Diseño de Fluidos de Perforación con base en la Interacción

Roca-fluido

Descripción Secuencial del Proceso de Perforación

1. Ruptura de la Roca

2. Formación de Enjarre

3. Creación de un Frente Invasivo

1

2

3

Con la invasión comienza la interacción roca-fluido

Tiempo

1 2 3 4

1 Situación Ideal(2- 4) Situación Real

Mantenerse cerca de la situación ideal de invasión es posible

1. Determinación de Geometria Porosa (clásticos) y tamaños de fracturassegún el tipo de roca por análisis digital de imágenes en muestras de laFormación (fragmentos de núcleo/recortes no alterados) .

2. Determinación del tamaño de material obturante a utilizar en la formulaciónel fluido de Perforación, considerando la información de Geometria Porosa .

12 3

4

567

8 9

10

1112 1314

15

16

17 18

19

20

2122

2324

25 26

272829 30

3132

3334 3536

3738

3940

41

424344

454647

4849 50

5152

53

100 µ

Geometría Porosa

12 3

4

567

8 9

10

1112 1314

15

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19

20

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25 26

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100 µ

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3132

3334 3536

3738

3940

41

424344

454647

4849 50

5152

53

100 µ100 µ

Geometría Porosa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170180 190200 210Effective Pore Diameter (µ)

Microns Less than

Pore Size Frequency

Percentage Frequency

Cumulative Percentage

50 0 0.00 0.0060 2 2.22 2.2270 6 6.67 8.8980 10 11.11 20.0090 17 18.89 38.89100 16 17.78 56.67110 10 11.11 67.78120 6 6.67 74.44130 9 10.00 84.44140 3 3.33 87.78150 2 2.22 90.00160 3 3.33 93.33170 1 1.11 94.44180 3 3.33 97.78190 1 1.11 98.89200 1 1.11 100.00210 0 0.00 100.00

Distribución de Tamaño de Diámetro Poral Efectivo

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170180 190200 210Effective Pore Diameter (µ)

Microns Less than

Pore Size Frequency

Percentage Frequency

Cumulative Percentage

50 0 0.00 0.0060 2 2.22 2.2270 6 6.67 8.8980 10 11.11 20.0090 17 18.89 38.89100 16 17.78 56.67110 10 11.11 67.78120 6 6.67 74.44130 9 10.00 84.44140 3 3.33 87.78150 2 2.22 90.00160 3 3.33 93.33170 1 1.11 94.44180 3 3.33 97.78190 1 1.11 98.89200 1 1.11 100.00210 0 0.00 100.00

Microns Less than

Pore Size Frequency

Percentage Frequency

Cumulative Percentage

50 0 0.00 0.0060 2 2.22 2.2270 6 6.67 8.8980 10 11.11 20.0090 17 18.89 38.89100 16 17.78 56.67110 10 11.11 67.78120 6 6.67 74.44130 9 10.00 84.44140 3 3.33 87.78150 2 2.22 90.00160 3 3.33 93.33170 1 1.11 94.44180 3 3.33 97.78190 1 1.11 98.89200 1 1.11 100.00210 0 0.00 100.00

Distribución de Tamaño de Diámetro Poral Efectivo

Pa rtic le S ize Dis tr ibution

0 .01 0 .1 1 10 100 300 P artic le S ize (µm)

0

1

2

3

4

5

6

Vol

ume

(%)

ca rbonato de ca lc io m200 - A verage, W ednesday, July 16, 2003 6:34:19 P M

0

20

40

60

80

100

D10 - D50 - D90D10 Target / Blend: 1.2 / 1.6 micronsD50 Target / Blend: 30.3 / 28.5 micronsD90 Target / Blend: 98.0 / 136.9 microns

Optimum Blend for 0 to 100 % CPS RangeBrand Name Bridging Agent (lb/bbl) Vol %A=Safe-Carb 2 (VF) 0.0 0.00B=Safe-Carb 10 (F) 0.0 0.00C=Safe-Carb 20 17.2 53.86D=Safe-Carb 40 (M) 14.8 46.14

Simulation AccuracyCalcium Carbonate added : 32 lb/bblAvg Error 0 - 100 % CPS Range : 1.65 % Max Error 0 - 100 % CPS Range : 12.26 %

D46.1%

C53.9%

1x10 -2 1x10 -1 1x10 0 1x10 1 1x10 2 1x10 3 1x10 40

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Particle Size (microns)

Cum

ulat

ive

Part

icle

-Siz

e D

istr

ibut

ion

Target__

__Blend

© 1999-2001 M-I L.L.C - All Rights Reserved

Operator:Well Name:

Location:Comments:

PEMEXCocuite 402Veracruz, MexicoOptimum Blend

Largest pore size : 98 micronsSand Control Device :

Optimum Bridging Agent Blend

Propiedades de la roca afectadas durante la invasión

Dureza

Cohesión

Inercia Química

El objetivo del Diseño de Fluidos de Perforación es evitar o minimizar cambios en las propiedades mencionadas.

El resultado de estos cambios en el tiempo puede ser:

Erosión .......Inestabilidad...........Perdida del Hoyo

Rocas que no cambian al contacto con fluidos de Perforaciónson naturalmente compatibles o “poco reactivas”

La no compatibilidad se puede visualizar a través de algunossíntomas al contactar fluidos base limpios con fragmentos deroca representativos :

Desarrollo de FracturasTurbidez Colapso estructural

Muestra Seca Contacto inicial (Turbidez) Fracturas/Colapso

Fluido: Agua Fresca

MEB

Otra manera de observar la interacción Fluido-Roca (MEB)

1 2

3 4

5 6

Proceso de Hidratación

H2O

* Microscopia Electrónica de Barrido Ambiental

1 2

3 4

5

Otra manera de observar la interacción Fluido-Roca (MEB)

Proceso de Deshidratación

H2O

Existen técnicas sencillas de laboratorio que permiten medir el efecto o cambio como resultado del contacto entre la roca y el fluido de Perforación. Estas técnicas son la base experimental para un Diseño de Fluidos a la medida (optimizado)

Ensayos Específicos ImportantesLutitas/Arcillas:

Capacidad de Intercambio CationicoDispersión EstabilidadHinchamiento LinealTiempo de Transito (TSC) IntegridadIntegridad al ContactoDureza al Humectar

TSC : Tiempo de Succion capilar

Dispersión: Por efecto del contacto con fluido acuoso, el material de formación principalmente arcilloso y limoso, tiende a disgregarse en fracciones cada vez más pequeñas. Material seco es seleccionado y recogido entre Mallas. mesh números 5-10. Una cantidad determinada, usualmente entre 10-20 g es expuesta durante 16 horas @ 150 ºF con 350 ml del lodo o fluido en modo de rolado. La mezcla final es pasada por un Malla mesh número 30 y el material remanente retenido es secado y pesado. El recobro es expresado como la fracción porcentual del peso final contra el peso original.

Capacidad de Intercambio Cationico: Aplicable específicamente al material arcilloso/ limoso, el cual indica el intercambio de cationes de la estructura cristalina del mineral con moléculas de agua en el fluido de contacto. Se expresa como meq/ 100 g material de formación en una titulación colorimétrica (Azul de Metileno/ MBT).

Hinchamiento Lineal: Similar a la Capacidad de Intercambio Cationico, pero medido como el aumento de volumen inicial de una pastilla de material reconstituido (5 g) y comprimido (25000 psi). El aumento de volumen es por efecto de la interacción física y química de moléculas de agua que entran en la estructura cristalina del mineral como consecuencia del intercambio cationico. Se expresa como porcentaje de hinchamiento medido en una dirección, por un lapso de tiempo predeterminado, usualmente 20 horas. Condiciones de presión y temperatura: ambiente

Fundamentos y breve descripción de las técnicas de laboratorio

Fundamentos y breve descripción de las técnicas de laboratorio (Cont.)

Tiempo de Transito (TSC): Mide la interacción entre el material de formación y el fluido, expresado en tiempo de contacto (segundos). Un volumen de 35 ml de fluido base o filtrado de lodo, se mezcla íntimamente con 2-3 g de material de formación, utilizando una licuadora o dispositivo de agitación por un tiempo de un minuto. Se determina el tiempo de paso a través de un cilindro metálico sobre un papel de filtro que cierra un circuito eléctrico. Este tiempo es comparado con el tiempo de paso del fluido base sin sólidos y con agua como referencia. Se debe considerar el efecto de fluidos base con alta viscosidad como salmueras de bromuros o de naturaleza calcica. No se deben utilizar aditivos surfactantes o detergentes. El material seco a mezclar es seleccionado de entre mallas U.S. mesh números 100-200. Condiciones de presión y temperatura: ambiente

Integridad al Contacto con el Tiempo: Muestras de núcleo preservadas limpias y en buen estado de donde obtener fragmentos enteros de unos 3 cm. cuadrados, son fotografiadas o grabadas en video desde que están secas hasta que contactan al fluido base limpio (transparente) en un tiempo que va desde minutos, horas, días y semanas. Esta prueba expresa de forma cualitativa la estabilidad de la formación en el tiempo luego de contactar un fluido en base acuosa. Esto se manifiesta en cambios externos de la muestra como son la formación de fracturas, desmoronamiento o fragmentación. Condiciones de presión y temperatura ambiente

Dureza al Humectar: Se utiliza un procedimiento similar a la prueba de dispersión, pero con cantidades de material de 30-40 g. La mezcla final luego del envejecimiento de 16 horas que se recoge en una malla U.S. mesh número 30 no es secada sino escurrida, manteniéndose húmeda. Este material se introduce en una prensa de extrusión, donde se comprime frente a una placa con agujeros, mediante los giros de un tornillo que mide en cada giro el torque aplicado hasta un valor máximo de 350 pulg.-libra. Si el material ha interactuado con el fluido, se ablanda y forma una pasta que sale por los agujeros en forma de espaguetis. Si la interacción es poca el material se compacta formando una pastilla que genera un torque mayor.

Fundamentos y breve descripción de las técnicas de laboratorio (Cont.)

(1) (2) (3)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Numero de Giros

Torq

ue (p

ulg.

-libr

a)

1

2

3

Prueba Resultado / Criterio

Capacidad de IntercambioCationico( meq/ 100 g).

Prueba de MBT

0-8 No Reactivo9-18 Medianamente Reactivo

19-30 Reactivo> 30 Muy Reactivo

Hinchamiento Lineal (%)(Lodo/ Fluido Base Limpio/Agua)

0-30 No Reactivo31-60 Medianamente Reactivo61-120 Reactivo

120-260 Muy Reactivo

Dispersión. Recobro (%)(Lodo/ Fluido Base Limpio/Agua)

90-100 Excelente80-89 Aceptable< 80 No aceptable

Tiempo de Succión Capilar (segundos)(Fluido Base/Salmuera Limpio)

0-40 Excelente41-50 Aceptable> 50 No aceptable

Integridad al Contacto (horas)(Fluido Base/Salmuera Limpio/Agua)

> 24 horas Excelente24-4 horas Bueno

4-1 horas Aceptable< 1 hora No aceptable

Dureza al Humectar (pulg.-libra)(Lodo/ Fluido Base Limpio)

9-10 Giros/>50 Excelente11-12 Giros/>50 Bueno13-14 Giros/>50 Regular

>14 Giros/>50 No aceptable

Ejemplo de Diseño en Campo CantarellObjetivo: Factibilidad Fluido Base Acuosa DRILPLEXTM

Muestra: Fragmento de Núcleo Pozo Cantarell-429

Capacidad de Intercambio Cationico: 17 meq/100 g

Fluido Evaluado (Densidad 1.08 SG/8.99 ppg)

Reologia (120ºF) DR600 rpm 91300 rpm 64200 rpm 53100 rpm 416 rpm 273 rpm 25

Geles 10 seg 31Geles 10 min 33

VP 27PC 37

LSVR 0.3 rpm (1 min) 19296LSVR 0.3 rpm (2 min) 19096LSVR 0.3 rpm (3 min) 18696

pH 9.8

Producto Unidades Cantidad Tiempo de mezclaAgua ml/g 325.5

Gelplex g 40 10 minDrilplex g 4 5 minFloplex g 24 5 min

Soda Ash g 2 2.5 minSoda Caustica g 0.6 2.5 min

Klacure g 25.6 5 minSafeCarb 10 g 100 5 min

(1)

(2)

(3)(4)

(5)(6)

(1) Calcita (2) Cuarzo (3) Dolomita (4) Kaolinita (5) Illita (6) Feldespato

8Illita/Esmectita

10Kaolinita

10Feldespato

12Cuarzo

13Dolomita

47Calcita

Abundancia Relativa (%)Mineral

Mineralogía /Difracción de Rayos X

(1)

(2)

(3)(4)

(5)(6)

(1) Calcita (2) Cuarzo (3) Dolomita (4) Kaolinita (5) Illita (6) Feldespato

8Illita/Esmectita

10Kaolinita

10Feldespato

12Cuarzo

13Dolomita

47Calcita

Abundancia Relativa (%)Mineral

Mineralogía /Difracción de Rayos X

Caliza Arcillosa

Dispersión Recobro en % Agua 89 % DRILPLEX 95%

Material Seco Malla #5=#10 Material rolado y recuperado Malla #30

4.0 cm

Hinchamiento Lineal

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800 1000 1200

Tiem po (m in)

Hin

cham

ient

o (%

Agua

DRILPLEX

Agua 81% de Hinchamiento/ DRILPLEX 27% de Hinchamiento

Estabilidad al contacto

Material Seco

Agua 10 minutos

Agua 1 hora

Agua 2 horas

Luego del desarrollo de fracturas en menos de dos horas, el material no sufrió cambio en su estructura exterior y la integridad se mantuvo por más de 48 horas.

2.5 cm

Dureza al Humectar (Torque en pulg.-libra) vs. Giro

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20

Numero of Giros

Torq

ue

Capacidad de Intercambio Cationico 17 meq/100 gDispersión (Recobro) 95%Hinchamiento Lineal 27%Tiempo de Transito (TSC) 25 seg. Integridad al Contacto 1- 4 horasDureza al Humectar 9 giros/60 pulg.-libra

FLUIDO PROBADOEvaluación de Factibilidad de Uso/Compatibilidad

Conclusiones

• Es posible diseñar fluidos que tengan una interacción mínima con la Formación.

• Procedimientos sencillos de laboratorio son la base del Diseño. Esclave contar con el apoyo real de un laboratorio bien equipado.

• Algunos de estos procedimientos tienen potencial aplicación en campo.

• Se cambia un proceso empírico por un proceso sistemático y verificable.

• Se toman decisiones sobre correlación de varias fuentes de datos.

• El proceso de Diseño de Fluidos basado en las características de la Formación y de su interacción con la misma se relaciona con laconstrucción de pozos mas estables y productivos.

ETAPAS DEL PROCESO:

1. Recuperar muestras de formacion ( recortes, nucleos o pastillas sinteticas)Recortes provenientes de lodos de emulsion inversaRecuperacion cada 50 mProcedimiento de recuperacion y lavado de muestraProcedimiento de elaboracion de pastilla de prueba

2. Caracterizacion fisica de las muestras (Minerologia) Capacidad de intercambio cationico ( CEC )Difraccion de rayos X ( DRX )Fluoresencia

3. Definiendo la zona problema del pozo y zona de mayor reactividadAntecedentes de problemas en pozos de correlacionProblema de reactividadProblema de invasion Combinacion de las dos

4. Pruebas de reactividad sobre lutitasHinchamiento lineal Acrecion ReologiaDureza Lubricidad Filtracion PPT, APATDispersion

ETAPAS DEL PROCESO:

5. Parametros y criterios para selección del fluido.Convocatoria a compañias de servicioPruebas de lodos de acuerdo a los parametro y especificaciones por campoAsesoria y MONITOREO del fluido propuesto durante la perforacion del pozo