VII INGEPET 2011 (EXPL-2-DV-04-E)

ANALISIS DE PRUEBAS DE GOTEO EXTENDIDAS PARA LA DETERMINACIÓN DEL GRADIENTE DE FRACTURA Y ESFUERZO MÍNIMO

AUTORES: Víctor Manuel López-Solís (Petróleos Mexicanos), Fabián Martínez-González (Petróleos Mexicanos), David Velázquez-Cruz (Instituto Mexicano del Petróleo), Gustavo Espinosa-Castañeda (Instituto Mexicano del Petróleo)

RESUMEN

Las pruebas de goteo (Leak Off Test o LOT) son pruebas de presión que se realizan durante la perforación de un pozo, inmediatamente después de perforar la zapata de la última tubería de revestimiento cementada. Tienen como propósito determinar la máxima presión que puede ser ejercida por el fluido de perforación sin tener pérdida, cuyo valor, equivocadamente se conoce como gradiente de fractura. Por el contrario, una prueba de goteo extendida (Extended Leak Off Test o XLOT) es en realidad una prueba de fracturamiento hidráulico, ya que la prueba se lleva a cabo hasta que la roca falla por tensión. Las ventajas de esta prueba es que verdaderamente se puede determinar el esfuerzo horizontal mínimo y conducir a un análisis geomecánico más certero, incluso, conocer la presión de reapertura de fracturas naturales. Muchos operadores, no realizan pruebas XLOT debido a que tienen la creencia de que una vez fracturada la formación, será un punto débil para poder alcanzar la etapa siguiente.

En este trabajo, se presentan las experiencias obtenidas con la aplicación de XLOT de tres ciclos desarrolladas en el pozo exploratorio Tilapia 1, que condujeron a la desmitificación de las pruebas y a un mejor entendimiento de los esfuerzos presentes en el subsuelo, asimismo se presenta un análisis de varios modelos de cálculo de la presión de fractura ajustados con los resultados obtenidos de las XLOT.

INTRODUCCIÓN

La corteza terrestre mantiene un estado de esfuerzos que pueden o no estar en equilibrio. Los problemas asociados con la perforación de pozos, son debidos principalmente por la perturbación de ese estado de esfuerzos, en equilibrio o no, que guardan las rocas alrededor del pozo. Esta perturbación es causada por la creación del agujero y por las reacciones entre la roca y el fluido de perforación. El objetivo de la planeación de la perforación es eliminar, o por lo menos reducir, los problemas relacionados con la construcción del pozo.

El estado de esfuerzos tridimensional presente en la tierra (figura 1), está representado por tres esfuerzos principales denominados: máximo (S1), mínimo (S3) e intermedio (S2). Uno de los esfuerzos es vertical (SV) y es debido al peso acumulativo de las rocas con respecto de la profundidad. También se le conoce como esfuerzo de sobrecarga. Los otros dos esfuerzos son derivados de las deformaciones horizontales y se conocen como esfuerzo horizontal mayor (SH) y esfuerzo horizontal menor (Sh). Los tres esfuerzos principales son ortogonales o perpendiculares entre ellos.

Figura 1. Estado de esfuerzos tridimensional presente en la tierra (modificado de Bourgoyne, 1991).

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A través de experiencias de campo y laboratorio se ha encontrado que la presión que soporta una roca sin que se fracture, es función de su resistencia a la tensión y de los esfuerzos a los que se encuentra sometida en el subsuelo. Dependiendo de la magnitud de los esfuerzos principales, la fractura será vertical u horizontal, pero siempre se fracturara perpendicular al esfuerzo mínimo. La figura 2(a) y 2(b) describen estados de esfuerzos presentes en el subsuelo y la dirección de una fractura inducida dependiendo esos estados.

(a)

(b)

Figura 2. (a) Estado de esfuerzos donde la fractura inducida es vertical y (b) Estado de esfuerzos donde la fractura inducida es horizontal.

La determinación del esfuerzo mínimo o de la presión necesaria para fracturar la roca, se vuelve esencial en la planeación de la cantidad de asentamientos de tubería de revestimiento necesarios para alcanzar el objetivo, lo que impacta considerablemente al costo del pozo. Asimismo, es el punto clave para evitar pérdidas de circulación inducidas por un inadecuado programa de fluidos de perforación, es decir, cuando la presión que ejerce el fluido de perforación es mayor que la resistencia de la roca, se pueden generar fracturas en la formación durante el proceso de perforación, lo que ocasiona que el fluido se pierda en la formación y se genere una condición insegura para el pozo, instalaciones y/o personal, aunado a las pérdidas económicas por reposición de fluidos de control.

Para definir por anticipado la resistencia a la fractura de las rocas, se debe llevar a cabo una prueba de integridad a la presión unos metros debajo de cada punto de asentamiento de tubería de revestimiento, es decir, las pruebas de integridad a la presión son pruebas que se efectúan durante la perforación de un pozo, una vez que se ha perforado la zapata de la última tubería de revestimiento cementada (figura 3a) y se realizan mediante el bombeo de fluido de perforación con el pozo cerrado, para que se origine una presurización. El objetivo fundamental, es conocer la máxima presión que será ejercida por el fluido de perforación sin que exista falla de la roca y/o pérdida de circulación durante la perforación de la siguiente etapa. Las pruebas de integridad a la presión se pueden clasificar de acuerdo a la magnitud de presión ejercida en el pozo y su comportamiento con respecto al tiempo o volumen de fluido inyectado (figura 3b) en:

Prueba de integridad de la formación (FIT por sus siglas en Ingles)

Prueba de goteo (LOT por sus siglas en Ingles)

Prueba de goteo extendida (ELOT o XLOT por sus siglas en Ingles)

Las pruebas de integridad a la presión se realizan de una manera similar (White, 2002) operativamente, sin embargo, presentan cada una de ellas dos diferencias básicas: El número de ciclos de presurización y el punto de presión o momento en el cual la prueba se termina.

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(a)

(b)

Figura 3. (a) Esquema de una prueba de integridad de presión en un pozo (modificado de Lin W, 2008) y (b) Comportamiento típico de las pruebas de

integridad de presión (modificado de White, 2002).

La prueba de Integridad de la formación (Formation Integrity Test o solamente FIT), es una prueba donde en la mayoría de los casos, la formación se presuriza hasta alcanzar la máxima presión que ejercerá el fluido de perforación en estado dinámico, para terminar la etapa que se prueba. También se puede tomar como referencia máxima, el gradiente de fractura pronosticado a la profundidad de la última tubería de revestimiento cementada o a la profundidad de la formación más débil que se perforará en la etapa. En la figura 3(b) se muestra una gráfica de comportamiento de la presión superficial con respecto al volumen de fluido inyectado o tiempo de desarrollo de la prueba de presión. El comportamiento definido entre [0] y [1], corresponde al comportamiento típico de una prueba de integridad de la formación, es decir, existe una relación lineal entre la presión y la deformación de la roca. Esta prueba tiene como desventaja, que no define la presión máxima que la formación soportará sin aceptar filtración o pérdida de fluido de control.

La prueba de goteo (Leak Off Test o LOT) es una prueba de presión que se desarrolla hasta que la formación “filtra” fluido de perforación. En la figura 3(b), el comportamiento definido entre [0] y [3] corresponde a una prueba de goteo característica. El comportamiento comienza con una deformación lineal de la formación y al momento en que la formación empieza a “filtrar” fluido de control, este comportamiento declina (cambio de pendiente), indicando que el “goteo” ha iniciado y es momento de terminar la prueba. En la mayoría de los casos, el valor de presión determinado al momento de la declinación, se considera como el esfuerzo horizontal mínimo (Sh). Esto sería completamente cierto si la fractura empezará a propagarse de manera uniforme y la resistencia a la tensión de la roca fuera cero, sin embargo, en la mayoría de los casos, la presión de goteo es mayor que el esfuerzo horizontal mínimo debido a que la mayoría de las formaciones, fracturadas o no, presentan cierta cantidad de resistencia a la tensión de la roca. Esta prueba tiene como desventaja que en formaciones donde no existe fracturamiento natural, no se puede determinar la presión de fractura y la resistencia a la tensión de la roca, debido a que una vez que declina el comportamiento lineal se suspende la prueba.

Una prueba de goteo extendida (Extended Leak Off Test o ELOT o XLOT) es en realidad una prueba de fracturamiento hidráulico, ya que la prueba se lleva a cabo hasta que la roca falla por tensión. En la figura 3(b), el comportamiento entre [0] y [5] describe un ciclo de una prueba de goteo extendida. La diferencia entre una prueba LOT y una ELOT, es fundamentalmente la repetición de ciclos para eliminar cualquier efecto residual de la resistencia a la tensión de la roca (figura 4), permitiendo obtener valores más precisos del esfuerzo horizontal menor (Sh). Además, en formaciones que no son naturalmente fracturadas, se puede determinar la presión de fracturamiento (Pfr) y la resistencia a la tensión de la roca (To).

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Figura 4. Prueba de goteo extendida de tres ciclos.

La grafica de tiempo (volumen bombeado) contra presión de bombeo superficial, proporciona diferentes puntos de presión a saber:

Presión de goteo (Pg), punto de presión en el cual la relación lineal entre el volumen bombeado y la presión de bombeo cambia de pendiente (punto [2] de la figura 3b).

Presión de fracturamiento (Pfr), punto en el cual la presión de bombeo cae súbitamente debido al fracturamiento de la roca (punto [3] de la figura 3b).

Presión de propagación (Pp), valor de presión en determinado lapso de tiempo, cuando la presión de bombeo se mantiene constante durante la inyección debido a la propagación de la fractura.

Presión de cierre instantáneo (Pci), valor de presión inmediatamente de que se cesa la inyección de fluido al pozo.

Presión de cierre (Pc), valor de presión que se mantiene constante durante cierto lapso de tiempo, después de haber cesado el bombeo de fluidos al pozo.

Presión de reapertura (Pr), valor de presión en el cual la fractura inducida vuelve a abrirse y propagarse.

Cuando la formación no presenta fracturamiento natural, la presión de fracturamiento puede ser determinada con la siguiente ecuación (Aadnoy, 1996):

ooHhfr TPSSP 3 ............................................................................................... (1)

La ecuación (1) describe la presión de fracturamiento en el primer ciclo de una prueba de goteo extendida. Para los ciclos subsecuentes, le ecuación (1) se convierte en:

oHhr PSSP 3 ....................................................................................................... (2)

Del análisis de la figura 4 y de las ecuaciones (1) y (2), podemos inferir que la resistencia a la tensión (To) es:

rfro PPT ................................................................................................................. (3)

El valor del esfuerzo mínimo horizontal se considera que es aproximadamente igual a la presión de cierre o la presión de cierre instantánea, dependerá que valor de presión es menor y cuál de estas presiones se puede definir de manera más precisa en la gráfica de la prueba de goteo extendida, es decir:

cich PPS ................................................................................................................ (4)

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Además, analizando las ecuaciones (1) y (2), podemos ver que si se tienen pruebas de goteo extendidas y se ha medido o calculado la presión de poro (Po), se puede determinar el valor del esfuerzo horizontal máximo (SH):

oofrhH TPPSS 3 ............................................................................................... (5)

orhH PPSS 3 ....................................................................................................... (6)

Desafortunadamente en la industria, el uso de pruebas de goteo extendidas no se ha hecho extensivo, principalmente debido a que muchos operadores tienen la creencia de que una vez fracturada la formación, será un punto débil para poder alcanzar la etapa siguiente, sin embargo, siempre es preferible conocer el estado de la cementación y la calidad del agujero mediante una prueba definitiva, como una ELOT, para tomar las acciones correctivas de manera oportuna y evitar a la postre, tiempos no-productivos por eventos relacionados con problemas con el agujero.

ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS DE GOTEO EN EL POZO EXPLORATORIO TILAPIA-1

El pozo exploratorio Tilapia 1 se ubica en la costa del Golfo de México, muy cerca de la Ciudad de Tampico, en el estado de Tamaulipas, México. El objetivo del pozo fue la incorporación de reservas en una formación de Calizas Oolíticas del Jurásico Superior.

La primera prueba de goteo extendida (figura 5) se realizó a la profundidad de 502 mD (500 mV), con una desviación del pozo de 14 grados con azimut de 111 grados. Se utilizó un fluido de emulsión inversa base aceite con una densidad de 1.25 g/cc. Esta prueba comprendió dos ciclos de repetición, con un bombeo de ½ barril de lodo por minuto en promedio.

Figura 5. Prueba de goteo extendida de dos ciclos en el pozo Tilapia-1 a 502 mD.

En el ciclo uno de la figura 5, no se aprecia la presión de propagación quizá por la falta de estabilización de la presión a gasto constante en un intervalo de tiempo corto, a diferencia del ciclo dos, donde el intervalo de propagación se puede apreciar perfectamente porque el lapso de tiempo fue mayor. Los valores característicos de la prueba de goteo se muestran en las tablas anexas a la figura 5 para cada uno de los ciclos de prueba. El valor del esfuerzo mínimo horizontal (Sh) para este caso es igual a la presión de cierre del segundo ciclo de prueba cuyo valor es de 1429 psi. La magnitud de la presión de poro (Po) a la profundidad de 502 mD, es de

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aproximadamente 803 psi, por lo que utilizando la ecuación (6) y resolviendo para el esfuerzo horizontal máximo (SH) se tiene un valor de 1863 psi.

La segunda prueba de goteo extendida en el pozo Tilapia-1 tuvo tres ciclos de repetición (figura 6) y se realizó a la profundidad de 1522 mD (1327 mV), con una desviación del pozo de 64 grados con azimut de 113 grados. Además, se utilizó un fluido de emulsión inversa base aceite con una densidad de 1.38 g/cc y se desarrolló bombeando un barril de lodo por minuto en promedio.

Figura 6. Prueba de goteo extendida de tres ciclos en el pozo Tilapia-1 a 1532 mD.

La presión de propagación en la prueba de la figura 6, no se aprecia en algún ciclo de repetición, esto es debido a que no se le proporciono el tiempo suficiente a esta parte de la prueba. Asimismo, durante la etapa de cierre, se puede apreciar que la presión no estabilizo en algún ciclo, quizá debido a fracturas naturales presentes en la formación. Los valores característicos de la prueba de goteo se muestran en las tablas anexas a la figura 6 para cada uno de los ciclos de prueba. El valor del esfuerzo mínimo horizontal (Sh) para este caso es igual a la presión de cierre del tercer ciclo de prueba cuyo valor es de 3532 psi. La magnitud de la presión de poro (Po) a la profundidad de 502 mD, es de aproximadamente 2359 psi, por lo que utilizando la ecuación (6) y resolviendo para el esfuerzo horizontal máximo (SH) se tiene un valor de 4609 psi.

CONTRIBUCIONES TÉCNICAS

1. Se definieron la magnitud de los esfuerzos principales del área.

2. Se ajustaron los modelos de predicción del gradiente de fractura basados en registros de pozo para la planeación de pozos subsecuentes.

CONTRIBUCIONES ECONÓMICAS

1. Eliminación de tiempos no productivos durante la perforación causado por problemas de pérdidas de circulación y relacionados con la estabilidad del agujero.

2. Optimización del peso de lodo utilizado, reduciendo costos por el uso de material densificante y maximización de la velocidad de penetración.

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3. Eliminación de pérdidas de circulación debido a fallas por tensión, reduciendo los costos por fluido perdido.

CONCLUSIONES

Las pruebas de goteo extendidas, donde se fractura la formación para obtener los esfuerzos presentes en la roca, se pueden realizar en cualquier litología, aun y cuando se piense que la roca es muy resistente. Por principios básicos de diseño, la tubería de revestimiento y el cemento fraguado alrededor de esta tubería y adherido a la formación, siempre deberán ser más resistentes que la formación inmediatamente debajo del asentamiento.

Si se tienen dudas de la calidad de la cementación, siempre es preferible conocer el estado de la cementación y la calidad del agujero mediante una prueba definitiva, como la prueba de goteo extendida, para tomar las acciones correctivas de manera oportuna y no poner en riesgo la viabilidad de alcanzar los objetivos del pozo.

Los resultados que se obtienen con una prueba de goteo extendida permiten obtener información valiosa para desarrollar análisis geomecánicos más precisos, tendientes a minimizar los problemas causados por la alteración del estado de esfuerzos presentes en el subsuelo debido a la perforación y terminación de los pozos.

RECOMENDACIÓN

La prueba de goteo extendida debería realizarse en todos los pozos exploratorios y en el primer pozo, en un desarrollo por macro-peras o plataformas, por lo menos al nivel de cada asentamiento de tubería. Esto permitiría desarrollar análisis de ingeniería mucho más precisos, tendientes a la reducción de tiempos no productivos en los pozos de desarrollo subsecuentes.

NOMENCLATURA

FIT = Formation Integrity Test

LOT = Leak Off Test

ELOT = Extended Leak of Test

XLOT = eXtended Leak of Test

Pfr = Presión de Fracturamiento

mD = Metros desarrollados

mV = Metros verticales

REFERENCIAS

1. Lin, W. et al (2008), Estimation of Minimum Principal Stress from an Extended Leak-off Test Onboard the Chikyu Drilling Vessel and Suggestions for Future Test Procedures, Scientific Drilling, No. 6, July 2008.

2. White, A.J. et al (2002), The use of leak-off tests as means of predicting minimum in-situ stress, Petroleum Geoscience, Vol. 8, 2002, pp. 189–193

3. PEMEX (2009), Programa de perforación del pozo Tilapia-1.

4. Bourgoyne, A. et al (1991), Applied Drilling Engineering, SPE Text Books Series, 1986.

5. Aadnoy, B. (1996), Modern Well Design, A.A. Balkema Publishers, 1996.