METODOLOGÍA DE SELECCIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS DE PERFORACIÓN DE

FORMACIONES LUTÍTICAS PARA ESTABILIDAD DE HOYO. PARTE I

Erna Sánchez, Leonardo Graterol, Jaime Suárez, PDVSA

RESUMEN

Las lutitas son rocas sedimentarias que constituyen cerca del 75% de las secciones perforadas y causan

aproximadamente el 90% de los problemas relacionados con inestabilidades durante la perforación de

pozos petroleros[1]. Estos problemas durante la perforación de lutitas incrementan significativamente

los costos de construcción de pozos petroleros. Las pérdidas de tiempo asociadas con éstos representan

alrededor del 15% de los costos de perforación promedio alrededor del mundo [2]. Actualmente, este

tema reviste gran interés ya que tiene gran impacto en la optimización de la perforación de pozos

profundos, así como en la masificación de pozos altamente inclinados y multilaterales. En la

actualidad, es de suma importancia para la industria petrolera nacional implantar una metodología que

permita resolver y manejar los problemas de inestabilidad de hoyo durante la perforación de lutitas.

Disminuir los problemas que se presentan durante la perforación de dichas formaciones se tendrá una

disminución de costos durante la construcción de pozos petroleros.

El objetivo de este trabajo es mostrar una metodología integral, desarrollada en PDVSA Intevep, que

permite establecer los parámetros óptimos de perforación (trayectoria de perforación, dirección de

pozo, densidad y composición del fluido de perforación) tomando en consideración los diferentes

factores que intervienen en la estabilidad de hoyo en lutitas: operacionales, geomecánicos y fenómenos

de interacción roca/fluidos.

La validación e implantación en las áreas operacionales de la metodología planteada requiere de

diferentes perspectivas, por lo cual se necesita conformar un equipo de trabajo multidisciplinario en las

áreas de geomecánica, geoquímica, geología estructural, mecánica de perforación y fluidos de

perforación, para una solución efectiva sobre el problema de estabilidad de hoyo.

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Esta metodología es potencialmente aplicable a la perforación de lutitas de Venezuela tales como:

Colón, Paují, Pagüey, Carapita y Freites.

1. INTRODUCCIÓN

Los problemas de estabilidad de hoyo durante la perforación en formaciones lutíticas incrementan

significativamente los costos de construcción de pozos petroleros. Las pérdidas de tiempo asociadas

con estos problemas representan entre 12 y 15% de los costos de perforación promedio alrededor del

mundo[2].

Actualmente, es de suma importancia para la industria petrolera nacional implantar una metodología

para seleccionar, de manera adecuada, las trayectorias de perforación, dirección de pozo, tipo y peso

del fluido de perforación que permitan resolver y manejar los problemas de inestabilidad de hoyo

durante la perforación de formaciones lutíticas masivas. La disminución de los problemas que se

presentan en la perforación de dichas formaciones se traduce en ahorros significativos durante la

construcción de pozos petroleros.

El objetivo de este trabajo es presentar una metodología integral, desarrollada en PDVSA Intevep, que

permite establecer los parámetros óptimos de perforación (trayectoria de perforación, dirección de

pozo, densidad y composición del fluido de perforación) tomando en consideración los diferentes

factores que intervienen en la estabilidad de hoyo en lutitas: operacionales, geomecánicos y de

interacciones roca fluidos.

2. GENERALIDADES DE LAS LUTITAS

Las lutitas son rocas sedimentarias de grano fino formadas por la consolidación de arcilla, limo o lodo,

y se caracterizan por poseer una estructura laminar. Las lutitas están constituidas principalmente por

minerales de arcilla, en una proporción que puede variar entre 15% y 100%, minerales accesorios,

como cuarzo, carbonatos y feldespatos. De aquí que las lutitas cubran un amplio rango de

composiciones y presentan propiedades mecánicas, petrofísicas y fisicoquímicas muy diferentes,

dependiendo de la composición mineralógica [3].

Las lutitas se caracterizan por poseer una baja permeabilidad y una alta sensibilidad al agua. Los

pequeños diámetros de poro explica por qué las lutitas se consideran frecuentemente impermeables. La

permeabilidad puede oscilar entre 10-6 y 10-12 D, pero se encuentra por lo general en el orden de los

nanodarcies (10-9 D) [3]. El tamaño promedio de poro de las lutitas también es muy pequeño: oscila

entre 1 y 10 nm. En consecuencia, los mecanismos de transporte, tanto hacia dentro como hacia fuera

de la formación, son muy lentos. Adicionalmente, no puede formarse un revoque sobre las paredes del

3

pozo [3, 4]. La porosidad total de las lutitas disminuye con la compactación (profundidad), al igual que

sucede con otras rocas [3].

3. INESTABILIDAD DE HOYO

Con este nombre se engloban todas aquellas situaciones que involucran una desestabilización de las

paredes del hoyo. Los síntomas directos de inestabilidad de hoyo como agrandamiento o reducción de

hoyo se observan en registros de "cáliper". Exceso de ripios o derrumbes en superficie u hoyo relleno

después de un viaje dan indicaciones del agrandamiento del hoyo. También cuando se requieren

cantidades en exceso de cemento con respecto al calculado indica que ocurrió un agrandamiento del

hoyo[5].

Existen otros síntomas indirectos de problemas de inestabilidad de hoyo tales como altos torques,

apoyos y arrastres, atascamiento de la tubería, revestidores o herramientas de registros. Estos síntomas

pueden ser causados por colapsos de hoyo, especialmente en hoyos altamente inclinados u

horizontales. La ausencia o disminución de la circulación, así como, el aumento de densidad del fluido

por incremento de sólidos de perforación puede indicar la presencia de un atascamiento de tubería

debido al derrumbe del hoyo. El exceso de ripios o derrumbes puede deteriorar las propiedades del

fluido por exceso de sólidos. También tenemos que las vibraciones de la sarta de perforación, así como

los impactos laterales a las paredes pueden provocar la falla del hoyo[5].

Como se menciono anteriormente, las lutitas son rocas de grano fino con alto contenido de arcilla,

poros pequeños y baja permeabilidad que normalmente se encuentran saturadas con agua de formación.

La combinación de estas características hace que las lutitas sean altamente susceptibles a fenómenos de

inestabilidad [6]. Los factores que afecten el estado de esfuerzos, la presión de poro y la resistencia

mecánica de la lutita afectarán también la estabilidad del hoyo [7].

La inestabilidad de hoyo en zonas lutíticas se debe a factores mecánicos, fisicoquímicos (relacionados

con las interacciones fluido de perforación con la lutita [8]) y externos. Estos factores pueden actuar

conjuntamente en una situación determinada.

Entre los principales factores geomecánicos decisivos en los problemas de estabilidad del hoyo, se

encuentran: la orientación y la magnitud de los esfuerzos "in situ", las propiedades mecánicas y

poroelásticas de la lutita, presión de poro, los planos de estratificación y las fracturas preexistentes en la

formación [8].

Los factores fisicoquímicos incluyen mecanismos de transporte de fluidos, alteración química de la

lutita, hinchamiento/hidratación y efectos térmicos [8].

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Los factores externos involucran todas aquellas prácticas de perforación que pueden producir

inestabilidad del hoyo. Entre estas se encuentran la vibración de la sarta, las presiones de "swab" y

“surge” debido a los viajes de la sarta[9]. Como consecuencia, la creación de fisuras en el hoyo, y la

posterior penetración del fluido de perforación, generarán la inestabilidad de hoyo. La alteración

química de la lutita al entrar en contacto con el fluido de perforación afectará la presión del fluido de

poro y la resistencia de la lutita [7,8,9].

4. PARÁMETROS DE DISEÑO QUE CONTROLAN LA ESTABILIDAD DE HOYO EN LUTITAS

En la etapa de diseño de un pozo se deben establecer ciertos parámetros que permitan construir el pozo

de manera rápida y segura, mediante el control de los problemas de estabilidad de hoyo. Los

parámetros de diseño más importantes de establecer cuando se perforan formaciones lutíticas son:

dirección y trayectoria del hoyo, así como la densidad y composición del fluido de perforación.

4.1 Dirección e inclinación del hoyoLa inclinación y dirección del hoyo afectan notablemente la estabilidad del mismo. La distribución

desigual de los esfuerzos tangencial y axial tiende a producir inestabilidad del hoyo, cuando los

esfuerzos inducidos sobre la roca son superiores en magnitud a la resistencia mecánica. Esta

distribución de esfuerzos alrededor del hoyo depende del régimen de esfuerzos y de la magnitud

relativa de los componentes de esfuerzos "in situ". Los límites de resistencia mecánica de la roca se

establecen con algún criterio de falla. Cada trayectoria (dirección e inclinación) en conjunto con el

régimen de esfuerzo se convierte en un caso particular de análisis. Los casos más críticos se encuentran

cuando los esfuerzos inducidos alrededor del hoyo obtienen la máxima diferencia relativa entre ellos,

corriendo el riesgo que supere la resistencia mecánica de la roca[10].

4.2 Densidad del fluido de perforación

La densidad óptima del lodo es un parámetro fundamental de diseño en ingeniería de perforación. Por

lo general se utilizan dos criterios para seleccionar la densidad adecuada del lodo: i) la presión ejercida

por el lodo debe ser mayor que la presión de colapso del hoyo y, ii) la presión del lodo no debe exceder

la presión de fracturamiento hidráulico [6].

La perforación de lutitas en condiciones bajo balance puede conducir a una fluencia excesiva de la

formación y al colapso del hoyo. Por el contrario, la perforación en sobrebalance puede llegar a

producir fracturamiento hidráulico de la formación [10,11]. El peso del lodo debe ser tal que no exceda la

resistencia a la tracción de la roca. Los límites de resistencia de la roca se establecen a través de un

criterio de falla.

5

4.3 Composición del fluido de perforaciónLa composición de los fluidos de perforación afecta notablemente la estabilidad de hoyo. Por ejemplo,

el mecanismo que prevalece cuando se utiliza un fluido base aceite es el de capilaridad, mecanismo que

depende del radio de los poros, el ángulo de contacto y tensión interfacial entre el fluido de poro y el

fluido de perforación[12-14]. En los poros de la lutita en general se encuentra agua salada, por lo que se

forman tensiones interfaciales y ángulos de contacto muy altos lo cual producen presiones capilares

muy altas que impiden la penetración del este fluido a la formación, aunque se encuentre en

sobrebalance. Esto produce que la presión ejercida sobre la formación sea efectiva, y en ese caso sólo

intervienen los factores geomecánicos o externos en la inestabilización de la roca.

Los fluidos base agua no pueden desarrollar presiones capilares similares debido a que son de la misma

naturaleza que el fluido presente en los poros. Esta condición origina la invasión de fluido hacia los

poros conduciendo a diferentes mecanismos de interacción dependientes del tiempo que pueden

producir fallas en la roca. Estos mecanismos se generan por potenciales hidráulicos, químicos o

térmicos. Básicamente, cualquier penetración de fluido hacia los poros de la lutita produce cambios

significativos en la presión de poro generando una disminución de los esfuerzos efectivos y por ende

produciendo fallas en la roca [12]. El fluido dentro del poro puede alterar la matriz de roca, ya sea por

dilución de materiales cementantes o por hidratación de minerales hinchables[15], lo cual disminuye su

resistencia.

Cuando se diseña un fluido base agua para formaciones lutíticas se debe evitar la penetración del

mismo dentro de los poros de la lutita. Con este fin se han propuesto diferentes aditivos. Los fluidos

con haluros, carbonatos y formiatos actúan disminuyendo el potencial hidráulico con el aumento de la

viscosidad del fluido y diminuyen el potencial osmótico [15]. Los gliceroles actúan de la misma

manera[16]. Dentro del grupo de fluidos poliméricos se encuentran los poliglicoles y catiónicos, los

cuales actúan disminuyendo el potencial osmótico y taponeando los poros para evitar la penetración de

filtrado. También pueden viscosificar el sistema disminuyendo el potencial hidráulico[15]. Los

metilglucósidos viscosifican el filtrado[16]. Los silicatos taponan los poros de la lutita evitando su

penetración[17, 18], al igual que los hidróxidos de aluminio [19].

5. MODELOS PARA PREDECIR LA ESTABILIDAD DEL HOYO EN LUTITAS

Los modelos para predecir la estabilidad de hoyo, pueden establecer los parámetros de perforación

requeridos para optimizar el proceso de perforación y reducir los problemas potenciales de

inestabilidad de hoyo y sus subsecuentes eventos no planificados, asociados a pérdidas de tiempo

durante la perforación. La dirección y trayectoria de hoyo, así como, la densidad y composición

6

química de los fluidos de perforación son los parámetros de perforación más importantes que se

establecen con estos modelos.

Los modelos constitutivos deben simular la evolución de los esfuerzos alrededor del hoyo,

considerando todos los factores que intervienen en la (in)estabilización del hoyo, tales como, factores

externos, mecánicos y de interacción fluido/roca. Actualmente sólo se han desarrollado modelos

constitutivos que consideran los factores geomecánicos y fisicoquímicos. Los factores externos, como

cambios de presión en el anular y vibraciones no se han evaluado de manera sistemática. Estos modelos

constitutivos se pueden dividir en modelos geomecánicos puros[20-22] y modelos acoplados[23-25] los

cuales resultan de una combinación de modelos geomecánicos y de interacción lutita/fluido.

Existen modelos para el manejo y control de la estabilidad de hoyo a tiempo real. Éstos requieren del

establecimiento de una base de experiencias previas en el campo, así como del conocimiento del campo

de esfuerzo y resistencia de la roca. No consideran las interacciones lutita/ fluido de perforación [26]

6. METODOLOGÍA PARA OPTIMIZAR LA PERFORACIÓN DE FORMACIONES LUTÍTICAS

A continuación se presenta una metodología que permite determinar, de manera adecuada, la

trayectoria de perforación, dirección de pozo, densidad y composición del fluido de perforación para

una formación lutítica. La metodología considera la tendencia actual de perforación de lutitas, la cual

va dirigida hacia la selección de parámetros de perforación que se correspondan con las propiedades La

metodología la conforman tres (3) etapas principales que se esquematizan en la Fig. 1 y se detallan

seguidamente. Se dice que es una metodología integral ya que requiere de un equipo multidisciplinario

para su implantación en las áreas de geoquímica, geomecánica, fluidos de perforación y diseño de

pozos, áreas de conocimiento generalmente desligadas unas de las otras.

6.1 Etapa I. Evaluación del Campo y Análisis Preliminar de Estabilidad de Hoyo

La evaluación del campo representa la primera etapa de la metodología. En esta etapa se identifica el

origen de los eventos de perforación observados en el campo, las zonas más problemáticas, se dan

recomendaciones operacionales preliminares, se identifican los mecanismos dominantes de falla:

instantáneos (mecánico), dependientes del tiempo (físico, química y/o mecánica) u operacionales,

recomendaciones preliminares en el programa de densidad del fluido de perforación y orientación

óptima del hoyo. También se selecciona la profundidad más aconsejable para toma de núcleo.

6.1.1 Selección de Pozos para Estudio

7

El criterio principal consiste en seleccionar aquellos pozos con mayor disponibilidad de información

tal como: registros, ripios, núcleos, pruebas de campo, etc. Otro criterio consiste en seleccionar

aquellos pozos que se construyeron con diferentes trayectorias y diferentes fluidos de perforación. Para

la ubicación de los pozos se requiere un mapa de distribución de los pozos perforados de la zona. Se

recomienda seleccionar estos pozos cerca de las próximas localizaciones.

6.1.2 Recolección de Datos

En esta etapa se colectan datos del campo y de los pozos seleccionados. A continuación se lista los

datos a recolectar clasificados según el tipo de información:

Registros: "Gamma Ray", resistividad, "cáliper" orientado 4-6 brazos, "mud logging", densidad

neutrón/espectral, porosidad, perfil sónico dipolar o de espaciamiento largo (“long spacing”),

registros de imágenes.

Reportes diarios de perforación: fecha, profundidad, tasa de perforación (ROP), galonaje (GPM),

eventos de perforación, registros de torque, presiones en el anular y tubería.

Reporte de dirección y ángulos: inclinación, “azimuth”, severidad de "dogleg",

Reportes de fluidos de perforación: densidad, propiedades reológicas, porcentaje de sólidos,

formulación promedio (concentración y aditivo)

Pruebas de campo: "microfracs", "Leak off test" extendido (X-LOT/LOT), mediciones de presión

de poro (RFT).

Datos geológicos: mapa estructural, columna estratigráfica (topes y bases, nombre de la

formación), sección estructural e historia geológica.

Gradiente geotérmico.

Disponibilidad y muestras de núcleos, pared, ripios y derrumbes.

6.1.3 Información de Resistencia de la Roca a Partir de Registros y Correlaciones

Se puede obtener información sobre la resistencia de las lutitas a partir de correlaciones empíricas

reportadas en la literatura, los cuales utilizan valores de porosidad, tiempo de tránsito o volumen de

arcilla. Estos valores se derivan de los registros de densidad, sónico y “gamma ray” respectivamente[27].

6.1.4 Información del Campo de Esfuerzos "in situ"

Determinar los esfuerzos "in situ" es de suma importancia en un análisis de estabilidad de hoyo, ya que

dichos esfuerzos controlan, en gran parte, las condiciones de esfuerzos en las cercanías del hoyo, una

vez que se ha construido. El esfuerzo de sobrecarga se calcula con la integración de registros de

8

densidad. Para determinar la dirección de esfuerzo horizontal menor se utilizan registro “cáliper” y

registros de imágenes, donde se observan la dirección de las fallas tipo “breakout” y de las fracturas

inducidas durante la perforación. La magnitud del esfuerzo horizontal menor se determina mediante

ensayos de campo como "Leak Off Test", "microfrac" y "minifrac". La magnitud del esfuerzo

horizontal mayor se determina mediante un retro-análisis de las fallas tipo “breakout” y/o fracturas

hidráulicas e inducidas. También se hace uso de las estructuras geológicas, que están asociadas a los

diferentes regímenes de esfuerzo: Normal, Transcurrente y Reverso. Esto permite conocer la magnitud

relativa de los esfuerzos entre si.

La presión de poro se estima mediante el uso de registros sónicos, calibrados con RFT en las arenas,

sísmica y VSP/"check shot", así como con algunos eventos de perforación.

6.1.5 Construcción de Resúmenes de Perforación

En esta etapa se ordenan los datos de perforación de manera que se haga más fácil su interpretación.

Estos resúmenes se hacen, en primer lugar por pozo y luego se pueden agrupar para todo el campo.

Resumen geológico: Con un mapa del área se puede conocer la ubicación de los pozos. Se debe

conocer la columna estratigráfica con los topes y bases de las formaciones atravesadas durante la

perforación del pozo. La geología se caracteriza usando registros y reportes geológicos, combinado

con registros sísmicos, si existen. También, se debe incluir el ángulo de los planos de estratificación

evaluando registros de imágenes o “dipmeters”[27].

Resumen descriptivo de ripios y “derrumbes”: Los derrumbes son muestras que provienen del

hoyo, los cuales son de tamaño mayor que las muestras producidas por la mecha y, generalmente,

están asociadas a problemas de inestabilidad. Se debe incluir la profundidad estimada de donde

proviene la muestra evaluada, así como su forma, tamaño y litología[26].

Resumen de arquitectura del pozo: Es un diagrama de la arquitectura del pozo que debe incluir

información acerca del diámetro de hoyo y revestidores, profundidad de asentamiento de

revestidores.

Resumen de días de perforación: Consiste en registrar días de perforación con profundidad,

cuantificar los días de perforación (sin problemas) y los días perdidos por eventos no planificados

(con problemas). Se puede cuantificar tiempo de hoyo abierto [27].

Resumen de condiciones de perforación: Consiste en gráficos con profundidad donde se reportan

los parámetros de perforación: galonaje, ROP, presión en el anular y tubería, torque, peso

equivalente de lodo y días de perforación. Estos gráficos son importantes al momento de

9

correlacionar los eventos ocurridos con la variación de estos parámetros. Se puede incluir un

volumen estimado de ripios con respecto a la tasa de penetración y tamaño de hoyo.

Resumen de hidráulica: Debe incluir ECD y velocidad del anular.

Resumen de trayectoria de hoyo: Se requiere TVD, TM para correlacionar la profundidad y

propiedades entre pozos vecinos, ángulo y dirección, severidad de “doglegs” (º/100 pies).

Resumen de fluido de perforación: Información que se extrae de los reportes diarios de lodos. En

este resumen se presenta el tipo de fluido utilizado en cada pozo, así como, las propiedades del lodo

a lo largo de la perforación: densidad, viscosidad de embudo, viscosidad plástica, punto cemente,

fuerza de gel 10"/10', contenido de sólidos de baja y alta densidad, volumen de filtrado. Se deben

extraer las formulaciones de fluidos de perforación usados.

Resumen de eventos de perforación: Las dificultades encontradas durante la perforación pueden

estar asociadas a problemas de inestabilidad. En esta parte se presentan los problemas que surgen

durante la perforación de los pozos previos relacionados con la formación lutítica. El resumen de

eventos se puede realizar, primero por pozo y luego compilarlo por campo, mediante gráficos

específicos que permitirán identificar el origen del evento, correlacionando el síntoma con las

posibles variables que lo originan. Se deberán identificar eventos tales como: taponamiento de

mallas y líneas de flujo, embolamiento de mecha, repasos, pérdida de circulación, arrastres y

apoyos, pegas diferenciales, pegas o atascamiento mecánicos, arremetidas, influjos de gas.

Resumen de condiciones del hoyo: Con el registro “cáliper” se puede estimar el porcentaje de

ensanchamiento de hoyo, porcentaje de cierre de hoyo, diámetro promedio por hoyo, distribución

de derrumbes con la litología. Con registros de imágenes se puede verificar el estado del hoyo.

También se puede calcular un volumen de hoyo normalizado por sección para comparar la

condición del un hoyo con respecto a otros.

Resumen de viajes: Planificados (de limpieza, de acondicionamiento) y no planificados, así como

tiempo de viaje para cada uno y condiciones de viaje.

6.1.6 Análisis de la Experiencia de Perforación

En esta etapa se analiza la experiencia de perforación para determinar y correlacionar la influencia de la

trayectoria, tipo y densidad del fluido de perforación y condiciones de perforación sobre las

condiciones de hoyo. También para identificar el posible origen de los problemas ocurridos, y los

mecanismos involucrados: operacionales, instantáneos (geomecánicos) o dependientes del tiempo

(fisicoquímicos). En este análisis se determinan las profundidades donde se van a realizar el análisis

10

preliminar de estabilidad de hoyo. La experiencia de perforación se debe examinar para incluir sólo

aquellos eventos que se pueden atribuir razonablemente a inestabilidad de hoyo.

Identificación de intervalos de profundidad problemáticos: En un gráfico se presenta la

profundidad a la que ocurren los problemas del campo de acuerdo al tipo de evento. De esta forma

se determina el intervalo de profundidad donde surgen los problemas asociados a inestabilidad de

hoyo[11]. En esta zona o profundidad problemática se debe tomar núcleo para su caracterización.

Clasificación de la severidad del problema: el problema de estabilidad de hoyo se puede

clasificar de acuerdo a la severidad del evento. Para ello se deben conjugar los resúmenes de

condiciones del hoyo y los eventos de perforación. Se pueden encontrar tres tipos de severidad: baja

severidad cuando los síntomas existen pero no se requirió acciones correctivas; media severidad

cuando se evidencian los síntomas y se solventaron con algunas medidas correctivas, por ejemplo,

repasos cuando ocurre un apoyo o arrastre, y severidad alta cuando se evidencia algún síntoma y las

medidas correctivas tomaron más tiempo del estimado o no se pudo remediar el problema, por

ejemplo, pérdidas del hoyo, “side track”, etc.[22].

Clasificación de calidad del hoyo: La calidad del hoyo se puede clasificar de acuerdo al

porcentaje de ampliación del mismo por secciones. Evaluando los resúmenes de condiciones del

hoyo se pueden encontrar tres tipos de calidades[27]: calidad baja cuando el porcentaje de

ampliación supera el 30%, calidad media cuando el porcentaje de ampliación se encuentra entre 10

y 30% y calidad alta cuando el porcentaje de ampliación es menor al 10%.

Diferenciación de problemas instantáneos y dependientes del tiempo: Los problemas

dependientes del tiempo se manifiestan, como su nombre lo indica, tiempo después de atravesar la

zona donde se presenta dicho evento, a diferencia de los instantáneos que ocurren inmediatamente

cuando se está perforando una zona específica. Los problemas de inestabilidad dependientes del

tiempo se diferencian con la ayuda de un gráfico de profundidad con días de perforación donde se

representan los eventos ocurridos durante la perforación. Los eventos instantáneos se colocarán

sobre la curva tiempo-profundidad; los dependientes del tiempo se ubicaran fuera de ésta [8,27].

Correlación entre descripción de ripios, derrumbes y los eventos de perforación: Con el

análisis de la forma de los ripios o “derrumbes” se pueden obtener indicios del mecanismo de falla

de la roca, es decir, determinar si es falla por compresión, falla a lo largo de planos de

estratificación o por sobrepresión de poro[26]. El tamaño de los ripios puede indicar si provienen de

la mecha o si son desprendimientos de las paredes del hoyo. Esto se puede correlacionar con las

condiciones del hoyo y con la columna estratigráfica.

11

Correlación entre geología y eventos de perforación: Es preciso conocer las formaciones

atravesadas y los eventos ocurridos en relación con la estratigrafía, al momento de extrapolar la

experiencia de un pozo a otra localización en la misma región.

Correlación entre días de perforación y trayectoria: Con el resumen de trayectoria y días de

perforación sin problemas sobre un gráfico polar se puede inferir una dirección y ángulo óptimo

para el campo en cuestión.

Correlación entre densidad y eventos de perforación: La mayoría de los eventos de perforación,

tales como, pérdida de circulación, atascamientos, torques, apoyos y arrastres, pegas diferenciales,

están relacionados con un exceso o deficiencia de densidad. Esto ayudará a identificar el intervalo

de densidad, para determinadas condiciones de perforación, con las cuales se obtuvo el más alto o

más bajo desempeño

Correlación entre trayectoria de hoyo y eventos de perforación: Este tipo de correlación puede

ayudar a detectar problemas de tipo operacional debido a la construcción de ángulos muy

pronunciados (“dogleg”)

Desempeño de los fluidos de perforación utilizados: tipo, propiedades y densidad: Se

correlacionan los eventos ocurridos y los fluidos de perforación utilizados con el fin de obtener

información sobre interacción fluido-roca. Aquí se identificaran aditivo, formulaciones, con las

cuales se obtuvo el más alto o más bajo desempeño.

Análisis de condiciones de perforación (galonaje, ROP, WOB, torque, presiones en anular y

tubería): Diversas condiciones de perforación puede dar indicios del origen del problema tales

como: valores de ROP anormales pueden indicar posibles problemas en la mecha (embolamiento).

También, valores altos de torque pueden estar relacionados con restricciones geométricas en el

hoyo (ej. anillos de formaciones plásticas alrededor de la sarta), así como aumentos de las presiones

del anular. También se verifica la velocidad en el anular durante la perforación con los datos de

diámetro de hoyo promedio reales, obtenidos con los “cáliper”, galonaje y ROP; para descartar que

los problemas de atascamiento, apoyos y arrastres haya ocurrido por acumulación de ripios dentro

del hoyo.

6.1.6 Análisis Preliminar de Estabilidad de Hoyo

Este análisis preliminar consiste en determinar perfiles de densidad de lodo estables, para un amplio

intervalo de inclinación y “azimuth”, relacionados con el régimen de esfuerzos establecido, a través de

simulaciones de la distribución de esfuerzos alrededor del hoyo, utilizando un criterio de falla, basado

en la resistencia estimada de la roca. Con este análisis se puede establecer, de manera preliminar, la

12

perforabilidad del hoyo y la criticidad de diferentes factores geomecánicos. En este análisis se incluye

un retro-análisis donde se correlacionan las densidades de fluido utilizadas en la experiencia de

perforación, para calibrar los resultados obtenidos con la simulación previa.

6.2 Etapa II. Caracterización de la Roca y Análisis Geomecánico de Estabilidad de Hoyo La segunda etapa de la metodología propuesta consiste en la caracterización petrofísica, geoquímica,

térmica y geomecánica de núcleos preservados de lutita y ripios de las zonas que presentan mayores

problemas durante la perforación. La caracterización permitirá elaborar correlaciones que relacionen

alguna propiedad de la roca con su resistencia. En esta etapa se darán recomendaciones sobre la

trayectoria óptima del pozo, basado en los gráficos de borde del peso de fluido de perforación

considerando sólo los factores geomecánicos, así como la validación de las propiedades de resistencia

de la roca. También se determinan las propiedades petrofísicas, acústicas, geoquímicas y térmicas, que

formarán parte de los modelos constitutivos (geomecánicos y fisico-químicos) de la lutita.

Esta etapa es necesaria solo en los casos de problemas severos, cuando no se pueden estimar las

propiedades de resistencia de la roca por métodos indirectos o cuando se desea elaborar correlaciones

de resistencia de la roca.

6.2.1 Toma y Preservación de Núcleos y Ripios

Como se mencionó anteriormente, en un estudio de estabilidad de hoyo se requiere conocer las

propiedades de la roca que se atraviesa durante la perforación. Dentro de las caracterizaciones

necesarias para desarrollar los modelos constitutivos que simulen dicho comportamiento se encuentran

la evaluación de las propiedades geomecánicas, petrofísicas, geoquímicas y térmicas. Para realizar

dicha caracterización se debe disponer de muestras de roca, tanto en núcleos como en ripios. Las

muestras deben provenir de las profundidades de interés, donde se han detectado mayor número de

eventos no planificados.

Para la caracterización de las formaciones lutíticas se recomienda emplear principalmente núcleos

preservados y no perturbados, a fin de obtener resultados que se acerquen lo más posible al

comportamiento real de las lutitas durante la perforación. Sin embargo, éste es un requerimiento

costoso, el cual debe ser evaluado con detalle para determinar si es pertinente. También se puede

emplear muestras de pared y ripios, sin embargo, no se puede hacer una caracterización completa en

este tipo de muestras ya que generalmente está muy perturbada [28].

La toma y preservación de núcleos de lutita es una operación delicada que requiere de mucha atención,

para evitar perturbaciones innecesarias en el núcleo. La caracterización de lutitas es muy sensible a

13

cambios y es particularmente importante, mantener el contenido de agua original de la lutita. Las lutitas

deshidratadas generan resultados erróneos en su caracterización geomecánica y de interacción fisico-

química [12,13,29]

Se recomienda tomar núcleos, muestras de pared y ripios con un fluido base aceite y preservarlos, con

la inmersión inmediata, en aceite mineral. Para la toma de núcleos de lutita se recomienda programar

reuniones con los grupos involucrados, que incluya los grupos que van hacer la caracterización y el

personal de operaciones. Una vez tomado el núcleo se le deben tomar registros gamma, para

correlacionarlo con los tomados en el hoyo. Se recomienda realizar una tomografía para detectar

heterogeneidad y presencia de fracturas [12,29]

6.2.2 Caracterización Mineralógica y Química:

La caracterización geoquímica consiste en determinar las propiedades químicas de la matriz de roca,

así como los componentes individuales presentes en la roca y su distribución dentro de la matriz.

Dentro de las propiedades químicas que caracterizan la roca se tienen el contenido de humedad, la

capacidad de intercambio catiónico (CIC) y la actividad de agua de la lutita, la composición del agua

contenida en los poros (iones presentes).

La composición mineralógica se determina a través de las técnicas de difracción de rayos X y

Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). Se determina la presencia de minerales hidratables

(esmectitas) los cuales pueden desarrollar mecanismos de desestabilización de la roca en presencia de

fluidos de perforación base agua [24]. También permiten determinar el volumen de minerales de arcilla

(Vshale) presentes en la muestra. Este valor de Vshale se correlaciona con los valores obtenidos a través

del registro "gamma ray". Esta calibración permite calibrar los valores de Vshale en aquellas secciones

del hoyo donde no se tienen muestras de núcleo. El volumen de arcilla se utiliza en correlaciones para

estimar algunas propiedades de resistencia de la roca [24,27].

6.2.3 Caracterización Petrofísica:

La caracterización petrofísica consiste en determinar las propiedades estructurales de la lutita: densidad

de roca, distribución de tamaño de poros, porosidad y permeabilidad. La permeabilidad, permite inferir

los mecanismos fisicoquímicos que se desarrollan entre el fluido de perforación y las lutitas, ya que

ésta controla el flujo de fluidos a través de la roca [12,13,25]. La densidad y porosidad son parámetros que

se utilizan en correlaciones para determinar propiedades mecánicas de la roca[25].

6.2.4 Caracterización Térmica

14

La caracterización térmica permite estimar cambios de volumen de la matriz de roca debido a

variaciones de temperatura. Entre las propiedades térmicas que se requieren para modelar este

mecanismo se encuentran el coeficiente de expansión térmica y el calor específico[24].

6.2.5 Caracterización Geomecánica

La caracterización geomecánica de lutitas se basa en la evaluación de parámetros como la rigidez y

resistencia de la roca. Estos son útiles para desarrollar modelos constitutivos realistas que permitan

hacer diagnósticos apropiados sobre el desempeño de la roca bajo las condiciones de esfuerzo que se

desarrollan alrededor del hoyo. La caracterización geomecánica es un proceso complejo que requiere

de ensayos sobre el tapón de núcleo, para obtener propiedades que permiten ajustarlo un modelo de

comportamiento y de falla. A continuación se describe este proceso.

Ensayos de Caracterización Geomecánica:

Previo a realizar los ensayos geomecánicos se requiere hacer un diseño de los mismos de acuerdo a las

condiciones "in situ": profundidad, esfuerzos, presión de poro. El tiempo de desarrollo de estos ensayos

depende de la permeabilidad de la lutita. Las lutitas de baja permeabilidad requieren mucho más tiempo

en restaurar y homogeneizar la presión de poro [25, 30, 31].

Entre los ensayos de caracterización geomecánica se encuentran los ensayos de resistencia a la

compresión uniaxial y triaxial (no drenados), ensayos acústicos, ensayos de resistencia a la tracción.

Los ensayos de resistencia a la compresión consisten en someter a la muestra a un esfuerzo de

confinamiento durante el cual se determina su deformación. A partir de la curva de esfuerzo-

deformación se determinan algunas propiedades de resistencia de la roca. Entre estas propiedades se

encuentran las propiedades elásticas: Módulo de Young estático, relación de Poisson, y las propiedades

poroelástica: coeficiente de Biot, coeficiente Skempton, módulo de rigidez no drenado.

Otra propiedad de interés que se obtiene con estos ensayos es la resistencia máxima a la compresión, la

cual es llamada resistencia a la Compresión Uniaxial (UCS)[25, 30, 31] cuando se obtiene de un ensayo

uniaxial.

Para determinar la anisotropía de las propiedades geomecánicas en la roca se realizan ensayos con

tapones tomados en diferentes ángulos con respecto al eje del núcleo. La diferencia o similitud entre los

valores obtenidos indicarán la anisotropía en las propiedades[25, 30, 31].

Durante los ensayos triaxiales se recomienda tomar medidas ultrasónicas para correlacionar las

medidas acústicas con las propiedades geomecánicas dinámicas. Estos valores se utilizan para obtener

correlaciones que permitan predecir las propiedades mecánicas a partir de registros sónicos, y así,

determinar dichas propiedades en zonas donde no se posee núcleo de lutita[25, 30, 31].

15

Generalmente con ensayos acústicos se obtienen el Módulo de Young dinámico y la relación de

Poisson dinámica.

El ensayo típico para determinar la resistencia a tracción se denomina ensayo brasileño, éste es un

método efectivo y simple para medir resistencia a la tensión de un material[25, 30, 31].

Debido a la baja permeabilidad de las lutitas es conveniente realizar los ensayos de compresión en

condiciones no drenadas (impidiendo la salida de fluido de la muestra), midiendo la presión de poro en

ambos extremos de la muestra[25, 30, 31].

Modelos de Comportamiento

Una vez que se conoce el perfil reológico de la roca se debe ajustar a un modelo constitutivo que

simule el comportamiento de ésta bajo condiciones de carga. Los modelos de comportamiento de las

lutitas pueden ser elásticos, elasto-plásticos, poro-elásticos, visco-elásticos, etc, y dependen de las

características propias de la roca[20-22].

Criterios de Falla de la Roca

Los modelos de comportamiento son perfiles continuos y no simulan la condición donde las rocas

fallan. Las rocas, bajo cierta condición de esfuerzo, pierden su integridad, lo cual es llamado "falla".

Para describir totalmente el comportamiento de las rocas, bajo condiciones de carga, es necesario

combinar los modelos de comportamiento con un criterio de falla. Los criterios de falla simulan la

condición de carga bajo la cual la roca "falla". Existen varios criterios ampliamente utilizados para

describir el comportamiento de falla de las lutitas, tales como, el criterio de falla de Mohr Coulomb,

criterio de Drucker-Prager y criterio de Lade modificado, entre otros[20-22].

6.2.7 Caracterización de Ripios, Muestras Pequeñas y Muestras dePared

La caracterización de ripios, muestras de pared y muestras pequeñas se utiliza para correlacionar los

resultados de caracterización obtenidos en los núcleos con los de este tipo de muestras menos

representativas. Eso permitirá construir correlaciones de propiedades mecánicas que permitan conocer

las propiedades de la roca en las secciones donde no se disponga de núcleos. A estas muestras se les

puede determinar la composición mineralógica. Esta propiedad se puede determinar a lo largo de las

secciones atravesadas durante la perforación[28]. Para la caracterización geomecánica se utilizan

ensayos no tradicionales que permiten inferir algunas de sus propiedades de resistencia y realizar

perfiles utilizando ripios y muestras de pequeño diámetro, tales como: Indentación, prueba de carga

puntual (PLT), medidas ultrasónicas (CWT), constante dieléctrica, "scratch"[28] .

6.2.8 Construcción de Correlaciones de Propiedades Mecánicas

16

Las correlaciones de propiedades mecánicas son de gran utilidad en análisis de estabilidad de hoyo.

Éstas permiten predecir las propiedades de resistencia de la roca, conociendo alguna característica de la

misma, en secciones del hoyo o campo donde no se disponga de núcleo o muestras de lutita. Se utilizan

principalmente en análisis preliminares de estabilidad de hoyo, en campo donde no se han hecho

caracterizaciones geomecánicas de sus formaciones lutíticas.

Los parámetros más utilizados para construir correlaciones son velocidades acústicas (tiempo de

tránsito), porosidad y volumen de arcilla (Vshale). Para desarrollar correlaciones de propiedades

mecánicas de rocas se requiere hacer una caracterización detallada de la roca, que incluya propiedades

geoquímicas, petrofísicas, acústicas y geomecánicas y determinar aquellas propiedades que influye más

significativamente sobre las propiedades geomecánicas[23, 24].

6.2.9 Análisis Geomecánico de Estabilidad de Hoyo

El análisis geomecánico de estabilidad de hoyo consiste en determinar la densidad crítica del fluido de

perforación para evitar el colapso de las paredes del hoyo o una fractura hidráulica, considerando

diferentes trayectorias (inclinación y "azimuth") y un régimen de esfuerzo "in situ" determinado para el

área en estudio. En este análisis no se consideran las interacciones entre el fluido de perforación y la

lutita. Esto quiere decir, que las propiedades de la roca permanecen inalteradas en el tiempo, así como,

la presión de poro.

En primer lugar se requiere determinar la distribución de esfuerzos alrededor del hoyo. Estos esfuerzos

inducidos están controlados principalmente por los esfuerzos "in situ", la orientación de del pozo, las

propiedades de la roca, la presión de poro, la densidad del fluido de perforación, los planos de

estratificación y la temperatura. Para calcular estos esfuerzos se utilizan soluciones analíticas o

numéricas dependiendo del modelo de comportamiento de la roca considerado.

Siguiendo el modelo de comportamiento de la roca definido previamente y luego comparando con un

criterio de falla, se establecen las condiciones para las cuales el esfuerzo en un punto o más

localizaciones de la pared del hoyo excede la resistencia de la roca. En ese punto se dice que la roca

falla por compresión o tracción. Luego se representan los contornos de densidades críticas de fluido de

perforación en función de orientación y "azimuth" del pozo. Generalmente estas representaciones son

gráficos polares cuya coordenada radial representa el ángulo de inclinación del pozo y la coordenada

angular el "azimuth". Estos contornos de densidad se deben calibrar de manera adecuada para ajustar

los parámetros estimados con valores obtenidos en las experiencias previas de perforación.

Dependiendo del modelo de comportamiento y el criterio de falla seleccionados, los bordes de

17

densidad obtenidos en la simulación varían. En tal sentido se deben utilizar diferentes modelos y

criterios (de ser posible) para determinar aquellos que se ajusten a la realidad del campo.

6.3 Etapa III. Simulación de Laboratorio de la Interacción Lutita/Fluido de perforación yevaluación de diferentes fluidos de perforación

Esta etapa consiste en simular las interacciones fisico-químicas entre diferentes fluidos de perforación

y la muestra de lutita, para evaluar la capacidad para manejar la (in)estabilidad dependiente del tiempo

de diferentes fluidos de perforación. También permite evaluar la factibilidad de utilizar fluidos de

perforación base agua, así como los aditivos más convenientes. Al finalizar esta etapa se dispondrá de

gráficos de cambio de la presión de poro para los fluidos evaluados y diseños acoplados de densidad y

formulaciones de fluidos que manejen inestabilidad dependiente del tiempo. Esto incluye gráficos

refinados de contorno del peso critico para cada tipo de formulación de fluido evaluada

Esta etapa requiere de ensayos geomecánicos sobre lutitas expuestas a los fluidos de perforación

evaluados.

6.3.1 Selección y Caracterización de Fluidos de Perforación

Consiste en seleccionar un grupo de formulaciones que se deseen evaluar y/o optimizar. También se

pueden seleccionar aditivos no comerciales, en la búsqueda de nuevas formulaciones que se ajusten a

las necesidades de la formación en estudio.

Se pueden extraer las formulaciones con el mejor desempeño observado en los pozos evaluados en la

etapa I. Si no se encuentra ningún fluido con alto desempeño se deben nominar los fluidos nuevos de

perforación potenciales a utilizar en las nuevas localizaciones.

Una vez seleccionados los fluidos se procede a caracterizarlos, midiendo las propiedades críticas que

intervienen en los mecanismos de interacción de fluido/lutita, tales como actividad de agua, viscosidad,

filtrado, tensión superficial e interfacial entre el fluido y el agua de poro, y ángulos de contacto.

6.3.2 Simulación de Laboratorio de las Interacciones Fluido/Lutita

Consiste en evaluar en el laboratorio las propiedades mecánicas y fisicoquímicas de la formación

lutítica en presencia de los aditivos utilizados en fluidos de perforación.

Ensayos de transmisión de presión de poro:

Este ensayo consiste en determinar los cambios de presión de poro en presencia del fluido de

perforación, en función del tiempo. En este ensayo se evalúa, de manera global, las interacciones entre

el fluido y la lutita. El mejor candidato, de los evaluados, será el que demuestre un cambio menor de la

presión de poro[12, 13, 14, 15, 16, 17].

18

Con estos ensayos se desarrollan las curvas de cambios de presión de poro entre la lutita y los fluidos

de perforación evaluados, en condiciones dadas de sobrebalance [12, 13, 14, 15, 16, 17].

Algunas variaciones de este ensayo permiten determinar el(los) mecanismo(s) fisicoquímico(s) que

gobierna(n) los cambios de presión de poro. Cada mecanismo es manejado por fuerzas motrices, tales

como: gradiente hidráulico, osmótico, químico, hidratación de minerales, temperatura, entre otros.

Estos mecanismos dependen de las propiedades petrofísicas y geoquímicas de la muestra como de las

propiedades de los fluidos de perforación evaluados.

6.3.3 Propuesta de Mecanismos de Estabilización

Consiste en proponer los mecanismos de estabilización fisico-química, así como nuevas formulaciones,

que manejen inestabilidad dependiente del tiempo, de acuerdo con las características de la formación.

Entre estos mecanismos se encuentran: aumentar la tensión interfacial y el ángulo de contacto para

aumentar la presión capilar entre el fluido de perforación y el fluido de poro, igualar las actividades del

fluido de poro y del fluido de perforación[16], viscosificar el filtrado[12,13], taponar los poros de la

formación[18,19] , etc.

6.3.4 Análisis de Estabilidad de Hoyo Considerando Efectos Fisicoquímicos

Con el uso de simuladores acoplados[23,24] se pueden determinar el efecto combinado de las

interacciones fisico-químicas con los factores mecánicos. Este análisis se consolida haciendo un retro-

análisis de los resultados de las interacciones fisicoquímicas, en conjunto con las condiciones del

campo y las propiedades geomecánicas de la roca[23, 24]. Al finalizar se muestran diseños acoplados de

densidad y formulaciones de fluidos que manejen inestabilidad dependiente del tiempo. Esto incluye

gráficos refinados de contorno del peso crítico para cada tipo de formulación de fluido evaluada[23, 24].

7. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se describe una metodología que permite establecer, de manera adecuada, la

trayectoria de perforación, dirección de pozo, densidad y composición del fluido de perforación

para una formación lutítica, que puede ayudar a resolver y manejar los problemas de inestabilidad

de hoyo, dependientes e independientes del tiempo, en la construcción de pozos petroleros.

La metodología propuesta consta de tres (3) etapas principales de evaluación y caracterización

sistemática la formación en estudio, que contempla: i) La evaluación del campo para un análisis

preliminar de estabilidad de hoyo y se puede establecer una dirección óptima de dirección de hoyo.

Ii) La caracterización de la formación lutítica en estudio para un análisis de estabilidad

19

geomecánico, donde se puede establecer un intervalo de densidad y ángulo de construcción de

pozo. iii) La evaluación de interacciones fluido/lutita para un análisis de estabilidad de hoyo

integral, donde se puede establecer la composición del fluido de perforación.

La validación de la metodología planteada requiere de diferentes perspectivas que conformen un

equipo de trabajo multidisciplinario en las áreas de geomecánica, geoquímica, geología estructural,

mecánica de perforación y fluidos de perforación.

8. RECOMENDACIONES

Validar la metodología en un área o campo donde se requiera resolver problemas de inestabilidad

de hoyo asociadas a formaciones lutíticas.

Entrenar y conformar un equipo de trabajo multidisciplinario en las áreas de geomecánica,

geoquímica, geología estructural, mecánica de perforación y fluidos de perforación, para una

solución efectiva sobre el problema de estabilidad de hoyo.

Dirigir las investigaciones hacia la obtención de información más representativa de la roca a partir

de ripios y muestras pequeñas para tener alternativas más económicas, así como caracterización de

lutitas a tiempo real.

Construir correlaciones para calcular propiedades características para las formaciones lutíticas en

estudio.

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10. ANEXOS

Evaluación del campo y análisispreliminar de estabilidad de hoyo

Caracterización de la roca y análisisgeomecánico de estabilidad de hoyo

Evaluación de las interaccioneslutita/fluido de perforación y selecciónde la composición del fluido

• Caracterización petrofísica, geoquímica,térmica y geomecánica de núcleos (ripios)

• Desarrollo de correlaciones para predecirpropiedades geomecánicas

• Peso del lodo considerando factoresgeomecánicos

• Composición y peso del fluido deperforación considerando factores

fisicoquímicos

Metodología IntegralGeología Estructural

Mecánica de perforación Fluidos de perforación

Geoquímica Geomecánica

3

1

2

• Se identifican los mecanismos de falla:mecánico, fisico-químico u operacionales

• Se detectan zonas más problemáticas

• Recomendaciones preliminares dedensidad del fluido de perforación yorientación óptima del hoyo

• Se selecciona la profundidad paratoma de núcleo

• Se determina el régimen de esfuerzo•Factibilidad de usar fluidos base agua

en sustitución de los base aceite

Fig. 1. Esquema general de la metodología