforaciones eficientemente cuando se incrementaban la desviacin del pozo y la longitud de zona.7 Se propusieron opciones a la HEC, tales como XC y Shellflo-S.

A finales de la dcada de los 80, para cuando estos nuevos polmeros comenzaban a atraer la atencin, Baker Hughes desarroll el Infusor de Grava, que result ser el primer equipo eficiente para mezclar salmuera y arena en el campo. Este equipo permita mezclar la grava en salmuera de manera uniforme y contribuy a reorientar la atencin de los expertos hacia la salmuera como fluido de acarreo de grava. Conjuntamente con los datos de investigacin y los resultados positivos obtenidos en el campo, el Infusor de Grava dio inicio a la tendencia de utilizar de nuevo la salmuera como fluido de acarreo de empaque con grava8,9. Si bien el gel representaba una mejora tecnolgica para el momento y sigue siendo una opcin vlida en ciertas situaciones, la salmuera es el fluido de acarreo ms ampliamente utilizado hoy en da en la industria.

Observaciones del modelo fsico de colocacin de empaque con salmuera y gel

Exxon estudi las caractersticas de la salmuera y los fluidos de acarreo de gel en un modelo de empaque con grava de plstico transparente y 22 pies de longitud. El modelo simulaba una tubera de revestimiento de 7, con una densidad de disparos que variaba entre 0 y 12 disparos por pie. El modelo poda rotarse para simular desviaciones de pozo comprendidas entre 0 y 110( respecto a la vertical. Los resultados del estudio se reportaron en 1993 en el SPE Paper 22793, una copia del cual se muestra en el Anexo 2. A continuacin, se resumen los resultados del estudio.

Fluido de acarreo de salmuera. Se efectuaron simulaciones con fluidos de acarreo de salmuera a desviaciones comprendidas entre 0 y 45(, 45 y 60(, y 60 y 110(. El mecanismo de colocacin del empaque en las simulaciones realizadas entre los 0 y 45( estuvo dominado por la gravedad, empacndose el pozo secuencialmente desde el fondo hacia arriba. Se consideraba que una perforacin estaba empacada si a travs de ella se produca una filtracin finita. La grava no comenzaba a llenar los tneles de perforacin sino hasta que el nivel de grava existente en el espacio anular llegaba a la entrada de la perforacin. En este momento, la grava se desviara hacia la perforacin (siempre que sta estuviese filtrando) y la empacara en su totalidad a medida que el nivel del empaque anular se elevara. El resultado final era un espacio anular hermtico y un empaque completo de aquellas perforaciones que experimentaban filtraciones. Por su parte, en el rango comprendido entre los 45 y los 60(, el pozo tambin estaba completamente empacado, pero la colocacin del empaque se iniciaba en el lado inferior del hoyo y llenaba el espacio anular con una serie de dunas que se propagaban hacia arriba y hacia abajo a lo largo del modelo. Una vez ms, el empaque fue completo en aquellas perforaciones que presentaban filtraciones finitas de fluido. En el rango comprendido entre 60 y 110(, se excede el ngulo de reposo de la grava. El modelo es empacado por una duna que se propaga de arriba hacia abajo y, posteriormente, por una segunda duna que retrocede por la parte superior del modelo desde abajo hacia arriba. Tal como ocurriera antes, la colocacin del empaque, incluso en el lado superior, fue completa en aquellas perforaciones que registraron una cantidad finita de filtracin de fluido. En este rango de alta desviacin, se produca un puenteo prematuro cuando la tasa de bombeo era demasiado baja o cuando flua una cantidad excesiva de fluido en el espacio anular comprendido entre la rejilla y la tubera de lavado. Fundamentales para el xito de un empaque con grava eran la tasa de bombeo y el uso de una tubera de lavado de dimetro externo grande para obligar al fluido a salir de la rejilla. Asimismo, la concentracin de grava en el fluido de acarreo de salmuera tena que ser uniforme.

Fluidos de acarreo de gel. Se efectuaron simulaciones con fluidos de acarreo de gel a desviaciones comprendidas entre 0 y 45(, 45 y 60(, y 60 y 80(. Los mecanismos de colocacin de empaque con gel fueron ms complejos que los utilizados con la salmuera. Entre 0 y 45(, la viscosidad elevada del gel permitira la colocacin radial del empaque alrededor de la rejilla de empaque con grava y la acumulacin de nodos en los orificios de entrada de las perforaciones. En las conexiones de las rejillas, se observ deshidratacin de la lechada y empaque hasta la parte superior de la rejilla inferior. Dicha deshidratacin continu en la parte inferior de la rejilla superior, lo que produjo un vaco a travs de la conexin. Estos vacos solan llenarse con la grava que se asentaba despus de unas horas en las desviaciones comprendidas entre 0 y 45(. Al igual que con la salmuera, el empaque de las perforaciones estaba completo, pero slo se produca si las perforaciones filtraban fluido. Por otra parte, en desviaciones superiores a los 60(, los vacos persistan en aquellas reas donde la deshidratacin de la lechada era incompleta (frente a las conexiones de las rejillas o en las secciones no caoneadas del intervalo). A diferencia de las simulaciones efectuadas a desviaciones menores, el asentamiento del empaque con grava a desviaciones superiores a los 60( resultaba a menudo incompleto, lo que generaba vacos permanentes en el empaque con grava. Cuando estos vacos se producan opuestos a las perforaciones, cualquier arena de empaque con grava que se colocara en ellas caera a los vacos en condiciones de produccin. En condiciones reales de pozo, este fenmeno se traducira en produccin de arena o en el taponamiento localizado del empaque con grava, porque los tneles de las perforaciones se llenan con arena de formacin.

Resumen sobre los fluidos de acarreo. Con base en los resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio y a la experiencia de campo de Exxon, se determin que la salmuera contribuye a que el empaque de las perforaciones y el espacio anular sea ms completo en una amplia variedad de condiciones de pozo. El uso de fluidos de acarreo de gel debera limitarse a aquellos pozos que posean desviaciones inferiores a los 45( y a las longitudes brutas de zona por debajo de 70 pies.

Resultados de campo

Para evaluar cualitativamente los resultados de un empaque con grava, por lo general se determina el factor de empaque. El factor de empaque no es ms que una medida de la cantidad de grava que se coloca detrs de la tubera de revestimiento durante las operaciones de colocacin del empaque con grava. El factor de empaque se calcula utilizando un balance de materiales de la siguiente manera:

donde:PF=factor de empaque de las perforaciones (libras de grava por pie de perforaciones)

Vt =cantidad total de grava bombeada (libras)

Vs =cantidad total de grava que llena el espacio anular ubicado entre la rejilla y la tubera de revestimiento (libras)

Vb =cantidad total de grava que llena el espacio anular entre el tubo liso y la tubera de revestimiento (libras)

Vr =cantidad total de grava que sale del pozo por circulacin inversa despus de la colocacin del empaque con grava (libras)

Hn =intervalo caoneado neto (pies)

Pfpp =factor de empaque de las perforaciones derivado de las operaciones de pre-empaque, segn el anlisis efectuado en el Captulo 12 (libras de grava por pie de perforaciones)

Es importante que el empaque de las perforaciones sea completo para que el empaque con grava tenga xito, por lo que, intuitivamente, el factor de empaque debera correlacionarse bien con la productividad del pozo. Desafortunadamente, esta correlacin ha demostrado no ser confiable. Un factor de empaque potencialmente ms preciso y con posibilidades de correlacin se estimara con base en los pies netos de perforaciones que contribuyen con el flujo, a diferencia de la totalidad de pies netos de perforaciones. Desafortunadamente, determinar cules son las perforaciones que contribuyen con el flujo resulta sumamente difcil en un pozo empacado con grava. Sin embargo, el factor de empaque sigue siendo una indicacin fcilmente obtenible y usualmente utilizada de un empaque con grava exitoso y resulta estadsticamente til cuando se comparan distintas tcnicas de colocacin de empaque en una amplia muestra de pozos. El factor de empaque tambin ha demostrado ser til en correlaciones que presentan la longevidad de la completacin.

Cuando el empaque de agua comenz a recobrar vigencia a finales de la dcada de los 80 y principios de los aos 90, Baker Hughes empez a elaborar una base de datos que sustentara la utilizacin del empaque de agua como una opcin viable frente a los empaques de lechada viscosa. Los resultados del factor de empaque en funcin de la longitud del intervalo, la desviacin del pozo y el tipo de pozo se muestran en las Figuras 11.2, 11.3 y 11.4. Estas figuras indican que, en cada caso, los fluidos de acarreo de salmuera producen una mejor colocacin del empaque en las perforaciones, en comparacin con los fluidos de acarreo de gel viscoso. Adems del empaque de las perforaciones, la calidad del empaque en el espacio anular rejilla/tubera de revestimiento es importante. Por otra parte, las Figuras 11.5, 11.6, 11.7 y 11.8 muestran ejemplos de registros de empaque con grava de pozos reales. Estos registros sealan que el empaque anular es completo cuando se emplean fluidos de acarreo de salmuera. Los empaques con grava que se ejecutan con fluidos de acarreo de gel viscoso muestran la presencia de grandes vacos en el empaque anular que, de no repararse, generarn la produccin de arena de formacin. Las Figuras 11.9 y 11.10, por su parte, constituyen ejemplos de pozos empacados con grava que utilizaron gel viscoso y que luego tuvieron que volver a empacarse con salmuera debido a que el empaque inicial de gel present vacos.

Figura 11.2

Factor de Empaque De Las Perforaciones en funcin de la longitud del Intervalo

Figura 11.3

Factor de Empaque De Las Perforaciones en funcin de la desviacin

Figura 11.4

Factor de Empaque De Las Perforaciones en funcin del tipo de Pozo

Figura 11.5

Empaque con salmuera en un pozo de Gas

(Prof. 7,600 pies, 51, 42 pies Perforados)

Figura 11.6

Empaque con salmuera en un pozo de Crudo

(Prof. 3,600 pies, 67, 76 pies Perforados)

Figura 11.7

Empaque con salmuera en un pozo de Crudo

(Prof. 12,800 pies, 68, 50 pies Perforados)

Figura 11.8

Empaque con Gel Viscoso en un pozo de Crudo

(Prof. 13,600 pies)

Empaque con Gel Viscoso

Empaque con Salmuera

Figura 11.9

Comparacin de un empaque con Gel Viscoso y con Salmuera en un pozo de Gas

(Prof. 3,500 pies, 54, 110 pies perforados)

Empaque con Gel Viscoso

Empaque con Salmuera

Figura 11.10

Comparacin de un empaque con Gel Viscoso y con Salmuera en un pozo de Gas

(Prof. 4,200 pies, 63, 20 pies perforados)

Referencias

1. Sparlin, D., Fight Sand With Sand - A Realistic Approach to Gravel Packing, SPE Paper 2649, 44o Reunin Anual de Otoo del SPE, Denver, Colorado, septiembre 28 - octubre 1, 1969.

2. Lybarger, J.H., Scheuerman, R.F. y Williard, R.O., Water-Base, Viscous Gravel Pack System Results in High Productivity in Gulf Coast Completions, SPE Paper 4774, Simposio SPE sobre Control del Dao a la Formacin, New Orleans, Louisiana, febrero 7- 8, 1974.

3. Novotny, R.J. y Matson, R.P., Laboratory Observations of Gravel Placement Techniques, SPE Paper, 5659, 50o Reunin Anual de Otoo, Dallas, Texas, septiembre 28 - octubre 1, 1975.

4. Recommended Practices for Testing Sand Used in Gravel Packing Operations, American Petroleum Institute, API Recommended Practice 58 (RP58), marzo 1986.

5. Roll, D.L., Himes, R., Ewert, D.P. y Doerksen, J., Effects of Pumping Equipment on SandLaden Slurries, SPE Paper 15071, SPE Production Engineering (November 1987), 291-296.

6. Ashton, J.P. y Nix, C.A., Polymer Shear Mixer: A Device for Improving the Quality of Polymer Viscosified Brines, SPE Paper 14829, 7mo. Simposio sobre Control del Dao a la Formacin, Lafayette, Louisiana, febrero 26-27, 1986.

7. Penberthy, W.L. y Echols, E.E., Gravel Placement in Wells, SPE Paper 22793, Journal of Petroleum Technology (julio 1993), 612-613, 670-674.

8. Johnson, M.H., Montagna, J.N., y Richard, B.M., Studies, Guidelines and Field Results of Nonviscosified Completion Brine Gravel-Pack Carrier Fluids, SPE Paper 23774, SPE Simposio Internacional sobre Control del Dao a la Formacin, Lafayette, Louisiana, febrero 26-27, 1992

9. Thibodeaux, G.A., Gill, S.B., Richard, B.M. y Bowman, C.W., Comparative Study of Gravel/Water Packing 12 Gulf Coast Wells, SPE paper 22794, 66o Reunin y Exposicin Tcnica Anual SPE, Dallas, Texas, octubre 6-9, 1991.

Orificios de retorno

Orificios de empaque

Asiento de Bola

( Cortado )

Tubera de Lavado

Tecnologa de Completaciones para Formaciones Inconsolidadas11-1

Rev. 2 / June 1995 / Espaol

Tecnologa de Completaciones para Formaciones Inconsolidadas11-11

Rev. 2 / June 1995 / Espaol

_900839641.doc

Gravel

Return ports

Gravel Pack ports

Ball Seat

(Sheared out)

Washpipe

_900839813.unknown