INGENIERÍA DE PERFORACIÓNFLUIDOS DE PERFORACIÓN

Septiembre 2009

Contenido

¨ Objetivos¨ Conceptos básicos¨ Definición¨ Funciones¨ Funciones¨ Propiedades¨ Clasificación¨ Factores a considerar en su selección¨ Diseño y características de un programa de lodos

REOLOGIA

¨ Se denomina Reología, palabraintroducida por Eugen Bingham en 1929,al estudio de la deformación y el fluir dela materia.

¨ Una definición más moderna expresa quela reología es la parte de la física queestudia la relación entre el esfuerzo y ladeformación en los materiales que soncapaces de fluir. La reología es una partede la mecánica de medios continuos.

EMULSION

¨ Una emulsión es una mezcla de doslíquidos inmiscibles de manera más omenos homogénea.

¨ Un líquido (la fase dispersa) es¨ Un líquido (la fase dispersa) esdispersado en otro (la fase continua ofase dispersante).

A. Dos líquidos inmiscibles, fase I y fase II, no emulsificados;B. Emulsión de fase II disperso en la fase I;

C. La emulsión inestable se separa progresivamente;D. Las posiciones surfactantes (borde púrpura) en las interfaces

entre la fase I y la fase II; estabilizan la emulsión.

TENSION INTERFACIAL

¨ La fuerza, por unidad de longitud,que se requiere para aumentar unasuperficie se conoce como tensiónsuperficial, y viene expresada en elsistema CGS en dinas por centímetro.sistema CGS en dinas por centímetro.

¨ La tensión interfacial es la fuerza otensión existente en la interface entredos líquidos inmiscibles y también seexpresa en dinas por centímetro.

SURFACTANTE

¨ Cualquier sustancia o producto quereduce la tensión interfacial entre dossuperficies en contacto. Sudenominación proviene de ladenominación proviene de lacontracción de las palabras inglesas"surface active agents".

¨ Producto químico que reduce la tensión superficial de los líquidos, facilitando la acción de un detergente.

FLOCULOS

¨ un flóculo es un grumo de materia orgánica formado por agregaciónde sólidos en suspensión.

¨ El término deflocular representa el hecho de convertir una masapastosa de alta densidad ( 1.8 cc/gr.) en un líquido fluido susceptiblede escurrirse ( de ahí el término reología, que en griego significaescurrido ) sin que se coagule durante el tiempo que ha deescurrido ) sin que se coagule durante el tiempo que ha depermanecer dentro del molde de yeso.

Fluido de Perforación

¨ Es una mezcla de líquidos, sólidos y aire.¨ Su uso se remonta a 1845 .¨ Comúnmente llamado lodo de perforación describe

un amplio rango de fluidos, líquidos y gases usadosun amplio rango de fluidos, líquidos y gases usadosen la perforación

Fluido de Perforación

¨ No debe ser tóxico, corrosivo ni inflamable,¨ Debe ser inerte a las contaminaciones de sales

solubles y minerales,¨ Estable a las altas temperaturas ,¨ Estable a las altas temperaturas ,¨ Inmune al desarrollo de bacterias.

Funciones del Fluido de Perforación

1. Llevar los ripios a la superficie.

2. Enfriar y lubricar la barrena y la sarta de perforación.

3. Controlar las presiones de formación.

4. Limpiar el fondo del pozo.4. Limpiar el fondo del pozo.

5. Mantener la integridad del agujero.

6. Ayudar a la toma de registros geofísicos.

7. Minimizar la corrosión de la TP y la TR.

8. Mejorar la velocidad de perforación.

Propiedades y características de los fluidos de perforación

v Viscosidad:- Se define como la resistencia de los fluidos al

movimiento.

Punto de cedencia.- Esta relacionado con la viscosidad¨ Punto de cedencia.- Esta relacionado con la viscosidad. Es Fuerza aplicada a un fluido para iniciar su movimiento. Parámetro reológico de los fluidos en el modelo plástico de Bingham.

v Ph.- Define el grado de acidez o alcalinidad del fluido.

v Tixotropía.- Es una característica de los fluidos a

desarrollar un alto gel cuando no están en movimiento.

Clasificación de los fluidos de perforación

¨ En general los fluidos de perforación puedendividirse en tres categorías dependiendo de la fasecontinua que los forma:

1. Fluidos de perforación base agua.

2. Fluidos de perforación base aceite.

3. Fluidos de perforación aereados.

4. Fluidos limpios

1. Fluido de Perforación Base agua

El sistema de lodos base agua es el más usado a nivel mundial en la industria

de la perforación. En este sistema la fase continua es el agua dulce, agua de

mar y la fase discontinua puede ser: aceite (lodo de emulsión directa) o aire

(lodo aireado).

Fase continuaAgua

1. Fluido de Perforación Base agua

¨ Por lo general el agua dulce es la base de este fluidoa la cual se le adicionan aditivos químicos tales comoarcillas, polímetros, densificantes y otros aditivos parael control de algunas variables.

1. Clasificación de Fluidos Base agua

¨ Fluido bentonitico (no – disperso). El termino no disperso indica que no se utilizanaditivos dispersantes y las arcillas comerciales agregadas al lodo, o las que seincorporan de la formación, van a encontrar su propia condición de equilibrio en elsistema de una forma natural. Este fluido es utilizado en el inicio de la perforación.

¨ Fluido bentonitico polimétrico. Es utilizado para perforar formaciones de bajocontenido de arcilla. Se prepara con agua dulce o salada para concentraciones decontenido de arcilla. Se prepara con agua dulce o salada para concentraciones decalcio menores de 200 ppm.

¨ Fluido disperso – no inhibido. Se utilizan dispersantes químicos para deflocular a labentonita sódica. Es el fluido más versátil y utilizado en la industria, debido a sutolerancia a los contaminantes más comunes y a la incorporación de sólidos deformación. La viscosidad del sistema es controlada con facilidad mediante el uso dedispersantes. Con la adición de lignitos es excelente para perforar formaciones conalta temperatura.

1. Fluidos base agua- Problemas síntomas y soluciones

2. Fluido de perforación Base aceite

¨ Un lodo base aceite es un fluido que tiene como fasecontinua a un aceite y su filtrado es únicamente aceite.

¨ Se le denomina “lodo base aceite” cuando su contenido deagua es de 1 al 15% y “emulsión inversa” cuando el

Agua

Aceite

contenido de agua es de 5 al 50 %.

2. Fluido de perforación Base aceite

¨ Los lodos de emulsión inversa se refieren a una emulsión deagua en aceite en donde la fase continua es el aceite y ladiscontinua el agua en forma de gotas. Para formar unapelícula de aceite alrededor de las gotas de agua serequiere el uso de emulsificantes, aditivo que mantendrárequiere el uso de emulsificantes, aditivo que mantendráestable la emulsión.

Clasificación fluidos base aceite

En los fluidos base aceite tenemos los de emulsión directa y son emulsiones que se preparan con el 80%

de diesel, 18% de agua y un 2% de emulsificante. Estos fluidos son utilizados en formaciones

Los lodos de emulsión inversa son utilizados en la perforación de lutitas hidrófilas y zonas

productoras con alta temperatura. Se caracterizan por ser lodos salados ya que su

salinidad varia de 30 mil a 350 mil ppm

depresionadas donde se requiere baja densidad o en la reparación de pozos.

Fluido base aceite

Base aceite.- Cuando la fase continua es el aceite y los porcentajes de agua varían del 1 al 15 %

Emulsión inversa.- Cuando la fase continua es el aceite y los porcentajes de agua variandel 5 al 50 %

Emulsión directa.- Cuando la fase continua es el aceite y los porcentajes de agua son del 18 %.

Clasificación de fluidos base aceite

2. Fluidos base aceite- Problemas síntomas y soluciones

Nota.- El diesel utilizado para la preparación de un lodo base aceite debe cumplir con:

§ Bajo contenido de azufre§ Punto de anilina mayor de 65§ Punto de ignición mayor de 52° C°C

Los fluidos aireados incluyen aire, gas,

espumas o lodos aireados que son utilizados

para perforar en zonas muy depresionadas

cuyos gradientes de presión de fractura son

bajos.

3. Fluidos Aireados

bajos.

La perforación con aire requiere de una

gran cantidad de compresores para el

bombeo del aire al pozo.

Los problemas que se tienen cuando se

perfora con aire o gas, se deben

principalmente a volúmenes insuficientes de

aire para transportar los recortes.

3. Fluidos Aireados

¨ El gasto requerido de aire o gas se puede obtenermediante la siguiente ecuación, la cual esta basadaen una velocidad anular mínima de 3,000 pies/min:

Q = 16.02 ( da2 – dt2) + (RD)

Q = Gasto requerido, pies/min

da = Diámetro del agujero, pg.

dt = Diámetro de la tubería, pg

R = Velocidad de perf esperada, pies/min

D = Profundidad en 1000 de pies.

3. Fluidos Aireados

¨ Los fluidos aireados tienen una gran aplicaciónen la perforación bajo balance, ya que estemétodo de perforación requiere que la presiónhidrostática ejercida por la columna del fluidohidrostática ejercida por la columna del fluidosea menor que la presión del yacimiento y estose obtiene con la inyección de nitrógeno a lacolumna de lodo.

3. Clasificación fluidos Aireados

La perforación con espuma es un método alterno

para transportar los recortes, al mismo tiempo

que se reduce la presión hidrostática ejercida por

la columna del lodo.

Estos fluidos desarrollan viscosidades mayores queEstos fluidos desarrollan viscosidades mayores que

el aire o gas, por lo que se requieren altas

velocidades anulares. Una espuma estable

limpiará bien el agujero con velocidades anulares

de 200 a 300 pies/min. La principal

problemática es mantener la estabilidad de la

espuma.

Con este sistema se alcanzan densidades por

debajo de 0.50 gr/cc.

Las salmueras, también llamadas

fluidos limpios por estar libres

de sólidos se han utilizado donde

no se requieren densidades y

SalmueraDensidad(gr/cc)

Viscosidad(cp)

4. Fluidos Limpios

viscosidades muy altas o en las

etapas de terminación y

reparación de pozos. La siguiente

tabla muestra las salmueras más

utilizadas, su densidad y su

viscosidad.

Cloruro de potacio ( KCL) 1.14 2

Cloruro de sodio (NaCL) 1.2 2

Cloruro de calcio (CaCL2) 1.39 9

Bromuro de calcio (BrCa2) 1.7 32

Cloruro de calcio (CaCL2)Bromuro de calcio (BrCa2) 1.81 50

Cloruro de calcio (CaCL2)Bromuro de zinc (ZnBr2) 2.3 41

4. Fluidos Limpios

¨ Ventajas.- La principal ventaja de estos fluidoslimpios es que minimiza el daño a la formación.

¨ Desventaja.- Las sales para densidades mayoresde 1.40 gr/cc requieren el uso de Bromuros,de 1.40 gr/cc requieren el uso de Bromuros,material que es altamente contaminante yexcesivamente caro. Razón por la cual su empleoesta muy restringido. Otra desventaja es que sonaltamente corrosivas.

5. Factores a considerar en la selección de fluidos de perforación

¨ Una selección adecuada del fluido de perforación es devital importancia para el éxito de la perforación, loserrores en esta fase pueden resultar muy costosos y difícilesde corregir, para evitar estos errores es recomendableconsiderar los siguientes factores:v Factores ambientales

v Aspectos de seguridad

v Alta temperatura y presión

v Pérdidas de circulación

v Lutitas hidrófilas

v Domos salinos

v Logística

Factores ambientales

¨ Con frecuencia este factor es el de mayor peso para laselección de la base (agua o aceite ) del fluido deperforación. Las regulaciones ambientales son variadas ydependen de donde se encuentre localizado el pozo aperforar.

¨ Zonas marinas¨ Zonas marinas• Fluorescencia• Biodegradación • Bioacumulación

q Zonas terrestres• Contenido de cloruros • Metales pesados • Ph y contenido de aceite

Aspectos de seguridad

¨ La seguridad es prioritaria, y el fluidoseleccionado debe ser capaz de mantener lascaracterísticas o propiedades requeridas para:

• Ejercer un efectivo control de la presión de formación.

• Realizar una limpieza efectivo del pozo.• Debe mantener control sobre los

contaminantes del área• Debe permitir la rápida densificación.

Alta temperatura y Alta Presión

¨ Al perforar pozos con alta temperatura ypresión, se debe seleccionar el fluido quepresente mejor estabilidad.

¨ El fluido base aceite (emulsión inversa) tiene un¨ El fluido base aceite (emulsión inversa) tiene unmejor desempeño en estas condiciones. Losproblemas mas comunes en estos pozos son:

• Gelificación• Asentamiento de la barita• Inestabilidad• Variaciones en la densidad (disminución)

Perdidas de Circulación

¨ Si se va a perforar un pozo en una zona dondeexiste evidencia de que se puede presentar unperdida de circulación de gran magnitud, el tipode fluido seleccionado debe ser el más simple yeconómico posible.económico posible.

¨ Para estos casos el fluido base agua es el másrecomendado y de ser posible fluidos aireados.

¨ La problemática en zonas de perdida total:§ Manejo de grandes volúmenes de lodo§ Logística§ Costo

Lutitas Hidrofilas

¨ Cuando se van a perforar zonas de lutitashidrófilas (que adsorben agua), lo másrecomendable es el uso de fluidos base aceiteya que un fluido base agua causaría unaya que un fluido base agua causaría unadesestabilización de las lutitas porhinchamiento. La problemática más común es:� Inestabilidad del pozo

Perforación en Domos Salinos

¨ Cuando se tiene programado la perforación de undomo salino, la selección del fluido de perforacióndebe ser tal que evite los deslaves en la formación , lamejor solución para estos casos es un fluido base aceitesaturado con sal. Si se opta por un fluido base agua

• Descalibre del pozo.• Flujos de sal• Flujos de agua salada• Incremento de la densidad• Pérdidas de circulación• Contaminación del fluido de perforación

saturado con sal. Si se opta por un fluido base aguatambién deberá estar saturado con sal. Los principalesproblemas al perforar un domo salino son:

Logística

¨ Debemos considerar la logística para el acarreodel material químico y fluidos para lapreparación del lodo.

¨ Si el lugar es de difícil acceso será preferible un¨ Si el lugar es de difícil acceso será preferible unlodo base agua y si es en costa fuera lo mejor esutilizar un lodo preparado con agua de mar.

• Distancia.• Acceso.

Aspectos Económicos

¨ Deberá realizarse una lista con los fluidos quetécnicamente sean capaces de perforar elpozo con seguridad y eficiencia, realizar uncomparativo y finalmente seleccionar el máseconómico.económico.

¨ En el costo del fluido se debe considerar:• Costo del fluido base.• Costo del mantenimiento.• Costo del tratamiento de los ripios

Aspectos Económicos

¨ Después de analizar y considerar los factores mencionados,estamos en posibilidad de seleccionar la base del fluido deperforación a utilizar en cada etapa del pozo.

¨ Si seleccionamos un fluido base agua y vamos a perforaruna etapa donde tengamos lutitas hidrófilas es necesarioconocer las características mineralógicas de dicha formación

§ Presencia de derrumbes.§ Tendencia al empacamiento de la sarta de perforación.§ Excesivos arrastres al sacar la sarta.§ Continuos repasos de agujero al meter la sarta.§ Altos torques.§ Constantes pegaduras de la sarta

conocer las características mineralógicas de dicha formaciónpara prevenir problemas de inestabilidad del pozo. Losindicadores más comunes de inestabilidad son:

Diseño de un programa de Lodos

¨ El diseño de los fluidos de perforación va en función de:� La litología,� Daño a la formación,� Temperatura,� Hidráulica,

Geometría del pozo,� Geometría del pozo,� Profundidad,� logística y de las� Restricciones ambientales del lugar.

Estos deben ser formulados con las propiedades y característicasapropiadas para las operaciones que se realizaran, sin faltarpor supuesto la evaluación económica.

El Programa de fluidos incluye:

a. Los tipos de fluidos de perforación a utilizar por etapa de

perforación.

b. Los rangos de densidades necesarios para balancear las presiones

de los fluidos de la formación en cada etapa.de los fluidos de la formación en cada etapa.

c. Las principales propiedades requeridas para una perforación

eficiente.

d. Aditivos de los fluidos requeridos para cada etapa.

e. Problemas esperados y los procedimientos de control.

Programa del fluido de perforación

Barrenapg

Profundidadm

Objetivo de la etapa a perforar Fluido deperforación

Densidadgr/cc

38 50 Cementar el tubo conductor de 30" para tener un medio de circulación. Bentonítico 1.08

26 700

Cementar la TR de 20" para aislar acuiferos superficiales, instalar lasconexiones superficiales de control definitivas y poder incrementar ladensidad para la siguiente etapa. Inhibido 1.2

Características de un programa de Lodos

17 1/2 1800Cementar la TR de 13 3/8" arriba de la zona de presión anormal alta yestar en condiciones para subir la densidad y cambiar la base al lodo Inhibido 1.7

12 4000Perforar la zona de presión anormal, cementar la TR de 9 5/8" y estar encondiciones de bajar la densidad al lodo para la siguiente etapa.

Baseaceite 1.95 - 2.0

8 3/8 4700Perforar hasta la cima de la formación cretacico y cementar la TR de 7"para que nos permita bajar la densidad y la base al lodo.

Baseaceite 1.7

5 7/8 5500Perforar la zona productora y cementar la TR de explotación de 5" paraexplotar selectivamente el yacimiento.

Baseagua 1.2

Características del lodo a vigilar durante la perforación

Durante la intervención del pozo se lleva un registro de los fluidos de perforación con la finalidad de ir

monitoreando su comportamiento diario y corregir a tiempo posibles desviaciones. Las principales

características que se controlan son:

§ Nombre del pozo.

§ Fecha

§ Profundidad

§ Densidad

§ Filtrado

§ Enjarre

§ Viscosidad y PH

§ Punto de cedencia

§ Contenido de cloruros

§ Contenido de calcio

§ % de aceite

§ % de agua

§ % sólidos

§ Gelatinosidad

La eliminación del daño a la formación causado por los fluidos durante la perforación es sumamentecostoso, debido a que se tienen que realizar operaciones de estimulación y en ocasiones hastafracturamientos.

El lodo base aceite al entrar en contactocon la formación productora puedeformar emulsiones obstruyendo porcompleto el flujo de hidrocarburos.

Daño a la formación

Invasión de filtrado

completo el flujo de hidrocarburos.

El lodo base agua al entrar en contactocon la formación productora (cuyocontenido de arcilla sea importante)puede desestabilizar las arcillas yocasionar un bloqueo o reducción de lapermeabilidad.

Bibliografía

¨ Notas del Ing Israel López Valdez de la facultad de Ingeniería de la UNAM

¨ SPE- Applied Drilling Engineering Bourgoyne

RESPALDO

Transportar los recortes a la superficie

Un lodo de perforación debe ser capaz de transportar

eficientemente los recortes hechos por la barrena a la

superficie. Para que esto se cumpla, la velocidad del lodo de

perforación en el espacio anular debe ser mayor que la

velocidad de asentamiento de las partículas generadas por la

barrena (estas pueden ser de formación o de fierro), para quebarrena (estas pueden ser de formación o de fierro), para que

estas puedan ser llevadas a la superficie.

Cuando la circulación se suspende, el lodo debe mantener en

suspensión las partículas o recortes que se encuentran en el

espacio anular para evitar que caigan y atrapen a la sarta de

perforación. Esto se logra mediante una propiedad del lodo

llamada: Tixotropía.

Enfriar y lubricar la barrena y la sarta de perforación

Durante la operación de perforación se genera una gran

cantidad de calor debido a las fricciones que existen entre

el pozo y la sarta de perforación y la barrena con la

formación. El lodo ayuda a transmitir este calor hacia la

superficie al realizar un ciclo completo de circulación y

también a lubricar el pozo.

Existen varios aditivos que adicionados al lodo incrementan

la lubricidad. En pozos profundos, altamente desviado o en

pozos horizontales se requiere el uso de lodos de emulsión

inversa (lodos base aceite) con el fin de reducir la torsión y

el arrastre generados por las altas fricciones.

Controlar las presiones de formación

Durante la perforación se van encontrando formaciones saturadas con fluidos como: agua dulce, agua

salada, gas, aceite o una combinación de ellos. Generalmente estos fluidos se encuentran a una cierta

presión llamada presión de yacimiento, misma que debe ser contrarrestada con la presión hidrostática

ejercida por la columna del lodo de perforación.

Controlar las presiones de formación

Cuando el fluido de perforación no cumple con este objetivo pueden ocasionarse problemas como losmostrados a continuación:

Limpiar el fondo del pozo

La remoción de los recortes debajo de la barrena es una

de las funciones mas importantes del fluido de perforación.

Esta remoción esta controlada por factores tales como: la

viscosidad y la densidad del fluido, el tamaño y densidad

de los recortes y la velocidad del fluido en el espacio

anular.anular.

Los recortes tienden a permanecer en el fondo del pozo

debido a la diferencia de presión que existe entre la

presión hidrostática ejercida por el lodo y la presión de

formación.

Mantener la integridad del agujeroA manudo los pozos presentan problemas de estabilidad de las paredes en el agujero descubierto debido

a fenómenos geológicos tales como zonas fracturadas, arcillas hidratables, formaciones no consolidadas y

zonas presurizadas. El lodo de perforación debe ser capaz de controlar dichos problemas de tal manera

que la parte perforada permanezca estable y se pueda continuar con la perforación.

Ayudar a la toma de registros geofísicos

Las propiedades físicas y químicas de un lodo de perforación pueden afectar la toma de registros

geofísicos. Por ejemplo, un lodo muy salado hace poco confiable la información obtenida de un registro de

Potencial Espontáneo (SP) debido a que la salinidad del lodo y de la formación pueden ser casi iguales.

Los lodos base aceite, nulifican los registros de resistividad ya que el lodo actúa como un dieléctrico. Por lo

tanto, el programa de registros deberá estar acorde con

Durante la perforación de pozos de alto ángulo,

horizontales o multi laterales se utiliza la herramienta

MWD. Esta herramienta envía información a la

superficie a través del lodo mediante pulsaciones:

1. Propiedades de la roca perforada.

2. Dirección del pozo.

3. Torque.

4. Peso sobre barrena.

tanto, el programa de registros deberá estar acorde con

el lodo que tenga el pozo.

Minimizar la corrosión de las tuberías

En la actualidad se perforan formaciones del cretácico y jurásico que contienen concentraciones altas de

ácido sulfhídrico (H2S), el cual es un gas que además de ser mortal causa la fragilización y falla del acero.

El fluido de perforación deberá contener los productos químicos necesarios para contrarrestar este efecto

(estos químicos son conocidos como secuestrantes).

8. Mejorar la velocidad de perforación.

La velocidad de perforación se ve afectada por varias propiedades del lodo. Los bajos filtrados y los altos

contenidos de sólidos retardan la igualación de presión alrededor del corte y por lo tanto se requiere

remolerlo antes de su remoción. La selección de un determinado tipo de lodo para optimizar la velocidad

de perforación reduce significativamente los tiempos de perforación; sin embargo, deberán de analizarse

otros problemas tales como el daño a la formación, estabilidad del agujero, etc.