PERFORACION BAJO BALANCE

Introducción.-

La tecnología de perforación bajo balance ha surgido como una de las alternativas para evitar el daño a las formaciones que en muchos casos requiere de una costosa inversión adicional para la corrección de la situación o para el evitar las perdidas del activo construido por el severo daño causado al yacimiento. Toda construcción y/o reparación de pozo es sumamente costosa y tiene como fase final la realización de la terminación o también denominado completación de un pozo.

La tecnología utilizada en la Perforación Bajo Balance (UBD) tiene aproximadamente once años, aunque algunas variaciones como la perforación de flujo ya tengan 30 o más años. El uso de un sistema de control de circuito cerrado en la UBD se diseñó principalmente para la perforación de pozos de baja presión en Canadá, para ayudar a eliminar los problemas de la perforación horizontal. Para que sea efectiva la UBD, es necesario reducir la presión hidrostática del fluido de la perforación, para no dañar la formación durante la perforación y para eliminar las probabilidades para que se presente un pegamiento diferencial y pérdida de circulación. Una ventaja más de esta tecnología es el aumento de taza de penetración en formaciones difíciles de perforar.

Los sistemas de lodo convencionales no eran capaces de realizar esto ya que la más mínima presencia de lodo podía causar serios daños debido a la invasión de fluido. El daño causado durante las operaciones de perforación, requería de la estimulación para eliminar la capa superior. Muchas veces este proceso no tenía éxito, dando como resultado un pozo que no representa ganancias. Los problemas de pegamiento de la columna perforadora y la pérdida de circulación eran muy comunes en estas formaciones.

El resultado de la aplicación de estas técnicas eran pozos que fluían durante el proceso de perforación. Esto requirió del desarrollo de un equipo de control de superficie para poder manejar el flujo en el momento de la perforación; es entonces cuando surge la era de la Perforación Bajo Balance.

Técnicas de perforación bajo balance.-

Perforación con aire: En esta técnica de perforación, la principal función de la circulación del aire, es levantar los recortes desde donde fueron generados en el fondo del agujero y acarrearlos hasta la superficie, con la finalidad de prevenir daños a la sarta o atrapamientos por su acumulación en la herramienta.

Su principio físico se basa en que el flujo de aire ejerce una fuerza de arrastre en cada corte en particular que es opuesta a la gravedad. Si la fuerza de arrastre es mayor que la fuerza gravitacional, los recortes ascenderán en el espacio anular y se eliminarán en la superficie. Los recortes removidos en la superficie en las operaciones de perforación con aire, son regularmente muy finos al grado de pulverizarlos. El proceso de transporte de recortes es complejo debido al efecto de la presión y la temperatura en el comportamiento del aire, pudiendo presentarse el efecto de estrangulamiento, que es la acumulación de recortes en el espacio anular debido al incremento de presión y disminución del gasto de aire, hasta un punto en que el flujo no es capaz de soportar los recortes. Otro aspecto importante es la geometría del espacio anular que influye en el transporte de recortes. La región geométrica crítica en la cual la velocidad del aire disminuye significativamente es la cima de la herramienta, como consecuencia del incremento de espacio entre la tubería y el agujero, dando lugar a la acumulación de recortes. La experiencia de algunos expertos como Angel1, indica que las operaciones de perforación en calizas, alcanzan un eficiente transporte de recortes, si la velocidad del aire iguala o excede a los 3000 pies/minuto. Las tres limitaciones principales de la perforación con aire son: los flujos de agua, los fuegos subterráneos y la inestabilidad del agujero.

Perforación con Nitrógeno: Las operaciones de pbb que utilizan Nitrógeno como fluido de perforación o como componente del mismo, tienen ventajas notables sobre el aire, ya que la mezcla de Nitrógeno con hidrocarburos gaseosos no es flamable, reduciendo al mínimo la posibilidad de fuegos subterráneos. De acuerdo con el Colegio de Minas de E.U., a una presión atmosférica se requiere menos del 12.8 % de oxígeno, antes de que sea posible crear una mezcla flamable de O2, N2 y Metano.

Las operaciones de perforación que emplean Nitrógeno como fluido circulante, levantan los recortes y el influjo de líquidos de la misma forma que el aire. Similar al aire, el gasto de Nitrógeno en el espacio anular generalmente es turbulento; consecuentemente, la densidad es la propiedad que más impacta en el transporte de recortes. Debido a que la densidad del Nitrógeno es ligeramente menor que la del aire a una temperatura y presión estándar, la eficiencia en el transporte de recortes será la misma que cuando se usa aire, al mismo gasto de inyección en superficie.

El aspecto diferencial fundamental es el incremento del costo al emplear Nitrógeno en sustitución del aire. Normalmente el Nitrógeno se puede

suministrar por dos métodos, que consisten en el suministro de termos criogénicos o a través de filtros de membrana. La principal limitación del Nitrógeno como fluido de perforación es la económica. En México el N2, se suministra en termos autotransportables, de 7500 m3 de gas, a un costo promedio de 2000 dólares por termo.

Perforación con gas natural: Al igual que en el caso del Nitrógeno, el gas natural puede usarse como fluido de circulación en las operaciones pbb. El empleo de gas natural previene la formación de mezclas flamables en el fondo, cuando se perfora el intervalo productor de hidrocarburos.

El gas natural forma casi invariablemente, una mezcla combustible cuando se libera en la atmósfera; esto implica tener un mayor potencial de fuego en la superficie, por lo que es necesario realizar ajustes en los procedimientos de operación con relación al empleo de aire.

La densidad del gas natural generalmente es diferente a la del aire, a la misma presión y temperatura. El gas natural se caracteriza por el fenómeno llamado supercompresibilidad; esto significa que se comprime más rápido que un gas ideal a las mismas condiciones de presión.

Considerando que el gas tiene un valor comercial, el perforar bajo balance con este fluido es más costoso que el empleo de aire.Un aspecto importante que debe tomarse en cuenta cuando se perfora con gas, es la disposición de una línea cercana de abastecimiento, ya que el suministro por otros medios tales como cilindros, resultaría antieconómico. Los procedimientos de operación generalmente son los mismos que se utilizan en la perforación con aire o Nitrógeno. Cuando se hace un viaje, la sarta debe deslizarse a través de la cabeza rotatoria y el flujo de gas debe dirigirse hacia una línea de producción lo más lejana posible del piso de perforación, para prevenir riesgos al personal e instalaciones.

Perforación con Niebla: La perforación con niebla es una de las diferentes técnicas en que el fluido es una mezcla de dos fases de líquido y gas. Otros fluidos de perforación que contienen fases líquidas y gaseosas incluyen a las espumas y los lodos gasificados. En la práctica es frecuente obtener perforación con niebla, cuando al perforar con aire se incorpora una pequeña cantidad de agua con un agente espumante.

La niebla se forma si la fracción de volumen de líquido se encuentra en uno o dos por ciento abajo con respecto al gas, a las condiciones prevalecientes de presión y temperatura. La espuma tiene mucho mayor viscosidad que la niebla o el aire seco y mucho mayor eficiencia en el transporte de recortes. La fase líquida en la perforación con niebla es agua con surfactante y un inhibidor de corrosión; formando la niebla por la inyección de líquido dentro del flujo de gas.Típicamente, la perforación con niebla requiere de alrededor de un quinto de la concentración de espumante que las espumas estables. Por ejemplo, si se requiere de 0.75 a 2 por ciento de espumante, para crear una espuma estable, entonces la concentración del mismo agente para la perforación con niebla

estará probablemente en el rango de 0.1 a 0.5 por ciento. La perforación con niebla tiene sus limitaciones características, las cuales incluyen: grandes equipos de compresión, permisos para disposición de agua residual, elevada inestabilidad del agujero y alta corrosión en las partes metálicas del equipo.

Perforación con espuma: Las espumas usadas como fluidos de perforación, consisten de una fase líquida continua, que forma una estructura celular alrededor del gas entrampándolo. Las espumas pueden llegar alcanzar viscosidades extremadamente altas, y al mismo tiempo sus densidades son usualmente menores a un medio de las del agua.

Con esta combinación de alta viscosidad y baja densidad, los fluidos espumados pueden incorporar varios beneficios a las operaciones de perforación, tales como: una alta eficiencia en el transporte de recortes, condiciones de bajo balance en formaciones sensibles o depresionadas y mayor presión anular para reducir los mecanismos de inestabilidad del agujero. En la formulación de espumas para perforación, generalmente la fase gaseosa es aire y la fase líquida es agua.

Las espumas se clasifican de acuerdo con la forma de las burbujas que contienen y generalmente se denominan como espumas esféricas y espumas poliédricas. Otros dos términos usados en la caracterización de las espumas son la textura y la calidad. La calidad es la fracción de volumen de gas expresada en por ciento; mientras que la textura describe el tamaño y distribución de las burbujas.

Una espuma de calidad, es aquella que contiene un porcentaje de gas en volumen superior a 90.

La selección de una espuma como fluido de perforación se determina, cuando se espera un flujo de agua. Por otro lado, se ha establecido que un eficiente transporte de recortes se obtiene con bajas velocidades anulares (100 pies/min), requiriendo por lo tanto, bajo poder de compresión en relación a la perforación con aire o niebla.

La contaminación de la espuma con cloruros o hidrocarburos líquidos, causan su deterioro estabilidad y eficiencia de acarreo; mientras que, los flujos de gas incrementan su calidad. La principal razón de usar espumas para perforar en bajo balance, es la capacidad de acarrear grandes volúmenes de agua, sin requerir excesivos volúmenes o presiones de aire. Las espumas proporcionan buena limpieza del agujero a velocidades anulares bajas, reduciendo la erosión en las paredes del mismo.

Además es factible emplear productos biodegradables, a fin de evitar la contaminación ambiental. Dentro de las limitaciones que se presentan en la perforación con espumas, se incluyen la alta corrosión, la inestabilidad del agujero, los fuegos subterráneos, el deposito de agua residual y los altos costos de consumibles.

Perforación con líquidos gasificados: Los líquidos gasificados generalmente no contienen surfactantes y se caracterizan por tener altas fracciones de volumen de líquido a las condiciones de fondo del pozo. Las densidades de los líquidos gasificados usualmente varían en el rango de 0.50 a 0.85 gr/cm3.Originalmente, los lodos aireados constituyeron los mejores líquidos gasificados. Su primera aplicación fue evitar pérdidas de circulación más que lograr perforar bajo balance. La fase líquida de estos fluidos es normalmente agua, petróleo crudo o diesel con viscosificante, que se gasifican comúnmente con Nitrógeno y menos frecuentemente con aire. Las presiones de circulación se pueden controlar ajustando los gastos de inyección de gas líquido; asimismo, la presión diferencial bajo balance debe mantenerse en un rango de 250 a 500 lb/pg2.

Hay dos técnicas básicas para gasificar los fluidos de perforación, una es la inyección de gas dentro del líquido en la superficie a través de la tubería y la otra es la inyección de gas en el fondo a través del espacio anular. Los líquidos aireados no deben usarse con sistemas de superficie cerrados, debido a la posibilidad de formar mezclas combustibles con aire y los vapores de hidrocarburos producidos.

Los análisis de predicción de presión de circulación al perforar con líquidos gasificados, pueden considerarse análogos a los usados en un pozo con bombeo neumático. Los factores que limitan la aplicación de los líquidos gasificados son: las formaciones con alta presión o productivas, los agujeros inestables, control de presión inadecuado, la excesiva producción de agua y la corrosión.

Perforación con flujo controlado: Esta técnica se refiere aquellas operaciones en que el pozo fluye a la superficie mientras se perfora, ocurre cuando una formación permeable se perfora intencionalmente con un fluido de perforación líquido, estimulando el flujo de la formación. Los sistemas de suministro de gas no se requieren en esta técnica, por lo que pueden usarse sartas con motores y sistemas de telemetría que tienen limitado su uso con líquidos gasificados. El requerimiento básico de la técnica, es que las presiones del agujero deben mantenerse entre una presión máxima igual a la presión de formación y una presión mínima dictada por la estabilidad del agujero. Empresas especializadas prevén incrementos en la aplicación de esta técnica hacia el futuro, dada su compatibilidad con otras técnicas. La Tabla 1 en el apéndice, relaciona los pozos que se han perforado bajo balance

Unidades de Perforación Bajo Balance.-

Equipo completamente portátil: Forma parte de un remolque que sólo necesita ser trasladado. Por lo general, el equipo de Perforación Bajo Balance está construido sobre tarimas.

Elevador de remolque.

Separadores de alta presión: La mayoría de los separadores bajo balance manejan una presión de 250 psi., mientras que Reform cuenta con un separador de presión de 500 psi.

Múltiples entradas con fundas: La mayor parte de los separadores sólo cuenta con una entrada, lo cual implica que tengan que estar inactivos cuando se desgastan.

Sistema múltiple de aspersión de compartimientos.

Tornillo sinfín de velocidad variable: Este remueve los sólidos del separador y se puede ajustar para la cantidad de sólidos en el fluido, lo cual disminuye el desgaste natural de la bomba y mantiene más limpios los tanques. También ayuda a reducir la inactividad.

Sistema de calentamiento eléctrico independiente.

Bombas de transferencia de fluido de alto caballaje: La mayoría de las compañías utilizan bombas de 5 HP (caballos de fuerza). Reform utiliza bombas de 10 HP, por lo que disminuye la inactividad que resulta de un motor sobrecargado desgastándose.

Bombas de inyección electroquímica de doble cabezal: La mayoría de las compañías utilizan un sistema neumático que funciona con nitrógeno o propano.

Sistema Tornado Pilot.

Chimeneas de Venteo.

Múltiple de purgado Kelly de 2” 5K con 2 circuitos de estrangulación de derivación: Múltiple de doble estrangulación para purgar la columna perforadora. También puede purgar desde el separador directamente a la chimenea o a la línea de fluido inferior.

Múltiples de perforación con válvulas giratorias de 4” 5K y doble derivación de estrangulación de 4”.

Válvulas dobles de liberación de presión: Si el sistema presenta exceso de presión, se cuenta con un sistema de seguridad ante tal riesgo.

La limpieza del pozo en UBD .-

Se requieren más equipos y procedimientos antes, durante y después de la operación UBD (comparada con la perforación tradicional). Además, muy poco se sabe a cerca de las propiedades hidráulicas de los fluidos de UBD y aún menos se sabe de las propiedades para limpiar el pozo. La limpieza es un factor importante que afecta el costo, el tiempo de perforación, la seguridad en la extracción del petróleo y la perforación del pozo gasífero.

Si la limpieza del pozo se realiza de forma incorrecta, ésta puede causar problemas muy caros como por ejemplo: el prematuro desgaste del trépano, el aprisionamiento diferencial, una perforación más lenta, formaciones que se fracturan, alta torsión y arrastre.

Los esfuerzos de la industria .-

Las empresas petroleras y el departamento de Estados Unidos han patrocinado los proyectos JIP para estudiar los complejos problemas relacionados con la limpieza del pozo en condiciones de UBD. Desde 1999 se ha invertido un total de 5.97 millones de dólares (75% del departamento de Energía y el 25% de la industria petrolera) en la Universidad de Tulsa en el Proyecto de Investigación sobre la Perforación (TUDRP).

Probablemente las instalaciones de circuitos cerrados para simulación sean unas de las más extensas de su tipo en Estados Unidos. La instalación fue diseñada para simular operaciones, en condiciones de pozo (a elevada presión y temperatura), de perforación convencional y de bajo balance. Varios informes se han publicado, los cuales han generado una gran cantidad de información valiosa y modelos mecánicos únicos.

Las predicciones BHP (de la presión del fondo del pozo).-

Las evaluaciones de la presión del fondo del pozo es una de las tareas más importantes durante las operaciones de UBD. La predicción exacta del BHP es la clave para una operación exitosa. Sin embargo, los recortes tienden a depositarse y formar una capa estacionaria. Como consecuencia, las concentraciones de recortes en el pozo no es lo mismo que cerca del trépano.

De igual modo no es lo mismo la fracción másica del gas que la inyección de la fracción másica de gas. Dos de los parámetros más importantes en el cálculo de BHP son: la presión de la fricción anular y la densidad de la mezcla .Estas son muy difíciles de evaluar debido al comportamiento del flujo polifásico, donde el gas, los líquidos y los sólidos fluyen simultáneamente a diferentes índices de fluidos.

Al introducir una fase gaseosa en un sistema de fluidos se generan más características dinámicas del acarreo de recortes. La parte líquida de la mezcla provee la capacidad de movimiento a los escombros y asegura que los escombros viajen a la velocidad del líquido si no están en el lecho de escombros.

Los sistemas de circulación polifásicos hidráulicos (como los que tienen las operaciones UBD) pueden ser simplificados a un sistema de fluidos de 2 fases en el cual solo una mezcla del fluido líquido y del gaseoso fluye con o sin

lechos de escombros al fondo del espacio anular.

Los regimenes de fluidos más comunes para posibles acarreos de escombros son el flujo tapón y flujo con dispersión de burbujas. Las capas de recortes se forman cuando el índice de flujo del fluido en el espacio anular no puede prevenir que los recortes se acumulen.

Mientras el espesor del lecho aumenta, la velocidad anular y la pérdida de la presión friccional incrementan debido al área de flujo reducido hasta que se alcanza la condición de equilibrio, si las condiciones de la operación no cambiaron (la tasa de bombeo y las propiedades del lodo). La mayoría de los modelos de acarreo de recortes se encuentran establecidos bajo condiciones de equilibrio.

El modelo del acarreo de recortes (cuttings).-

Se desarrolló un nuevo modelo de acarreo de recortes que predice la mínima velocidad anular (U min) para limpiar los pozos que están inclinados y horizontales. La U (min) es la velocidad que mantendrá al orificio del pozo casi limpio. El modelo combina 2 fases de ecuaciones hidráulicas, la teoría del estrato límite de turbulencia y el mecanismo de acarreo de partículas. Si la tasa de bombeo es menor que la U (min), los escombros se acumularán en el espacio anular.El espesor de las capas de los recortes se puede calcular con este modelo. El nuevo modelo mecánico se puede utilizar para evaluar el efecto de la limpieza del pozo del índice del flujo líquido, tasa de inyección de gas, el tamaño de los escombros, la densidad, la temperatura, la presión del fondo del pozo, la inclinación del ángulo y las propiedades reológicas del lodo de la perforación. El modelo fue aprobado a través de información experimental disponible.

El efecto de la inyección del gas.-

A través de estudios se ha descubierto que la inyección de gas afecta relativamente poco a un sistema de agua/ aire. Para el agua, que es un fluido de baja viscosidad, ya el sistema es lo suficientemente turbulento sin introducir gas en el mismo. Esto puede explicar porque la fase gaseosa posee menor efecto en el acarreo de recortes con agua. Sin embargo, en los sistemas no-Newtonianos de lodo/gas, parece que la inyección de gas juega un papel más importante. La turbulencia creada por la fase gaseosa permite una más rápida redistribución de la fase líquida en el espacio anular (alta velocidad de formación del tapón líquido. El modelo se ha aplicado en un ensayo con un anillo horizontal de 6 x 3.5 pulgadas con aire y ecuación potencial de lodo (power law mud: n = 0.67K, k = 0.335 Pa .s). La U (min) es sensible a las variaciones del índice de inyección de gas y su aumento aparentemente puede

ayudar a limpiar el pozo. El efecto de la GLR (relación gas/ líquido) en el acarreo de recortes parece ser sensible también a otros parámetros de flujo y es altamente influenciado por el índice de flujo líquido.