REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA

FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO

PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIERÍA DE PETRÓLEO

PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA EL CÁLCULO DEL CAUDAL CRÍTICO DE ARENAMIENTO Y SU EFECTO EN LA RESISTENCIA Y DURABILIDAD DE

REJILLAS Y FORROS RANURADOS

Trabajo de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia

para optar al Grado Académico de

MAGÍSTER SCIENTIARUM EN INGENIERÍA DE PETRÓLEO

Autor: Ing. Analy Rondón Tutor: Prof. Orlando Zambrano Co-tutor: Prof. Américo Perozo

Maracaibo, Noviembre de 2010

Rondón, Analy. Programa computacional para el cálculo del caudal crítico de arenamiento y su efecto en la resistencia y durabilidad de rejillas y forros ranurados. (2010). Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo. Venezuela. 112 p. Tutor: Dr. Orlando Zambrano, Ph.D.; Cotutor: Prof. Américo Perozo.

RESUMEN

El fenómeno de arenamiento de pozos constituye uno de los principales problemas que confronta la industria petrolera, ya que su efecto se ve directamente reflejado en una disminución drástica de la producción de fluidos en un determinado pozo. Las causas pueden ser diversas y su análisis y determinación resulta, algunas veces, muy compleja. Entre los factores que inciden en la selección de un método de control de arena existe el cálculo del caudal crítico de arenamiento el cual puede resultar altamente laborioso, por lo que se hace necesario el desarrollo de un software que los ejecute de manera rápida y efectiva. Es por ello que la presente investigación plantea desarrollar dicho programa computacional bajo un ambiente amigable y de fácil manejo para el usuario y permite fundamentalmente calcular las velocidades críticas de arenamiento, velocidad crítica de erosión y velocidad de incidencia y una vez obtenidos estos valores se puede establecer su influencia en la resistencia y durabilidad de rejillas y forros ranurados. De esta manera se origina un programa versátil en Visual Basic 6.0 y de fácil aplicación, denominado CCA con capacidad de generar una base de datos de cada evaluación realizada y que posteriormente podrían alimentar a otros tipos de aplicaciones. Palabras Clave: Caudal crítico, Arenamiento, Rejillas, Forros Ranurados. Correo electrónico: analyrondon1@gmail.com

Rondón, Analy. Critical rate sand calculus software and its effect in the resistance and durability of grids and grooved linings. (2010). Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo. Venezuela. 112 p. Tutor: Dr. Orlando Zambrano, Ph.D.; Cotutor: Prof. Américo Perozo.

ABSTRACT

The sand phenomenon on wells constitutes one of the main problems that the oil industry confronts, since its effect is seen directly reflected in a drastic diminution of the production of flowed in a certain well. The causes can be diverse and their analysis and determination are, some times, very complex. Between the factors that affect the selection of a sand control method there’s the calculation of the sand critical rate which can be highly laborious, and that’s why it is necessary to create a software able to execute all those calculus in a fast and effective way. It is for that reason that the present investigation raises to develop this computer program under a friendly atmosphere and of easy handling for the users, and essentially allows to calculate the sand critical velocities, erosion critical velocity and incidence speed and once obtained these values it is possible to be established its influence in the resistance and durability of grids and grooved linings. In this way, it has been developer a Visual Basic 6.0 software, which is versatile, very easy to use and called CCA, and also able to generate a database for each evaluation done that can supply another applications if is needed. Key Words: Critical Rate, Sand, Grid, Grooved linings. Author’s e-mail: analyrondon1@gmail.com

DEDICATORIA

Alcanzar esta meta nunca hubiese sido posible sin el eterno e incondicional apoyo de mis padres Rómulo y Emilia, quienes han sido unos ángeles protectores que me han acompañado en todo momento; sus cuidados, atenciones, cariños y consejos han sido mi mayor fuente de inspiración para luchar porque mis sueños se conviertan en realidad. Papi, Mami: los amo con todo mi ser, este nuevo logro es para Ustedes. Por compartir todos sus días junto a mí entre risas, lágrimas y juegos esto también va dedicado a mis dos hermanos Rómulo y Nataly, a mi primo Danny y a mi perrito Nerón por ser mi apoyo en todo momento. Gracias mi Dios por darme la maravillosa familia que tengo. A solo dos días de haber cumplido 18 añitos subió al cielo una personita que es como un hermanito para mí. Se que ahora eres un ángel que está en el cielo y estas abrazado por los brazos de Dios, pero yo te llevaré conmigo eternamente en mi corazón. Hermanito Jhonlexi, yo te extrañaré, tenlo por seguro; esto va para ti.

AGRADECIMIENTO

La culminación de este trabajo de investigación no hubiese sido posible sin la ayuda de varias personas que estuvieron presentes y me apoyaron en todo momento, es por ello que quiero hacer un especial agradecimiento: A mi tutor Profesor Orlando Zambrano, por haberme ayudado todo este tiempo ofreciéndome su tiempo, sus conocimientos y su amistad, sin él nada hubiese sido posible. Eternamente: Gracias Profe!. Al Profesor Américo Perozo quien fue no sólo mi co-tutor sino también un gran amigo. Gracias por sus consejos y su asesoría. Reunirme con él significaba irremediablemente se me escapara una sonrisa. Al Profesor y gran amigo Jesús Quintero, quien fue un ángel enviado por Dios cuando más lo necesitaba. Gracias Jesús por ayudarme tanto en la realización de este proyecto, estas líneas son poco para lo que significó tu valiosa colaboración.

TABLA DE CONTENIDO

Página RESUMEN………………………………………………………………………… 3 ABSTRACT………………………………………………………………………... 4 DEDICATORIA……………………………………………………………………. 5 AGRADECIMIENTO……………………………………………………………… 6 TABLA DE CONTENIDO………………………………………………………… 7 LISTA DE TABLAS……………………………………………………………….. 9 LISTA DE FIGURAS……………………………………………………………… 10 INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………. 12 CAPÍTULO

I EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del problema…………………………….….. 14 1.2. Justificación de la investigación……….…………………… 15 1.3. Objetivos de la investigación……………………………….. 15 1.3.1. Objetivo general de la investigación……..…..…..……… 15 1.3.2. Objetivos específicos de la investigación..…….……….. 15 1.4. Alcance de la investigación………………………..……….. 16 1.5. Delimitación de la investigación………………………….... 16 II FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Antecedentes de la investigación…………………..……… 17 2.2. Bases teóricas……………………………..………………… 23 2.2.1. El problema del arenamiento en pozos petroleros.……. 23 2.2.2. Arenamiento.………...…………………………………….. 24 2.2.3. Técnicas de control de arena de formación…….…….... 28 2.2.3.1. Modificación de las tasas o

velocidad de producción………..……………………….

28 2.2.3.2. Prácticas selectivas de completación……...…………. 29 2.2.3.3. Forros ranurados………...….…..………………………. 29 2.2.3.4. Rejillas o liners ranurados

sin empaque con grava…………………………………

32 2.2.3.5. Rejillas y tuberías ranuradas

con empaque de grava……..…………………………...

37 2.2.3.5.1. Rejillas pre-empacadas………………..…………….. 42 2.2.4. Guía práctica de selección

tuberías ranuradas y rejillas..…………………………..…

46 2.2.5. Caudales críticos de arenamiento……..………..………. 48 2.2.5.1. Velocidad crítica de arenamiento..…………….……… 48 2.2.5.2. Velocidad crítica de erosión………..………….………. 48 2.2.5.3. Velocidad de incidencia…………..…………..………… 48

III MARCO METODOLÓGICO 3.1. Tipo de investigación……..…………………………………. 50 3.2. Metodología de la investigación……………………………. 51 3.3. Cálculo de velocidades de incidencia

y críticas de erosión de la rejilla……………….…………...

52 3.3.1. Cálculo de velocidades de incidencia…………….......… 52 3.3.2. Cálculo de velocidades críticas de erosión…..….....…... 57

IV DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA COMPUTACIONAL…..…. 61 V DISCUSIÓN DE RESULTADOS…..……………………………. 73 V CONCLUSIONES..…………………………….…………………. 75 VI RECOMENDACIONES……………..……………….…………… 76

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………. 77 ANEXOS 1. Código fuente pantalla principal de operaciones…………………..………. 80 2. Código fuente manual de usuario………………………………...………….. 88 3. Código fuente gráficas………………………………………………...………. 89 4. Código fuente datos de pozos………………………………………...……… 99 5. Código fuente pantalla de inicio CCA……………………………..………… 102 6. Manual de usuario…………………………………………………………..…. 103

LISTA DE TABLAS

Tabla Página 1 Tamaños de aberturas de las rejillas en los

empaques de grava…………..……………………………………

36 2 Área de flujo para cada tipo de medio filtrante………..………... 39 3 Características de las ranuras……………..…………………….. 40 4 Guía practica de selección de tuberías ranuradas…………..… 47 5 Guía practica de selección de rejillas..………………………….. 47

LISTA DE FIGURAS

Figura Página 1 Limpieza de un pozo arenado……………….……………………. 25 2 La estabilidad de las cavidades cañoneadas controla

el arenamiento en formaciones de arenas consolidadas……....

27 3 La estabilidad de las estructuras de puente de arena

y de arco de arena controla el arenamiento en formaciones de arenas no consolidadas……………..…………..

28 4 Rejilla o Liner Ranurado…………….……..………………………. 33 5 Apertura recta y Apertura trapecio de las

tuberías ranuradas……………………………………………...…..

40 6 Tipos de Rejillas Pre-Empacadas………….…………………….. 44 7 Tipo de rejilla wire wrapped……………….………………………. 45 8 Algoritmo de trabajo planteado para la programación 1……..… 59 9 Algoritmo de trabajo planteado para la programación 2…….…. 60 10 Icono Setup…..……………………………………………………… 61 11 Icono de acceso directo del programa computacional CCA..…. 61 12 Pantalla de inicio del programa computacional CCA….……….. 62 13 Ventana de registro de usuario….….…………………………….. 62 14 Da inicio a la sesión si los datos

están registrados correctamente….……………………………….

63 15 Cancela la entrada y vuelve a la pantalla principal……….…….. 63 16 Pantalla de identificación….….……………………………………. 63 17 Permite desplegar la pantalla de operaciones /

herramientas para el cálculo del caudal crítico de arenamiento……………………………………………………...

63 18 Cancela la entrada y vuelve a la pantalla principal.……………. 63 19 Pantalla operacional para el cálculo del

caudal crítico de arenamiento.…………………………………….

64 20 Pantalla que indica que se debe agregar el número

de pozos totales a estudiar…………………..…………………….

64 21 El usuario debe hacer clic en el botón Aceptar para

devolverse a la pantalla operacional..…………………………….

65 22 Pantalla operacional con datos cargados por el usuario….…… 65 23 En la pantalla operacional el usuario debe indicar

si se trata de un pozo Arenado o No arenado…..……………….

66 24 Pantalla operacional, datos introducidos de forma

no editable y resultados de Velocidad de incidencia y Velocidad crítica……….………………………………………….

66 25 Carga de base de datos de pozos…………..……………………. 67 26 Pantalla de visualización de las gráficas de

velocidad de incidencia y velocidad crítica………….…………...

68 27 Botones para las gráficas de Velocidad de

incidencia, crítica e impresión del reporte generado……..……..

68 28 Ventana para el cambio de clave del usuario………..………….. 69 29 Ventana para crear y eliminar el nombre de usuario………..….. 69 30 Opciones desplegables del menú Ayuda………..………………. 70 31 Tabla para la sección de tuberías ranuradas…….……………... 70 32 Tabla para la selección de rejillas……………………………….. 71 33 Manual de uso y manejo del programa computacional CCA….. 71 34 Ventana Acerca de CCA………………………………………….. 72

35 Hoja de cálculo con datos experimentales Bach-01…………… 73 36 Resultados velocidad de incidencia y

velocidad crítica calculados mediante CCA…..………………….

74

INTRODUCCIÓN

La producción de arena ha sido un problema desde hace muchos años. La

misma ha causado enormes gastos a la industria petrolera. En el ámbito mundial se

afirma que es uno de los mayores, sino el mayor problema con el que tienen que

tratar los ingenieros en sus operaciones diarias.

La fase de las operaciones de completación en el pozo se inicia cuando finaliza la

perforación y culmina cuando el pozo se lleva a producción. Las operaciones

tradicionales de completación comprenden, sin limitarse al cañoneo, la instalación de

los empaques con grava, la acidificación, el fracturamiento y el asentamiento de la

tubería de producción y las empacaduras.

La producción de arena es onerosa, no solamente en el costo del reemplazo de

equipos, sino también en la perdida de ingresos debido a la restricción o completa

perdida de producción.

En el pasado, las tasas de producción restringida eran permitidas si el pozo

admitía producción sin producir arena, pero con los actuales problemas energéticos,

no puede ser tolerada la producción restringida en cualquier pozo. Hoy en día, la

producción de arena está causando también problemas ecológicos cuando se trata

de disponer de arena bañada en petróleo. Es obvio que se debe prevenir la

producción de arena, lo cual resultaría en un considerable ingreso de dinero.

Entre los factores que inciden en la selección de un método de control de arena

tenemos el cálculo del caudal crítico de arenamiento que requiere de extensas

correlaciones y gráficas para su estimación, por lo que surge la necesidad del

desarrollo de un programa computacional que realice dichos cálculos para poder así

ahorrar tiempos y costos al usuario, bajo un ambiente de trabajo amigable y de fácil

comprensión. Es por ello que en este trabajo de investigación encuentra

estructurado en 5 capítulos, a saber:

Capítulo I: Planteamiento del problema; donde se hace referencia a los detalles

que motivaron la investigación, explicando las características básicas de la misma.

13

Capítulo II: Marco teórico; donde se dan las referencias teóricas necesarias para

establecer un conocimiento respecto al tema a tratar.

Capítulo III: Marco metodológico; aquí se inicia la descripción de las técnicas y

herramientas utilizadas para el logro de todos y cada uno de los objetivos

propuestos.

Capítulo IV: Descripción del programa; se indica como se encuentra estructurado

el programa y se describen los procesos que el mismo realiza.

Capítulo V: Discusión de resultados; se presentan los resultados del desarrollo

del programa computacional.

CAPITULO I

EL PROBLEMA

1.1. Planteamiento del problema

La producción de arena constituye uno de los principales problemas que

confronta la industria petrolera, siendo el responsable directo de la pérdida parcial o

total de la producción de un pozo. Las causas que la originan pueden ser múltiples,

sin embargo, una vez definidas se pueden proponer diversas técnicas de control de

arena para reducir al mínimo la cantidad de arena presente en los fluidos

producidos.

Entre los factores que inciden en la selección de un método de control de arena

se tiene las tasas críticas de arenamiento, las cuales son: velocidad crítica de

arenamiento, velocidad crítica de erosión y velocidad de incidencia; cuyos cálculos

resultan de gran importancia para inferir la influencia o no que pueden tener estos

valores de velocidad en el problema de arenamiento de los pozos de un yacimiento.

En la actualidad no existen software comerciales para el cálculo de las tasas

críticas de arenamiento y su estimación se hace mediante ecuaciones y modelos

matemáticos de gran complejidad; por lo que surge la necesidad de crear un

programa computacional amigable que facilite la estimación de estos datos; y a su

vez forme parte de la plataforma de programas existentes en la Escuela de Petróleo

y el Postgrado de Ingeniería.

El desarrollo de un programa computacional para la estimación de las tasas

críticas de arenamiento contribuirá a disminuir considerablemente la incertidumbre

en los cálculos realizados y determinar más rápidamente la influencia que tiene

sobre la resistencia y durabilidad de las técnicas de control de arena antes

mencionadas, contribuyendo así a un mejor entendimiento del tema de control de

arena.

15

1.2. Justificación de la investigación

La elaboración y manejo de este programa computacional supone una mejora en

la calidad de respuesta de la Universidad del Zulia en su aporte científico.

Desde el punto de vista práctico, su implementación servirá para agilizar y

simplificar los cálculos de las ecuaciones para obtener las tasas críticas de

arenamiento.

Desde una perspectiva metodológica, la realización de este software puede

aplicarse a otras investigaciones dirigidas al estudio del control de arena, siendo

factible el uso de este producto para operaciones de campo, lo que permite tomar

decisiones en cuanto al manejo de velocidades críticas para determinar la

durabilidad de la rejilla y forro ranurado de forma rápida, disminuyendo tiempo y

costos.

1.3. Objetivos de la investigación

1.3.1. Objetivo general de la investigación

Desarrollar un programa computacional que permita calcular las tasas críticas de

arenamiento, y su impacto en la resistencia y durabilidad de las rejillas y forros

ranurados.

1.3.2. Objetivos específicos de la investigación

• Construir diagramas de flujo y algoritmos referidos a los cálculos y análisis de

las tasas críticas de arenamiento, a saber: velocidad crítica de arenamiento,

velocidad crítica de erosión y velocidad de incidencia.

• Desarrollar un programa computacional que realice los cálculos de las tasas

críticas de arenamiento.

16

• Validar la precisión de los cálculos generados por el programa computarizado

mediante un diseño de estimación de tasas críticas de arenamiento a partir de la

información obtenida.

• Elaborar el manual de manejo y uso del programa computacional.

1.4. Alcance de la investigación

El desarrollo de esta investigación permitirá realizar estimaciones con un menor

grado de incertidumbre de los cálculos de las tasas críticas de arenamiento, y

mediante estos resultados realizar los cálculos referentes a las presiones de fondo

fluyente apropiadas para que los pozos productores de petróleo no presenten

problemas de arenamiento.

Esta investigación representa un avance para el desarrollo de nuevas

metodologías predictivas que conlleven a minimizar los problemas de arenamiento

presentes en los próximos pozos petroleros a producir, así como permitir la selección

de los equipos y herramientas más apropiadas que resulten en reducción de costos

a la industria petrolera y la optimización de la producción de los mismos.

1.5. Delimitación de la investigación

• Temporal: El tiempo que se estimó para realizar el estudio es de 6 meses,

comprendidos entre abril y septiembre de 2010.

• Espacial: La investigación se llevó a cabo en la División de Postgrado,

Facultad de Ingeniería de la Universidad del Zulia, Avenida Universidad Edificio

FOBECA, N° 15C-169.

CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

En este capítulo se presentan los antecedentes y las bases teóricas de la

investigación con el propósito de ampliar los conocimientos y entender el escenario

específico donde se desarrollan las variables objeto de estudio.

2.1. Antecedentes de la Investigación

Andrade, G. (2009) Optimización del método de control de arena para el yacimiento

Icotea-Misoa del campo Urdaneta Oeste. Trabajo Especial de Grado. Universidad

del Zulia. Maracaibo, Venezuela.

El objetivo general de la investigación fue optimizar el método de control de arena

del yacimiento Icotea-Misoa para tratar de solventar el problema de arenamiento de

la mejor manera posible. La metodología utilizada fue de tipo descriptiva, explicativa,

de campo y aplicada y constó de 4 etapas: la primera fue la revisión del desempeño

histórico de las tecnologías de control de arena aplicadas hasta la fecha, la segunda

en la evaluación de los parámetros que influyen en el fenómeno de arenamiento, la

tercera en la determinación del método de control de arena más aplicable al

yacimiento en estudio mediante la aplicación del criterio de selección de Tiffin y la

creación de la matriz de evaluación, y la cuarta etapa que constó del estudio de las

diferentes tecnologías presentes en el mercado para la cual se contó con la

propuesta de cinco compañías de servicio.

El estudio concluyó que la tecnología de control de arena usada para la fecha no

cumplía con los requerimientos de vida útil y de exclusión de arena necesarios para

considerarse exitosa, además que dos métodos pueden aplicarse en distintas zonas

del yacimiento como lo son las Rejillas Premium corridas sin empaque y el Empaque

con Grava.

18

Roldan, B. (2008) Evaluación de técnicas de control de arena presentes en los

yacimientos de Edad Mioceno en la U.E. Lagomar. Trabajo Especial de Grado.

Universidad del Zulia. Cabimas, Venezuela.

En esta investigación se realizó la evaluación de las técnicas de control de arena

en primer lugar a través de la revisión y validación de las historias y carpetas de los

pozos seleccionados, con el objetivo de conocer en detalle las condiciones bajo las

cuales fueron perforados, cuales fueron las características del cañoneo de los

intervalos productores y muy en especial como ha sido el comportamiento de

producción mostrado por estos a lo largo del tiempo, enfatizándose en los eventos

relacionados con el arenamiento. Se identificaron las técnicas de control de arena

utilizadas para cada uno de los pozos en las distintas completaciones a nivel de

yacimiento de Edad Mioceno, totalizándose la cantidad de técnicas aplicadas que

formó parte de la estadística empleada en este estudio.

Seguido de esto se cuantificaron los trabajos de subsuelo ejecutados a causa de

la producción de arena, teniéndose primordialmente cinco (5) tipos de trabajo como

son las limpiezas mecánicas con Coiled Tubing, limpiezas químicas, estimulaciones,

recañoneos a través de las rejillas y reacondicionamientos. A partir de los análisis

granulométricos disponibles los autores construyeron los gráficos de análisis de

tamizado para cada una de las muestras a nivel de arenas de interés, obteniéndose

el diámetro promedio de la arena de formación (D50), desde este punto surgió la

metodología establecida por Saucier para el diseño de un control de arena óptimo,

se multiplico el D50 por cuatro (4) y por ocho (8) para obtener un rango de tamaños

de arenas de empaque con grava que posteriormente compararon con los

disponibles comercialmente a fin de determinar el tamaño de grava óptimo. Con esto

se establecieron las especificaciones de las rejillas en cuanto a su calibre, longitud

de la ranura y tolerancia de la misma.

Además se realizaron los análisis post-morten de los pozos para dar a conocer la

eficiencia de las técnicas de control de arena aplicadas a estos y las causas por las

cuales algunas de ellas fracasaron. Estadísticamente la investigación logró

recomendar el tipo de cañoneo y técnica de control de arena más conveniente.

19

Chacin, B. (2007) Evaluación de completaciones para el control de arena en los

yacimientos Boscán Superior e Inferior. Trabajo Especial de Grado. Maracaibo,

Venezuela.

Con el desarrollo de esta investigación el autor recopiló toda la información

técnica concerniente a las completaciones para el control de arena aplicadas en el

Yacimiento Boscán Superior/Inferior perteneciente al Campo Boscán a fin de

identificar aquellos afectados por el fenómeno de arenamiento. Además evaluó las

técnicas de control de arena previamente aplicadas en el área con la finalidad de

identificar aquellas que resultaron exitosas para considerar su aplicación en futuras

completaciones de pozos particularmente en el área Norte de Campo Boscán, donde

se presentaba la mayor problemática por producción de arena. Se revisaron distintas

muestras de arena de fondo y análisis a núcleos de pozos a distintas profundidades,

y se obtuvo una mayor aproximación de la distribución granulométrica de las arenas

productoras presentes en el campo. Producto del análisis de la información técnica

recopilada concerniente a las completaciones para el control de arena aplicada

previamente en el campo y la evaluación de la eficiencia, se determinó que la más

factible y que históricamente ha mostrado mejor desempeño es el empaque con

grava a hoyo abierto.

Sanabria, M. (2007) Diseño de una celda de evaluación de rejillas y tuberías

ranuradas para el control de arena. Trabajo Especial de Grado. Maracaibo,

Venezuela.

Esta investigación tuvo como finalidad el diseño de un equipo (celdas de

desplazamiento) para la evaluación de la eficiencia de las rejillas y tuberías

ranuradas para de esta manera estandarizar los criterios de selección de dichos

métodos. Las correlaciones matemáticas y la metodología de trabajo empleadas

para el cálculo de la eficiencia de los métodos de control de arena anteriormente

mencionados sirvieron de gran apoyo para el desarrollo de ecuaciones y algoritmos

necesarios para el diseño del software para el cálculo de los caudales criticas de

arenamiento planteados por la investigación.

20

Fernández, F. y Yee, Y. (2006) Técnicas de cañoneo, estimulación y empaque en un

solo viaje “One Trip Completion”. Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia,

Núcleo Costa Oriental del Lago. Cabimas, Venezuela.

El objetivo de esta investigación fue determinar la factibilidad de aplicación de la

técnica del cañoneo, estimulación y empaque en un solo viaje “One Trip Completion”

en los pozos del área Bachaquero Lago. Las autoras describieron la primera

aplicación de esta técnica en el lago de Maracaibo, mostrando las consideraciones

de planificación, ejecución y evaluación de esta tecnología, donde se obtuvieron

resultados satisfactorios para reducir el tiempo de completación y los costos

asociados, por la combinación de las operaciones de cañoneo, estimulación y

empaque, ahorrando en promedio 17 horas de taladro. Como resultado, los pozos

fueron puestos en producción en promedio 0,7 días antes del tiempo requerido por

los métodos convencionales.

Guerra, G. (2006) Técnicas de cañoneo utilizadas en el área de Urdaneta Pesado

para el control de arena. Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia, Núcleo

Costa Oriental del Lago. Cabimas, Venezuela.

La investigación estuvo orientada a evaluar las técnicas de cañoneo utilizadas en

los pozos verticales a hoyo revestido de la Segregación Urdaneta Pesado,

específicamente del Campo Urdaneta Oeste. Este estudio se centró en determinar la

influencia que ejerce la densidad del disparo sobre la tubería del revestimiento,

cemento y formación considerando el diámetro y la penetración alcanzada por la

carga utilizada. Esta investigación abarcó el estudio de 42 pozos que fueron

cañoneados y recañoneados en el área Urdaneta Pesado entre los años 2000-2005.

A través de la interpretación de los datos obtenidos de las diferentes fuentes de

PDVSA, se determinó que el 50% de los pozos que presentaron problemas de

arenamiento fue debido a operaciones de empaque ineficientes posterior al trabajo

de cañoneo y el resto se debió al mal diseño de empaque y cambios en la frecuencia

de la bomba electrosumergible en pozos que operen con este método.

Se evaluó la producción de petróleo en los pozos cañoneados con cañones

transportados por tubería (TCP) y con guaya (Casing Gun), obteniendo

estadísticamente una diferencia del 32% a favor de la técnica TCP. Los pozos que

21

fueron cañoneados tanto en el miembro B-X.S/D como en la formación Icotea, se le

realizaron simulaciones con el programa SPAN 7.2, determinándose una mayor

compresibilidad en la roca de la formación Icotea en comparación con el miembro B-

X.S/D.

García, M. (2006) Análisis y diseño de cañoneo en los pozos verticales asociados a

las parcelas A-241, A-242, A-243, y la franja del kilómetro del Yacimiento BACH-01.

Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela.

Esta investigación se fundamentó en un análisis probabilístico del

comportamiento de producción para las parcelas A-241, A-242, A-243, y La Franja

del Yacimiento Bach-01, para establecer la densidad de cañoneo óptima que

garantice el mayor ganancial de producción de barriles netos.

La autora realizó cálculos de velocidades de incidencia y velocidades críticas de

erosión en rejillas de acero, para determinar la combinación de cañoneo óptima, es

decir, (densidad de cañoneo- tipo de cañón) para los pozos verticales a hoyo

entubado del yacimiento Bach-01. Además, se realizó un análisis económico que

permitió establecer la rentabililidad económica del tipo de cañón propuesto en el

estudio. Finalmente los resultados del estudio fueron los siguientes; la velocidad

crítica de erosión en rejillas de acero fue de 17pie/seg, y el arreglo de cañoneo

óptimo para los pozos verticales fue de (8-12) TPP-Big Hole.

González, A. y Rincón, J. (2001) Estudios de tecnologías de control de arena en el

yacimiento Basal La Rosa. Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia.

Maracaibo, Venezuela.

El objetivo principal de la investigación fue evaluar la influencia de la producción

de arena en el aporte de crudo de la formación para seleccionar en cuales pozos ha

sido exitoso o no el equipo de control de arena presente en ellos. Se realizaron

análisis granulométricos de núcleo y de muestras de fondo y de superficie que

determinaron el tamaño de grava a utilizar en las tecnologías de control de arena

propuestas con la aplicación de una metodología de diagnóstico que evaluó la

prospectividad de fracturamiento hidráulico arrojando los pozos candidatos a fractura

y empaque simultáneo. Posteriormente, los autores realizaron las simulaciones

22

correspondientes con el simulador de producción Wellflo y se obtuvo el impacto de

los equipos en la producción de los pozos.

Martínez, R. y Zurria, A. (2000) Control de la producción de arena en los pozos

horizontales en el Campo Bachaquero Lago. Trabajo Especial de Grado.

Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela.

Este estudio se basó principalmente en determinar cual de los métodos de control

de arena aplicados en los pozos horizontales del Campo Bachaquero Lago ha sido

el más eficiente, para luego proponer recomendaciones a tomar en cuenta en

completaciones futuras.

Con la realización de este trabajo se pudo conocer que en la zona de estudio se

han implementado el uso de forros ranurados y rejillas preempacadas como técnicas

de control de arena, y aun así existen grandes problemas de producción de arena,

ocasionando perdidas de hasta un 79% de la producción. La recomendación más

importante generada por los autores fue la de realizar empaques con grava en

completaciones futuras.

Fraioli, G. (2000) Control de arena en pozos del yacimiento Bachaquero-01. Trabajo

Especial de Grado. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela.

Este trabajo se llevó a cabo con el objeto de determinar las causas que

ocasionan el arenamiento en los pozos del Yacimiento Bachaquero-01 y generar

propuestas que puedan incorporar la producción asociada a este problema al menor

costo y tiempo.

Se realizó la selección de los pozos arenados en el yacimiento durante el período

1994-1999, seguidamente se hizo una revisión histórica de producción y

completación a cada pozo involucrado con la cual se realizó el análisis estadístico.

Se llevaron a cabo pruebas de granulometría, en muestras de núcleo y de fondo,

dando como resultado la utilización de un tamaño de grava 20-40 para el proceso de

empaque con grava en los pozos yacimientos.

23

Se calculó la velocidad de incidencia de los pozos, donde se observó la influencia

directa de la misma en el arenamiento de estos. Se realizaron sensibilidades de la

velocidad de incidencia a través del pozo modelo del yacimiento, la cual dio como

resultado para los pozos del mismo, un diseño de cañoneo de 12 TPP con un cañón

del tipo Big Hole. Se emitieron recomendaciones de rehabilitación para los pozos

estudiados, considerando el estado actual de los mismos y los gananciales

asociados.

Márquez, R. (1998) Diagnóstico y predicción para el análisis del arenamiento en

pozos productores de petróleo. Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. Maracaibo,

Venezuela.

El trabajo desarrollado por el autor presenta una metodología a seguir que

permite caracterizar el yacimiento, definir las variables de mayor incidencia en la

producción de arena, identificar el modelo matemático más adecuado para predecir

la tasa máxima libre de arena y en función de los resultados decidir si se puede

colocar a producir una formación sin el uso de algún equipo especial de control de

arena, reduciendo costos y aprovechando racional y eficientemente los recursos del

pozo.

2.2. Bases Teóricas

En esta sección se revisan los conceptos básicos que se deben tener presentes

al momento de estimar el caudal crítico de arenamiento y su efecto en la resistencia

y durabilidad de rejillas y forros ranurados debido a que, un entendimiento básico de

los conceptos vinculados con el proceso de control de arena es necesario para

realizar dichos cálculos y estimaciones.

2.2.1. El problema de arenamiento en pozos petroleros

La producción de arena constituye un problema serio en muchos pozos de

petróleo de todo el mundo. En yacimientos de arenas no consolidadas la producción

de arena, puede dañar los equipos de fondo de pozo; los equipos submarinos y las

instalaciones de superficie, aumentando el riesgo de fallas irreversibles; e implica

24

para los productores, un alto costo de decena de millones en dinero por año. Los

operadores han adoptado un enfoque multifacético para el control de la producción

de arena debido a su complejidad.

Los especialistas en yacimientos que procuran manejar este problema en forma

eficaz deben enfocarse en la optimización de la producción (predicción, prevención,

vigilancia rutinaria y control de la producción de arena).

Los granos de arena sueltos son movilizados ante ciertos niveles de caída de

presión, velocidad y viscosidad del fluido. Una vez producidas en el interior del pozo,

estas partículas pueden provocar estragos aguas abajo por lo que generados en

grandes cantidades, los granos de arena erosionan los tubulares y pueden

convertirse en obstrucciones fijas o móviles. La capacidad de erosión de la arena

producida depende del volumen, velocidad de las partículas y el ángulo de impacto.

El diseño del mecanismo de control de arena a ser utilizado en un pozo es de

gran importancia para el mantenimiento y vida productiva del mismo. Para una

adecuada selección del método de control de arena a utilizar en un pozo es

necesario evaluar los diseños existentes en el campo y los costos asociados al

mismo, así como también se debe evaluar: el yacimiento y sus características de

presión y temperatura, litología, estratigrafía, mineralogía, etc. De esta forma se

podrá elegir la completación adecuada, al menor costo posible.

2.2.2. Arenamiento

Es el fenómeno donde material de la formación viaja hacia el pozo y la superficie

como parte de los fluidos producidos. Resulta de la obturación del espacio anular o

la formación de puentes. A medida que el yacimiento descarga petróleo hacia el

pozo, con el tiempo se va acumulando arena y sedimento en el fondo del mismo.

Esta acumulación puede ser de tal magnitud y altura que puede disminuir

drásticamente o impedir completamente la producción del pozo.

Los casos de arenamiento son más graves y más frecuentes cuando los estratos

son deleznables. Cuando se dan estratos de este tipo, la completación del pozo se

25

hace de manera que, desde el inicio de la producción, el flujo de arena y sedimentos

sea lo más bajo posible. Para lograr esto, el tramo de la sarta de revestimiento y de

producción que cubre el estrato productor es de tubos ranurados. Las ranuras,

cortadas de afuera hacia adentro y de apariencia cuneiforme, tienen una abertura lo

suficiente estrecha (según análisis granulométrico de la arena), para retener la arena

y lograr que el apilamiento de los granos sea compacto y estable y, por ende, no

fluyan junto con el petróleo hacia el pozo. Además del método anterior, existen otras

modalidades para contener el flujo de arena. Hay tuberías ranuradas y

preempacadas, o sea que la tubería ranurada interna viene cubierta por otras

tuberías internas y el espacio anular entre estas dos tuberías está relleno de arena o

material granular, lo que en sí forma un filtro prefabricado.

El arenamiento de los pozos es de ocurrencia muy común. Y para mantener los

pozos en producción plena se recurre a limpiarlos (ver Figura 1) utilizando fluidos

debidamente acondicionados que se bombean progresivamente hasta el fondo para

extraer la arena y los sedimentos hasta la superficie por circulación continua.

Figura 1. Limpieza de un pozo arenado. (Barberii, 1998)

Además de disminuir la capacidad productiva del pozo, la presencia de arena en

el pozo es dañina porque a medida que fluye con el petróleo causa corrosión o

abrasión de las instalaciones en el pozo y en la superficie. En el caso de pozos de

flujo natural, la velocidad del flujo hace que la arena y los sedimentos acentúen su

poder de desgaste sobre las instalaciones. En los pozos de bombeo mecánico, a

26

veces, es muy serio el daño que la arena causa a la bomba y sus partes,

principalmente a las varillas de succión, al vástago pulido y a la sarta eductora.

El fenómeno de arenamiento tiene su origen cuando los esfuerzos

desestabilizadores (esfuerzos de arrastre y gradientes de presión) son mayores que

la resistencia mecánica de la formación. Cuando estos esfuerzos son mayores que

la resistencia ocurre una inestabilidad causando desprendimiento del material de la

formación. Este desprendimiento puede ser en forma de granos individuales de

arena que se producen continuamente o pedazos enteros de la formación. Este

desprendimiento de partículas no ocurre todo súbitamente, sino que va aumentando

hasta llegar a cantidades catastróficas de arenas, por lo que se deben identificar los

pozos que estén produciendo poca cantidad de arena para tomar medidas

especiales, ya que una vez que estos llegan a tasas críticas no hay manera de

detener la producción de la misma.

Basándose en el nivel de la cantidad de arena producida, se pueden identificar

tres grados de severidad del problema de arenamiento, que a su vez conlleva a tres

niveles de impacto económico. El primer nivel ocurre cuando la producción de arena

es baja causando desgaste del equipo que tiene que ser reemplazado; a veces

también es necesario disminuir la producción para que no ocurra dicho fenómeno y

por lo tanto crea un potencial de producción diferido. El segundo nivel ocurre cuando

la producción es mediana; adicionalmente al impacto técnico y económico del primer

nivel también ocurre taponamiento en tuberías que causan el cierre del pozo, lo cual

implica un mayor impacto económico por los gastos adicionales de RA/RC y la

pérdida total de producción del mismo.

El tercer nivel y de mayor gravedad, ocurre cuando la producción de arenas es

muy alta, ya que ocurren todos los problemas técnicos y económicos anteriormente

descritos, pero adicionalmente la gran cantidad de arena producida deja cavernas

enormes alrededor del revestidor y este podría colapsar perdiéndose por completo el

pozo. Un pozo con problemas de arenamiento que no se le preste la atención

necesaria, irá progresando por estos niveles y su condición irá empeorando con el

tiempo; se debe tratar de evitar a todo costo llegar a este último nivel del problema.

27

Desde un punto de vista fenomenológico, el arenamiento tiene su origen en que

la formación no tiene la suficiente resistencia para poder soportar los esfuerzos

desestabilizadores, compuestos por esfuerzos de arrastre generados por los

movimientos de fluidos a través de si misma y esfuerzos generados por los

gradientes de presión en la vecindad del pozo. La resistencia al arenamiento viene

dada por la resistencia mecánica de la formación y por la capacidad de los granos

individuales de las arenas de oponerse a ser transportados a través de las

perforaciones por donde pasan los fluidos del yacimiento hacia el pozo.

Cuando estos esfuerzos desestabilizadores son superiores a la resistencia

mecánica de la formación, se producen desprendimientos de partículas o pedazos

de la formación, los cuales son transportados por los fluidos producidos creándose el

problema de arenamiento. Esta producción de sólidos de la formación puede ser

continua o intermitente; en este último caso, grandes cantidades de arenas son

producidas en intervalos discretos seguidos de períodos de flujo sin sólidos.

En rocas consolidadas, la resistencia al arenamiento viene dada por el grado de

estabilidad de las cavidades producto de las actividades de cañoneo (Ver Figura 2).

Si estas cavidades son estables durante la vida del pozo, nunca existirá

desprendimiento de partículas que son las causantes del arenamiento.

Figura 2. La estabilidad de las cavidades cañoneadas controla el arenamiento en

formaciones de arenas consolidadas. (Vásquez, 2008)

28

En rocas de arenas no consolidadas la resistencia al arenamiento viene dada por

el grado de estabilidad de las estructuras de puente de arena (sand bridge) y/o de

arco de arena (sand arch) que se forman en las entradas de orificios por donde fluye

el hidrocarburo; como pueden ser las aperturas de una rejilla, garganta de poros de

las gravas de empaques o los orificios cañoneados (Ver Figura 3). Si estas

estructuras son estables durante la vida del pozo, nunca existirá desprendimiento de

partículas que son las causantes del arenamiento.

Figura 3. La estabilidad de las estructuras de puente de arena y de arco de arena

controla el arenamiento en formaciones de arenas no consolidadas. (Vásquez, 2008)

2.2.3. Técnicas de control de arena de formación

Existen muchas técnicas para controlar la producción de arena en pozos, las

cuales van desde simples cambios en las prácticas de operación y producción de los

pozos, hasta costosos equipos de completación; todos ellos con el propósito de

controlar el movimiento de partículas de la formación hacia la boca del pozo. El

método de control seleccionado depende de las condiciones específicas del sitio, las

prácticas operativas y factores económicos. Algunas de las técnicas existentes para

el control de arena son:

2.2.3.1. Modificación de las tasas o velocidad de producción

La modificación de la velocidad o tasa de producción representa un medio pasivo

de control de arena de la formación, se fundamenta en una reducción de la

29

velocidad en el área cercana a la boca del pozo (en la cara de la arena) mediante la

restricción de las tasas de producción, disminuyendo la caída de presión en la cara

de la formación. Este método de control de arena permite el uso de técnicas de

completación sencillas con la desventaja de limitar los volúmenes de producción, ya

que se produce a tasas inferiores a las tasas críticas de arrastre o de inestabilidad

de la matriz de los granos de la formación. Por otra parte, las propiedades de la roca

cambiarán a lo largo de la vida del pozo y esto puede inducir producción de arena

incluso a velocidades o tasas de producción restringidas.

2.2.3.2. Prácticas selectivas de completación

Las prácticas selectivas de completación representan otro medio pasivo de

control de arena de la formación, basado en la integridad o resistencia de la

formación. En arenas de mayor resistencia a la compresión es posible obtener un

mayor diferencial de presión que normalmente permitirá tasas y velocidades de

producción mas elevadas sin que comience la producción de arena. Sin embargo,

este método puede limitar la cantidad de zonas que pueden ser perforadas,

limitando la producción total del pozo.

2.2.3.3. Forros ranurados

Los forros ranurados se fabrican con los tubulares estándares que se utilizan en

los campos petroleros, abriendo una serie de ranuras longitudinales a través de la

pared del tubo con hojas de sierra o más recientemente, cortadores de rayos láser.

El ancho de la ranura se dimensiona para que sea un poco menor que el grano de

arena de empaque más pequeño. Las ranuras pueden ser rectas o en forma de

trapecio. La ranura en forma de trapecio es más estrecha en la cara exterior del

tubo, en comparación con la parte interior. Las ranuras de este tipo poseen un área

de sección transversal en forma de “V” invertida y presentan una tendencia menor a

taponarse, pues las partículas que pasan a través de la ranura en el diámetro

exterior de la tubería siguen fluyendo y no se quedan alojadas dentro de la ranura.

La longitud de las ranuras individuales se calibra en el diámetro interior del tubo.

La práctica usual aconseja tener ranuras de 1-½ pulgadas de longitud para anchos

30

de 0.030” hasta 0.060” y ranuras de 2-½ para anchos de 0.060 y mas. La tolerancia

para el ancho de las ranuras suele ser de más o menos 0.030” para anchos de 0.040

y más, y más o menos 0.002” para anchos menores de 0.040”.

Los forros ranurados pueden ser fabricados en diferente geometría. El patrón en

zigzag de ranura sencilla suele ser el preferido, pues permite conservar más de la

resistencia original. El patrón en zigzag también da una distribución de ranuras más

uniforme en el área superficial de la tubería. La separación longitudinal entre dichas

hileras de ranuras suele ser de 6”.

Los forros ranurados se diseñan, generalmente, para tener un 3% de área abierta

en relación con el área superficial del diámetro exterior de la tubería, si bien en

algunos casos es posible tener áreas abiertas de hasta 6%. El número de ranuras

por pie que se requieren para lograr un área abierta dada, se calcula mediante la

ecuación que se indica abajo:

WLDCN

100012π

= (1)

Donde:

N = número de ranuras requeridas/pie (si N < 32, redondee al múltiplo más

cercano de cuatro; si N > 32, redondee al múltiplo mas cercano de 8).

π = constante, (3.1416)

D = diámetro exterior de la tubería, (pulgadas).

C = área externa requerida, (porcentaje)

W = ancho de la ranura, (pulgada)

L = longitud de la ranura medida en diámetro interior de la tubería, (pulgadas).

El proceso para abrir las ranuras reducirá la resistencia de la tensión que

presentaba la tubería. Esta resistencia en un forro ranurado fabricado con un patrón

en zigzag de ranuras sencillas, pueden estimarse mediante la ecuación siguiente:

( ) ( )( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−

−=

44

22 dDNWdDTmπσ (2)

31

Donde:

Tm = Tensión máxima permitida (libras)

σ = resistencia a la tensión del material de la tubería (libra por pulgada cuadrarda)

π = constante, (3.1416)

D = diámetro exterior de la tubería, (pulgadas).

d = diámetro interior de la tubería, (pulgadas).

N = número de ranuras/pie.

W = ancho de la ranura, (pulgada)

El costo es la ventaja principal del forro ranurado en comparación con la rejilla.

Las desventajas del primero son el área de flujo limitada (lo cual origina una baja

tolerancia al taponamiento) y un tamaño mínimo de ranura que realmente resulta

práctico es de unas 0.020 pulgadas de ancho, las cuchillas de sierra que se utilizan

para cortar los forros se hacen mas delgadas y se rompen con facilidad. Las

cuchillas rotas con frecuencia quedan atrapadas en las ranuras e interfieren con el

área de flujo disponible. Otro problema potencial que se presenta cuando el ancho

de la ranura es menor a 0.020 pulgadas, cuando se trabaja con tuberías estándar de

acero al carbono, es la corrosión que puede obstruir las ranuras o, en algunos

casos, aumentar el ancho, de manera tal que el forro ya no puede controlar bien la

arena.

Los forros ranurados deben ser limpiados de rebabas en su diámetro interior,

removiendo también cualquier otro tipo de desecho. El proceso estándar consiste en

un rimador que se mueve a lo largo de todo el diámetro interior de la tubería. Al

mismo tiempo, un chorro de agua a alta velocidad y volumen, dirigido desde la parte

exterior de la tubería, empuja el ripio hacia el interior de ésta, desde donde serán

removidos por un rimador. Este proceso permite remover un 95% de todas las

rebabas y virutas. Se puede también realizar un proceso adicional cuando se ha

planificado la instalación de empacaduras dentro del forro ranurado. Después de la

remoción usual para la remoción de las rebabas, el diámetro interior se lava con

chorro de agua a alta presión y un abrasivo. Este lavado con chorro a alta presión

permite lograr un diámetro interior suave y eliminar todas las rebabas.

32

2.2.3.4. Rejillas o liners ranurados sin empaque con grava

Las rejillas o liners ranurados sin empaques con grava, constituyen la manera

más sencilla de controlar la producción de arena en pozos horizontales dependiendo

lógicamente del grado de consolidación de la arena a producir. Este mecanismo

debe emplearse, sólo si se tiene una arena bien distribuida y limpia, con un tamaño

de grano grande, porque de lo contrario la rejilla o forro terminará taponándose.

Las rejillas y liners actúan como filtros de superficie entre la formación y el pozo,

puesto que el material de la formación se puentea a la entrada del liner. Las rejillas y

los liners ranurados previenen la producción de arena basados en el ancho de las

ranuras o aperturas para el flujo, denominado también calibre, creando así un filtro

que permite la producción de petróleo.

Existen varios criterios para diseñar las aberturas del liner ranurado, en algunos

casos, se dimensionan de manera que su tamaño duplique el diámetro del grano de

arena de formación en el percentil cincuenta de la arena (D50), en otros casos, se

diseñan para que su tamaño triplique el percentil diez más pequeño de la arena

(D10). Estos criterios de dimensionamiento se derivan de varios estudios, en los

cuales se determinó que un grano de arena de formación forma un puente en la

abertura de una ranura cuyo tamaño sea dos o tres veces el diámetro del grano,

siempre y cuando dos partículas traten de entrar en la ranura al mismo tiempo.

Evidentemente, la formación de estos puentes requiere que haya una

concentración suficiente de arena de formación que trate de penetrar la rejilla o liner

al mismo tiempo. En otras palabras funcionan como filtros de superficie, puesto que

el material de la formación se puentea en su superficie. Las rejillas y liners ranurados

previenen la producción de arena basados en el ancho de las ranuras. La Figura 4

presenta un liner ranurado típico.

33

Figura 4. Rejilla o Liner Ranurado. (Aguirre-Vivas 2004).

Una de las limitaciones más rápidamente identificables de las rejillas solas o liner

ranurado como una técnica de control de arena, es la corrosión de las ranuras antes

de que ocurra el puenteo.

Si los puentes que se han formado no son estables, pueden romperse cuando

cambie la tasa de producción o cuando se cierre el pozo. Ahora bien, debido a que

los puentes pueden romperse, es posible que la arena de la formación se

reorganice, lo cual, con el tiempo, tiende a ocasionar la obstrucción de la rejilla o

liner. Por tanto, cuando se utilice esta técnica para controlar arena de formación, el

diámetro de la rejilla o liner debe ser lo más grande posible, con el fin de minimizar la

magnitud de la reorganización de los granos que pueda ocurrir.

Para que una rejilla o liner ranurado sean eficaces, deberán utilizarse

exclusivamente en formaciones de permeabilidad relativamente elevada, que

contengan poca o ninguna arcilla y cuyos granos de arena sean grandes y estén

bien distribuidos. Si la formación presenta suficiente arcilla, los puentes de arena

que se forman en la rejilla o en el liner podrían obstruirse. Si el intervalo de tamaño

de las partículas de arena es amplio y/o diverso, es posible que la rejilla o liner

ranurado se obstruya con granos de arena.

Los pozos de petróleo y/o gas con arenas bastantes sucias y con tamaños de

granos pequeños, son normalmente formaciones no-uniforme. Esto no permitirá un

apropiado puenteo de la arena de la formación sobre la rejilla o liner. En la mayoría

34

de los casos algún puenteo ocurrirá pero con una reducción de la producción debido

a la invasión de las partículas más pequeñas en las aberturas de las rejillas de

alambre enrollado. Esto en efecto limita el uso de rejilla sola o liner como una técnica

para controlar la arena de la formación.

Otro factor sería el tipo de formación (friable, parcialmente consolidada ó no

consolidada). Las formaciones friables posiblemente nunca colapsaran alrededor de

la rejilla o liner, pero producirán cantidades pequeñas de arena durante la

producción del fluido. Las arenas parcialmente consolidadas y las arenas no

consolidadas se derrumbarán y llenaran las perforaciones y el espacio entre el

revestidor y la rejilla con la subsecuente reducción de la permeabilidad en las

perforaciones y en el espacio del revestimiento/rejilla. La experiencia indica que las

completaciones con rejillas solas en hoyo abierto, la formación rara vez colapsa

totalmente sobre la rejilla, lo que pueda permitir el transporte de material taponante a

la superficie de la misma.

La productividad inicial de las completaciones con rejillas solas es generalmente

buena, pero la declinación de producción subsecuente es típica. Las rejillas suelen

no ser muy exitosas en muchos pozos consecuencia del taponamiento de las

ranuras de la rejilla y posterior declinación de la producción.

La selección entre rejilla y liner ranurado se basa fundamentalmente en factores

económicos. El liner ranurado es menos costoso, pero presenta limitaciones de

anchura de las ranuras y, por lo general, tiene menos área de flujo disponible. Por su

parte, las rejillas pueden tener aberturas mucho más grandes y un área de flujo

mayor, pero resultan más costosas.

Entre las ventajas de las rejillas solas o “liners” ranurados se tiene:

• Fáciles de correr.

• Pueden ofrecer un control de arena razonablemente bueno en condiciones

adecuadas.

35

Por otra parte, entre las desventajas que presentan las rejillas solas o “liners”

ranurados encontramos:

• Si el puente que se ha formado no es estable, y se rompe, el “liner” o rejilla

puede obstruirse con el tiempo debido a la reorganización de la arena de formación.

• En pozos de alta tasa hay la posibilidad de que ocurra una falla del “liner” o

rejilla por erosión antes de que se forme el puenteo.

• Adecuados únicamente para formaciones de granos grandes y bien

distribuidos, alta permeabilidad y poca o ninguna arcilla.

• Un área de flujo limitada (que crea una baja tolerancia al taponamiento) y un

tamaño de ranura disponible mínimo. El tamaño mínimo de ranura, que

generalmente resulta práctico, es aproximadamente 0.020 pulgadas de ancho en

comparación con 0.006 pulgadas en la rejilla convencional. Para tamaños de ranura

menores a 0.020 pulgadas, las hojas de la sierra son delgadas y éstas pueden

romperse fácilmente. Esta tendencia a romperse rápidamente suma tiempo y costos

al proceso de manufactura. Las hojas rotas frecuentemente quedan atrapadas en la

ranura interfiriendo con el flujo de área disponible.

• Otro problema potencial que se presenta cuando el ancho de la ranura es

menor que 0,020 pulgadas, cuando se trabaja con tuberías estándar de acero al

carbono, es la corrosión que puede obstruir las ranuras o, en algunos casos,

aumentar el ancho, de manera tal que la tubería ranurada no pueda controlar bien la

arena.

La experiencia sugiere que en las completaciones con rejillas solas en hoyo

abierto, la formación rara vez colapsa totalmente sobre la rejilla, dejando así un

anular abierto para transportar material taponante a la superficie de la rejilla. La

productividad inicial de las completaciones con rejillas solas es generalmente buena,

pero la declinación de producción subsiguiente es típica. Muchas fallas de pozos se

han registrado como consecuencia del taponamiento de las rejillas y la declinación

de la producción.

36

Generalmente, el ancho de la ranura o el calibre de la rejilla deberían

dimensionarse de manera tal que se ajusten al tamaño de grano de la arena de

formación, para el 10% más grande. Dado que el 10% de los granos de arena

mayores serán retenidos por las aperturas de la ranura de la tubería, el 90% restante

de la arena de formación será detenido por la arena de granos más grandes.

Las tuberías ranuradas son manufacturadas cortando las aberturas de la ranura

en los tubulares usados en el campo petrolero con una sierra rotatoria. Los "liner"

son fabricados en una variedad de geometría. El ancho mínimo de la ranura que se

puede obtener es de aproximadamente 0.012 ó 0.010 pulgadas; sin embargo,

ranuras con anchos por debajo de 0.030 pulgadas de espesor involucran costos

altos debido a la pérdida de tiempo por fallas contínuas en las hojas de la sierra que

se recalientan, se deforman y se rompen.

A continuación la Tabla 1 muestra los diferentes tamaños de aberturas de las

rejillas en los empaques de grava.

Tabla 1. Tamaños de aberturas de las rejillas en los empaques de grava. (Sanabria,

2007).

Tamaño

U.S

Mesh

Tamaño

Arena

Grava(in)

Diámetro

promedio

aprox. (in)

Abertura de la

rejilla

(in)

Tuberías

ranuradas

(in)

3/4 0.187x0.265 0.226 - -

4/6 0.132x0.187 0.160 - -

6/10 0.079x0.132 0.106 - -

8/10 0.079x0.094 0.0865 - -

8/12 0.066x0.094 0.0800 - -

10/14 0.056x0.079 0.0675 - -

10/16 0.047x0.079 0.0630 - -

10/20 0.033x0.079 0.0560 - -

10/30 0.023x0.079 0.0510 - -

12/18 0.039x0.066 0.0525 - 0.035

12/20 0.033x0.066 0.0495 0.020 0.030

37

16/30 0.023x0.047 0.0350 0.016 0.020

20/40 0.017x0.033 0.0248 0.012 0.012

30/40 0.012x0.023 0.0198 0.012 0.012

40/50 0.012x0.0165 0.0141 0.008 0.008

40/60 0.01x0.0165 0.0132 0.008 0.008

40/70 0.01x0.0165 0.0132 0.008 0.008

40/100 0.006x0.0165 0.0112 - -

50/60 0.01x0.0117 0.0108 - -

60/70 0.008x0.0093 0.0088 - -

Mientras los "liner" ranurados son usualmente menos costosos que las rejillas

convencionales, ambos tienen un área de flujo pequeña y experimentan caídas de

presiones grandes durante la producción. Los "liner" ranurados también se taponan

más fácilmente que las rejillas y se usan donde la productividad del pozo es baja y

los costos no permiten el uso de rejillas.

2.2.3.5. Rejillas y tuberías ranuradas con empaque de grava

Los empaques de gravas constituyen el método de control de arena

frecuentemente usado en pozos verticales o desviados en arena poco no

consolidadas, son filtros de fondo que previenen la producción no deseada de arena

de formación. Consisten en la colocación de grava cuidadosamente seleccionada,

que actúa como filtro entre arena de formación y el "liner" o rejilla, es decir, la arena

de formación se mantiene en su sitio gracias a la acción de una arena de empaque

debidamente dimensionada, la cual será sostenida por una rejilla o tuberías

ranuradas. A continuación se presentan los criterios de diseño para rejillas y tuberías

ranuradas con EDG (Empaque de Grava Externo):

Selección y dimensionamiento

La selección del tamaño de la rejilla y sus dimensiones depende de varios

aspectos a tomar en cuenta:

38

• El historial de los tamaños de los distintos tipos de rejillas instaladas con éxito

en el área.

• Puenteo del anular debido a la capacidad de transporte restringida del fluido y

a su velocidad.

• Las caídas de presión a través y a lo largo de la rejilla, particularmente en

pozos horizontales largos y con alto caudal.

• El riesgo de erosión debido a las altas velocidades anulares resultantes del

taponamiento parcial de las rejillas.

Diámetro y longitud de las rejillas y tuberías ranuradas con empaque de grava

La selección del diámetro interno y externo depende de ciertos factores aunque

los fabricantes de rejillas y los operadores tienden a utilizar reglas desarrolladas por

ellos mismos. Aunque los operadores y las compañías de servicios toman 1” como

valor limite del diámetro externo, este dependerá de las condiciones del pozo con

respecto a su diámetro o la desviación y con el tipo de fluido a producir. La longitud

de las rejillas también depende de alguno de los factores ya mencionados, es

práctica común el suponer que hará falta instalar rejillas a lo largo de todo el

intervalo a través del yacimiento. La instalación de rejillas puede justificarse para

secciones de yacimiento menores a 250 pies, en donde la relación de costos es

manejable, pero en cuanto a intervalos más prolongados, los costos de completación

pueden ser bastante elevados. En esos casos, se debe llevar a cabo una evaluación

a fin de determinar de manera realista cuales secciones del pozo necesitan rejillas.

Área de flujo

El área de flujo debe de ser lo más extensa posible, en especial si existe una

expectativa de alta erosión o de corrosión. En los pozos con problemas de escamas,

la acumulación de éstas reducirá el área de la ranura e inducirá a una contrapresión

39

y taponamiento, para las rejillas con medios filtrantes muy complejos, se dificulta

determinar el área de flujo. (Ver Tabla 2).

Tabla 2. Área de flujo para cada tipo de medio filtrante. (Tovar, 2008)

Tipo de filtro Área de flujo (%)

Tuberías ranuradas 1.5 - 6

Wire Wrapped 6 – 12

Pre empacadas 30

Premium 50 – 70

Criterios de diseño de tubería ranurada y rejillas con empaque de grava

Las tuberías ranuradas son usadas para evitar la producción de arena del

empaque con grava. Como su nombre lo dice son tuberías con ranuras donde el

ancho de éstas debe controlarse rigurosamente para que la grava del empaque

quede retenida en las aberturas de la tubería. El ancho de las aberturas también es

llamado calibre, no es más que las pulgadas del ancho de la abertura multiplicado

por mil (1.000). El calibre de la tubería ranurada o rejilla se diseña de tal forma que

sea igual a 2/3 el tamaño de grava más pequeño seleccionado para el empaque,

redondeado al calibre comercial más cercano inferior. Así, por ejemplo, para una

grava 16/30, el tamaño menor de la grava en pulgadas es 0.0232" (correspondiente

al tamiz 30), 2/3 de este valor es 0.0155", al compararlo con las ranuras comerciales

tomamos en inmediato inferior correspondiente a un calibre de tubería ranurada

0.015".

El calibre de la ranura debe ser tal que no deje pasar la grava o la arena de

formación, pues si esto sucede el empaque se puede asentar y se mezclaría con la

arena de formación o se crearía un espacio vacío produciéndose arena de

formación. Por esta razón, el ancho de las ranuras debe ser un poco menor que el

grano más pequeño de la grava a usarse. Si el caso es una completación con

tubería ranurada empacada con grava, la ranura debe de ser diseñada tomando en

cuenta los granos de formación D50 o, por lo menos, 2/3 menor que el grano más

pequeño de la grava. La ranura puede ser recta o en forma de trapecio. La ranura en

40

forma de trapecio es más estrecha en la cara exterior del tubo, en comparación con

la parte interior y tiende menos a taponarse, porque las partículas pasan a través de

la ranura en el diámetro exterior y no se quedan alojadas dentro de la ranura. La

medida de las ranuras individuales se calibra en el diámetro interior del tubo según

la Tabla 3 que se muestra a continuación:

Tabla 3. Características de las ranuras. (Sanabria, 2007)

Ancho Longitud Interna Longitud Externa

≤ 0,030 1 1/2” 2”

0,030” - 0,060” 2” 2 1/2”

≥ 0,060” 2 1/2” 3 1/18”

Las tuberías ranuradas son normalmente tubulares API o estándar que se utilizan

en los campos petroleros, en las cuales son cortadas ranuras verticales u

horizontales con un calibre específico. Las ranuras horizontales actualmente casi no

son utilizadas, ya que hay poca resistencia a la tensión en los tubulares. Las ranuras

verticales son cortadas en forma sesgada, permitiendo el paso de cualquier grano

que no esté puenteado en las ranuras, previniendo así el aglomeramiento de la

arena en las ranuras y evitando su taponamiento. (Ver Figura 5).

Figura 5. Apertura recta y apertura trapecio de las tuberías ranuradas. (Sanabria,

2007)

Taponamiento de las rejillas

El taponamiento de las rejillas ocurre cuando los finos bloquean los espacios

libres en la trayectoria de flujo en el medio filtrante. Existe una variedad de procesos

41

de completación los cuales son fuentes de material de taponamiento y contribuyen al

bloqueo de la matriz de la formación o rejilla.

Los residuos genéricos como el óxido, partículas metálicas y grasas también

contribuyen al problema. Dado que las rejillas están específicamente diseñadas para

impedir o minimizar el ingreso de arena de la formación junto con los hidrocarburos,

de modo que son las partículas de formación y los minerales los que deben de tener

más importancia.

Desempeño de flujo

El desempeño de flujo en pozos con rejillas normalmente esta relacionado con

las pérdidas de presión a lo largo de la tubería. Para secciones cortas y caudales

bajos estas pérdidas son casi despreciables (menor a 10 lpc), para pozos en

producción con secciones horizontales largas y con alto caudal, es importante. Es

importante determinar los componentes que causan la pérdida de presión en el

pozo.

Tipos de rejillas

Las rejillas ofrecen otra alternativa para el control de arena de formación. La

ventaja de la rejilla convencional sobre una tubería ranurada es que el primero tiene

un área de flujo sustancialmente mayor que el segundo.

Las rejillas actúan como filtros de superficie entre la formación y el pozo, puesto

que el material de la formación se puentea en la superficie de los mismos. Los "liner"

ranurados y las rejillas previenen la producción de arena basados en el ancho de las

ranuras o aperturas para el flujo, denominado calibre creando un filtro que permite la

producción de petróleo del pozo.

Las rejillas están clasificadas en tres categorías que se presentan a continuación:

42

2.2.3.5.1. Rejillas pre-empacadas

Las rejillas pre-empacadas son un filtro de dos-etapas con las envolturas

externas e internas de la rejilla que entrampan el medio filtrante. El medio filtrante

(típicamente grava) no deja pasar los granos de la formación más pequeños, esta

arena actúa como agente puenteante cuando se produce arena de formación

mientras que la envoltura exterior de la rejilla filtra los granos de la formación más

grandes, las rejillas pre-empacadas se aplican en zonas donde la utilización del

empaque con grava es difícil (zonas largas, pozos muy desviados, pozos

horizontales y formaciones heterogéneas). Las ventajas y desventajas de usar

rejillas pre-empacadas son:

Ventajas del método:

• A pesar de ser pre-empacadas no se aumenta el radio externo de las rejillas.

• En algunos casos son menos costosas que las tuberías ranuras de gran

diámetro.

• Poseen mayor capacidad de flujo por pie.

Desventajas del método:

• Es muy propensa a daños físicos durante su asentamiento en el pozo.

• La grava consolidada es poco resistente a la erosión.

• La grava consolidada al igual que los sistemas de consolidación plástica son

poco resistentes a la acción de ácidos, vapor, etc.

• Productividad de los pozos se reduce cuando las aberturas se taponan.

La utilización de las rejillas pre-empacadas implica tener presente dos posibles

problemas:

43

a) Taponamiento: si la rejilla no se encuentra protegida es muy probable que la

misma se tapone con finos de la formación durante el proceso de formación del

puente arena.

b) Daños de la grava pre-empacada: si el pozo es demasiado inclinado, o las

rejillas se colocan en pozos horizontales de radio corto se generan fracturas en la

grava consolidada que generarán un bajo desempeño de la misma.

Las pautas a seguir para utilizar rejillas pre-empacadas son prácticamente las

mismas que rigen el empleo de rejillas solas o liners ranurados, Formaciones

altamente permeables de granos de arena grandes y bien distribuidos, con poco o

ningún contenido de arcillas u otros finos. Debe considerarse la aplicabilidad de las

rejillas pre-empacadas en pozos de radio corto, en los cuales, la grava recubierta de

resina y consolidada podría agrietarse mientras se empuja a través de los grandes

ángulos de inclinación del pozo. Este agrietamiento podría afectar la capacidad de

filtración de arena que posee la rejilla, lo cual resulta particularmente cierto en el

caso de la rejilla pre-empacada simple, donde el agrietamiento de la grava recubierta

de resina y consolidada puede hacer que la grava se salga de la camisa perforada,

exponiendo directamente la rejilla interior a la producción de arena de formación.

Existen diferentes diseños de rejillas pre-empacadas, los más comunes incluyen

rejillas pre-empacadas de rejilla doble, rejillas pre-empacadas de rejilla sencilla y

slim-pak.

• La rejilla doble: consiste en una rejilla estándar y una camisa adicional sobre

la primera camisa. El espacio anular entre las dos camisas se rellena con grava

revestida con resina. Todo el ensamblaje de la rejilla se coloca en un horno y se

calienta para permitir que la grava revestida se consolide.

• La rejilla pre-empacada sencilla: posee, en primer lugar, una rejilla estándar.

En este caso, se instala un tubo perforado especial sobre la camisa. Este tubo está

envuelto en un papel especial para sellar los orificios de salida, y la región anular

entre la camisa y el tubo perforado se llena con grava revestida con resina. El

ensamblaje se cura en un horno y se saca el papel que está alrededor del tubo

exterior.

44

• La rejilla Slim-Pak: es similar a la rejilla estándar, con dos excepciones

importantes. En primer lugar, alrededor de la parte exterior de la base de tubería

perforada se enrolla una rejilla de malla muy fina y se asegura antes de instalar la

camisa. En segundo lugar, el espacio entre la camisa y la rejilla de malla fina se

llena con arena de empaque revestida con resina. Después se lleva la rejilla a un

horno, para curar la grava revestida y obtener una capa fina de grava consolidada

entre la camisa de la rejilla y la tubería base.

En la Figura 6 se muestran los tres tipos de rejillas ya mencionadas.

Figura 6. Tipos de rejillas pre-empacadas. (Aguirre-Vivas, 2004).

Rejillas de alambre embobinado (Wire Wrapped)

Las rejillas consisten en un espiral de alambre de acero inoxidable alrededor de

una estructura de soporte, formando un tubo (Ver Figura 7). Es posible controlar qué

tan apretada está la espiral para así regular el tamaño de las aberturas entre las

vueltas. Las rejillas originalmente consistían de un alambre directamente enrollado

de una base de tubería cañoneada. Estas rejillas no eran eficientes, pues el área de

flujo estaba limitada a los espacios entre las vueltas. Además el alambrado estaba

45

unido a dicha base sólo en la parte superior y en la inferior. Si se producía alguna

falla en cualquiera de los puntos de unión, todo el alambrado se soltaba.

Una característica de muchas rejillas es el uso de alambre de forma triangular. Al

enrollar este alambre con su punta hacia el interior, se forma una abertura de forma

trapezoidal. Esta forma trapezoidal reduce la tendencia al taponamiento, al permitir

el paso de las partículas que se mueven a través del calibre de la rejilla exterior.

Como sucede con las tuberías ranuradas, las bases de tubería utilizadas para las

rejillas son los tubulares estándares para campos petroleros. El tamaño y el número

de orificios varían dependiendo del tamaño de la tubería. El patrón de los orificios

están diseñados para minimizar la pérdida de resistencia a la tensión que tiene la

tubería base. Esta resistencia, que se pierde al abrir los orificios, es compensada,

hasta cierta medida, por la resistencia a la tensión de la camisa que viene unida a la

tubería base. En cualquier caso, la resistencia a la tensión de las rejillas pocas veces

será inferior a un 80 % de la correspondiente a la tubería base sin orificios. Las

conexiones empleadas en esta tubería deben tener diámetros que sean lo

suficientemente pequeños como para permitir que la camisa se deslice, de manera

tal que se emplean conexiones sin UPSET con tuberías API, y el tipo más común de

rocas es el de acoplamiento y rosca larga (LTC) y Buttress. También se pueden

utilizar roscas premium sin UPSET.

Figura 7. Tipo de rejilla wire wrapped. (Sanabria, 2007)

46

Rejillas Premium ó de filtros metálicos

Estas rejillas son algunas de las de diseño reciente, no poseen grava, es decir,

consisten de múltiples capas de mallas de acero inoxidables u otro material,

colocado en forma concéntrica con el tubo base perforado. Entre estas rejillas se

pueden destacar:

• POROPLUS.

• JHONSON.

• STRATAPAC.

• VENTSLOTTM.

Caída de presión a través de forros ranurados y rejillas Una duda que se plantea frecuentemente al utilizar forros ranurados, rejillas y

rejillas pre-empacadas es la caída de presión requerida para lograr el paso de

fluidos a través de la rejilla. Esto es especialmente importante en las rejillas pre-

empacadas, debido a la capa de grava revestida con resina. Las pruebas

experimentales con rejillas pre-empacadas muestran que la caída de presión a

través de ella es mínima, incluso en condiciones donde la tasa de flujo por pie de

rejilla es extremadamente alta.

Calibre de forros ranurados y rejillas

En aplicaciones con empaque con grava el calibre del forro ranurado o rejilla se

encuentra determinado por el tamaño de la arena de empaque requerida para

controlar la arena de formación. El calibre en el forro ranurado o rejilla debe ser tal

que resulte posible retener la arena del empaque y, por lo tanto, dicho calibre debe

ser menor que el diámetro más pequeño de la arena del empaque. La regla

fundamental consiste en dimensionar el calibre del forro ranurado o rejilla para que

no supere el 80% del diámetro más pequeño de los diámetros en la arena del

empaque. También se deben considerar las tolerancias de las aberturas de las

rejillas.

47

2.2.4. Guía práctica de selección tuberías ranuradas y rejillas

Dada la incertidumbre del uso de rejillas y tuberías ranuradas, se creo una forma

mas práctica de seleccionar si usar una rejillas o una tubería ranurada, dependiendo

de las condiciones del yacimiento y especificaciones del pozo. Para las tuberías

ranuradas ver Tabla 4:

Tabla 4. Guía practica de selección de tuberías ranuradas. (Sanabria, 2007)

Especificaciones Características

Principales aplicaciones Arenas limpias, arenas con alta uniformidad y algo

consolidadas, también usadas como soporte

Tamaño (in) Todos los tamaños de tubulares

Tamaño de la ranura (in) [0.012 – 0.250]

Longitud de la ranura [1.5 – 2.5]

Tipos de ranuras 2 (recta y trapezoidal)

Área de flujo (%) [1.5 – 6]

Criterio de selección de la

ranura

Tamaño de arena pequeña, para análisis de tamiz

<<D10

Para la selección de Rejillas Wire Wrapped, Pre Packed o Premium, ver Tabla 5.

Tabla 5. Guía practica de selección de rejillas. (Sanabria, 2007)

Especificaciones Características

Principal aplicación Arenas limpias de alta calidas con un radio de gran grosor

Buen soporte de presión donde haya la expectativa de

producción de poca arena

Experiencia de

campo

En areniscas sucias o en yacimientos con arcillas/ ocurrirá

taponamiento

Principales tipos Wire Wrap, Pre Packed, Premium

Tipo de medio

filtrante

Wire Wrap alambre (convencional y perfil triangular)

Pre Packed grava cubierta con resina o grava sintética

Premium mallas y fibras sinterizadas.

48

Principal OD (in) [ 2.65 – 9.62]

Área de flujo (%) Wire Wrap [ 6 – 12]

Pre Packed 30

Premium [ 50 – 70]

Metalurgias

comúnmente

disponibles

Tubería de base N80, L80, P110, 13 Cr, duplex/ super duplex

Alambre acero galvanizado, 304, 316L, incoloy 825

Malla 316L, Alloy 20, incoloy 825

Criterio de selección

(arena de formación)

Wire Wrap D10/D95 < 10 D40 /D90 <3 finos <

2%

Pre Packed D10/D95 < 10 D40 /D90 <3 finos <

2%

Premium D10/D95 < 10 D40 /D90 <5 finos <

5%

Factor de costo Wire Wrap 1.0

Pre Packed 1.4

Premium 3.0

2.2.5. Caudales críticos de arenamiento

2.2.5.1. Velocidad crítica de arenamiento

La velocidad crítica se define como la velocidad intersticial por encima de la cual

los fluidos mueven las partículas finas o arcilla de una garganta de un poro a otra

garganta hasta depositarse nuevamente y de esa manera restringir el paso de los

fluidos, disminuyendo la permeabilidad.

2.2.5.2. Velocidad crítica de erosión

Es la velocidad a la cual la rejilla comienza a fallar por efecto de los fluidos

(formación-inyección) y sólidos de la formación.

49

2.2.5.3. Velocidad de incidencia

La velocidad de incidencia sobre forros ranurados es de primera importancia para

poder determinar su durabilidad. Debido a que las partículas que viajan con el fluido

golpean la rejilla de manera tal que erosionan rápidamente la rejilla, mucho antes de

que el pozo comience a cumplir con el objetivo para el cual fue completado.

Este es un parámetro que surgió como ayuda para poder inferir que influencia o no

pueden tener estos valores de velocidad en el problema de arenamiento de los

pozos de un yacimiento.

CAPÍTULO III

MARCO METODOLÓGICO

Todo proceso o investigación esta fundamentada en una metodología, la cual es

importante para conocer de qué manera se encuentra estructurada desde un punto

de vista científico el estudio.

La metodología como tal es un procedimiento reflexivo, sistemático, controlado y

crítico que permite descubrir datos relacionados en cualquier campo del

conocimiento humano. En otras palabras es la búsqueda de principios o hechos para

investigar algo.

En este capitulo se describirá el procedimiento a seguir para el diseño del

programa computacional para el cálculo del caudal crítico de arenamiento, así como

las correlaciones desarrolladas para su estimación.

3.1. Tipo de investigación

Fernández y Chamorro (1996) señalan dependiendo del fin que persigue la

investigación, que la misma está catalogada dentro de la taxonomía como aplicada,

donde se requiere la obtención de datos teóricos para que los resultados obtenidos

sean utilizados de manera inmediata. Esta investigación busca generar un programa

computacional para el cálculo del caudal crítico de arenamiento y evaluar su efecto

en la resistencia y durabilidad de rejillas y forros ranurados.

De acuerdo al nivel de investigación, Arias (1999) la define como descriptiva, ya

que esta es una investigación que consiste en estudiar una situación, evento o

proceso haciendo un análisis de sus características, propiedades y elementos

constitutivos.

Contemplando la estrategia para la recolección de datos es documental, debido a

que la data a ser sometida está documentada en fuentes bibliográficas y trabajos de

grado.

51

Además la investigación puede clasificarse como tecnológica, puesto que tiene

como objetivo buscar la solución de un problema a través del implemento de

instrumentación disponible dentro del despliegue tecnológico existente en el

mercado; específicamente se empleó el Software Visual Basic de Microsoft Office.

3.2. Metodología de la investigación

El desarrollo de la investigación se estructuró en cuatro etapas, que se

describirán a continuación:

• Estudio del problema: La creación del software para el cálculo del caudal

crítico de arenamiento es una herramienta útil, para uso de la Universidad del Zulia y

sus estudiantes en el área de ingeniería de Petróleo, el cual permitirá realizar dichos

cálculos y sus gráficas tal como se realizan actualmente en las empresas.

• Selección del modelo matemático: Durante esta fase, se procedió al estudio y

análisis de las correlaciones o modelos matemáticos existentes para el cálculo del

caudal crítico de arenamiento, el cual se adapte mejor a las necesidades y cumpla

un mayor rendimiento a la hora de realizar los análisis respectivos.

• Elaboración de diagramas de flujo y códigos fuente: Para un mayor

entendimiento de los pasos a seguir durante la programación se generaron

diagramas de flujo y códigos fuente que permiten tener un mejor desarrollo del

programa computacional.

• Elaboración del programa experimental: Se elaboró el programa

computacional a través del Software Visual Studio de Microsoft Office, utilizando la

herramienta Visual Basic. A través del Programa Visual Basic, se llevaron a cabo

todos los cálculos, operaciones, procedimientos y gráficas requeridos para obtener

el resultado determinístico. Visual Basic 6.0 es uno de los lenguajes de

programación que más entusiasmo despiertan entre los programadores de

computadoras, tanto expertos como novatos.

52

3.3. Cálculo de velocidades de incidencia y críticas de erosión de la rejilla

A continuación se explicarán los conceptos de cada una de las tasas críticas de

arenamiento y a su vez se desarrollarán las ecuaciones relacionadas con cada uno

de estos parámetros.

3.3.1. Cálculo de velocidades de incidencia

La velocidad de incidencia sobre forros ranurados es de primera importancia para

poder determinar su durabilidad, debido a que las partículas que viajan con el fluido

golpean la rejilla de manera tal que erosionan rápidamente la rejilla, mucho antes de

que el pozo comience a cumplir con el objetivo para el cual fue completado.

Este es un parámetro que surgió como ayuda para poder inferir que influencia o

no pueden tener estos valores de velocidad en el problema de arenamiento de los

pozos de un yacimiento.

El cálculo de velocidades de incidencia es un factor importante para determinar la

durabilidad de la rejilla, debido al efecto de los fluidos, las partículas que la golpean

que generan erosión en la misma.

Uno de los elementos considerados durante el cálculo de velocidades de

incidencia fue determinar si en el fondo del pozo después de IAV pasado el tiempo

de remojo, había o no fracción de vapor, para lograr tal objetivo se cálculo

inicialmente la Pwf @ 500°F

Cálculo del factor de compresibilidad del gas

Para el cálculo de este factor se utilizó la correlación de Dranchuk and Abu-

Kassem:

26.31318.756 ggpcP γγ −−= (3)

5320.745.3492.169 ggpcT γγ −+= (4)

( ) 211

3

22

11105

287

9

22

8765

54

43

321

1

1

PRA

pr

prprpr

PRpr

prprpr

prprprprpr

g

eTAAT

ATA

A

TA

TA

ATA

TA

TA

TAAz

ρρρρ

ρρ

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++++=

(5)

Donde:

pcpr T

TT = (6)

pcpr P

PP = (7)

prg

prpr TZ

P×

×= 27.0ρ (8)

Donde:

A1 = 0.326

A2 = -1.0700

A3 = -0.5339

A4 = 0.01569

A5 = -0.05165

A6 = 0.5475

A7 = -0.7361

A8 = 0.1844

A9 = 0.1056

A10 = 0.6134

A11 = 0.7210

T = Temperatura (R)

Tpc = Temperatura seudocrítica, (R)

54

P = Presión, (lpca)

Ppc = Presión seudocrítica, (lpca)

zg = Factor z del gas

ρpr= Densidad de gas seudoreducida, (gm/cm3)

γg = gravedad especifica del gas, (Air = 1)

Tpr = Temperatura seudoreducida, (R)

Ppr = Presión seudoreducida, (R)

Esta correlación es utilizada sobre los siguientes intervalos, con un % de error de

0.585%:

0.30.10.32.0

<<

<<

pr

pr

TP

Densidad del petróleo:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

°+∗=

APIoil

5.1315.1414.62ρ (9)

Densidad del petróleo = lbs/pie3

Una vez que se comprueba que en el fondo del pozo hay vapor se aplica la

siguiente ecuación para estimar la cantidad de vapor en el fondo del pozo después

de IAV:

( ) ffg vvvxv +−= ´ (10)

Donde:

v = volumen específico del vapor, lbpie3

x = calidad del vapor, adimensional.

gv = volumen específico del vapor, x = 1, lbpie3

55

fv = volumen específico del líquido, lbpie3

vtonsCqv *2000**%= (11)

Donde:

vq = Tasa de vapor en el fondo del pozo, spie3

C% = Cantidad de vapor que sale en el fondo del pozo, adimensional.

tons = Toneladas de vapor promedio inyectadas diarias, toneladas

v = Volumen específico del vapor, lbpie3

Para el cálculo de la velocidad de incidencia se desarrollaron las siguientes

ecuaciones:

( )32EcoAreadelhue

VTFciaVdeinciden∗

= (12)

QvaporBgQgBwQwBoQoVTF +∗+∗∗+∗∗= 6146,56146,5 (13)

2

12*0785* ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛= tunelesTPPcoAreadelhueθ (14)

2

30

2

32

12785,0

12deg785,01

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∗

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛∗⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∗−

=tunel

Eranoprom

Eθ

θ

(15)

( ) ( )1deg

1212

785,0

1deg

1212

785,05,025,02

30 −

∗⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∗

∗−

∗⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∗

=ranosprom

tunel

ranosprom

tunel

Eθ

θ

θ

θ

(16)

56

Donde:

VTF = Volumen total del fluido, 3pie

32E = Diámetro de la sección transversal del tunel, pie

30E = Cantidad de granos proyectados en el tunel, adimensional

Factor volumétrico del gas Bg

0283,0)))460( ∗∗+∗= PwfTformaciónZBg (17)

Donde:

Z = Factor de compresibilidad del gas, adimensional.

Pwf = Presión de fondo fluyente, lpca.

Para el estudio se considera el máximo valor de tasa para el primer ciclo de

vapor, debido a que es en este punto donde se observan los valores máximos de

velocidad y por tanto el momento crítico de erosión de la rejilla.

El valor arrojado por las velocidades de incidencia pozo a pozo es importante ya

que pueden inferirse problemas o no de arenamiento.

Una vez determinadas las velocidades de incidencia en pozos arenados y no

arenados se pueden establecer rangos de velocidades de incidencia y en función de

esos resultados optimizar el diseño de cañoneo.

3.2.2. Cálculo de velocidades críticas de erosión

La velocidad crítica de erosión es la velocidad a la cual la rejilla comienza a fallar

por efecto de los fluidos (formación-inyección) y sólidos de la formación.

57

Cálculo de la constante empírica

En vista de que la constante empírica puede manejarse en un rango de 7.5 y

1000, es de vital importancia para el estudio ajustar la constante a las condiciones

de presión y temperatura de fondo, por tal motivo se lleva a cabo el siguiente

procedimiento:

• Inicialmente se iguala la velocidad crítica a la velocidad de incidencia

previamente calculada para cada uno de los pozos incluidos en el estudio.

VcríticaincidenciadeVelocidad = (18)

• Posteriormente se calculan las constantes críticas para pozos arenados y no

arenados.

mezclaaVincidenciCcrítica ρ∗= (19)

• Por último se procede a realizar un promedio ponderado por medio de la

siguiente ecuación:

( )PT

PNACcnaCcnaPACcaC ∗∗+∗= (20)

Donde:

C = Constante empírica, adimensional.

Cca = Constante crítica para pozos arenados.

PA = Número de pozos arenados.

Ccna = Constante crítica para pozos no arenados.

PNA = Número de pozos no arenados.

PT = Número total de pozos.

Esta constante será validada si:

58

• Velocidad de Incidencia> Velocidad Crítica de Erosión (Pozos Arenados)

• Velocidad de Incidencia< Velocidad Crítica de Erosión (Pozos No Arenados)

El cálculo de velocidades críticas de erosión de la rejilla se realizó por medio de

la siguiente ecuación en una hoja de cálculo de excel:

mezclacritica

CVρ

= (21)

( )10005,7tan −= teConsC

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∗+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∗+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∗=

total

ww

total

gasgas

total

oiloilmezcla q

qqq

qq ρρρρ (22)

Donde:

mezclaρ = Densidad de la mezcla, lbs/pie3

oilρ = Densidad del petróleo, lbs/pie3

gasρ = Densidad del gas, lbs/pie3

oilq = Fase del petróleo, Bls.

gasq = Fase de gas, Bls.

wq = Fase de agua, Bls.

Posteriormente se calculó la densidad del gas y del petróleo producido a

condiciones normales:

Densidad del gas:

)( TZP

gasgas ××= λρ (23)

FT °= 520

lpcP 7.14=

59

Densidad del petróleo:

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛°+

=APIoil 5,131

5,1414,62ρ (24)

El lenguaje de programación seleccionado para el desarrollo del programa para el

cálculo del caudal crítico de arenamiento (CCA) es el Visual Basic 6.0., ya que

representa un ambiente de trabajo amigable de fácil entendimiento para el usuario.

Para ello se planteó el algoritmo para su programación que se presenta en las

Figuras 8 y 9:

Figura 8. Algoritmo de trabajo planteado para la programación 1. (Rondón, 2010)

60

Figura 9. Algoritmo de trabajo planteado para la programación 2. (Rondón, 2010)

Posteriormente se procedió al desarrollo y programación de los códigos fuente

desarrollados bajo el ambiente Visual Basic 6.0 y que se detallan en los anexos 1, 2,

3, 4 y 5.

CAPÍTULO IV

DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA COMPUTACIONAL

A continuación se describirá de manera detallada el manual de manejo y uso del

programa computacional desarrollado para el cálculo del caudal crítico de

arenamiento.

Instalación 1. Introduzca el CD de instalación.

2. Desde el explorador de Windows y examinando el contenido del CD, haga doble

clic en el icono setup, como el mostrado en la Figura 10:

Figura 10. Icono Setup. (Rondón, 2010)

3. A partir de allí el proceso de instalación comenzará, el asistente de instalación

proveerá las instrucciones a seguir (paso a paso) durante el mismo. Al finalizar estos

pasos la computadora estará lista para ejecutar el programa.

Ejecución Para comenzar a ejecutar el programa haga clic en el icono de acceso directo

que se encuentra en el escritorio con el nombre de CCA, el cual se muestra a

continuación en la Figura 11:

Figura 11. Icono de acceso directo del programa computacional CCA. (Rondón,

2010)

62

Al ejecutar la aplicación, aparecerá una pantalla de inicio del programa tal y como

se muestra a continuación en la Figura 12:

Figura 12. Pantalla de inicio del programa computacional CCA. (Rondón, 2010)

Esta ventana se mantendrá activa unos segundos mientras se terminan de cargar

archivos necesarios de la aplicación, la misma se cerrará automáticamente y

aparecerá la ventana para solicitud de la clave de usuario mediante la cual los

usuarios deben registrarse para tener acceso tal y como se muestra en la Figura 13.

Figura 13. Ventana de registro de usuario. (Rondón, 2010)

En esta ventana encontramos dos íconos, tal y como se muestran en las Figuras

14 y 15:

63

Figura 14. Da inicio a la sesión si los datos están registrados correctamente.

(Rondón, 2010)

Figura 15. Cancela la entrada y vuelve a la pantalla principal. (Rondón, 2010)

Una vez realizado esto, se le solicitará al usuario introducir información básica de

interés, tal como yacimiento, empresa, segregación y nombre del usuario que está

generando el reporte, como se muestra en la Figura 16:

Figura 16. Pantalla de identificación. (Rondón, 2010)

Figura 17. Permite desplegar la pantalla de operaciones / herramientas para el

cálculo del caudal crítico de arenamiento. (Rondón, 2010).

Figura 18. Cancela la entrada y vuelve a la pantalla principal. (Rondón, 2010)

64

Una vez cargados todos los datos, el usuario ingresará a la pantalla principal y de

operaciones del programa computacional CCA desarrollado bajo el ambiente de

programación Visual Basic 6.0, como se muestra a continuación en la Figura 19:

Figura 19. Pantalla operacional para el cálculo del caudal crítico de arenamiento.

(Rondón, 2010)

En esta pantalla se deben introducir los datos de cada uno de los pozos a

estudiar en el yacimiento, pero inicialmente se debe introducir el número de pozos,

porque de lo contrario el programa arrojara una ventana de advertencia como la que

se muestra en la Figura 20:

Figura 20. Pantalla que indica que se debe agregar el número de pozos totales a

estudiar. (Rondón, 2010).

65

Figura 21. El usuario debe hacer clic en el botón Aceptar para devolverse a la

pantalla operacional. (Rondón, 2010)

Una vez introducido este valor, se procede a llenar los datos solicitados según

sea el caso correspondiente a cada pozo, el cual debe verse algo parecido a la

Figura 22:

Figura 22. Pantalla operacional con datos cargados por el usuario. (Rondón, 2010)

Los datos que deben ser introducidos por el usuario son:

• Nombre del Pozo.

• Acañoneada = área cañoneada, pies.

• Bo = Factor volumétrico del petróleo, Bl/STB.

• Z = Factor de compresibilidad del gas, adimensional.

• θGrano = Diámetro promedio de granos de arena de empaque, pulg.

• DDisparos = Densidad de disparos, spf.

• Qagua = Tasa de producción de agua, bpd.

• TFormación = Temperatura en la cara de la formación, °F.

• θTunel = Diámetro de túneles de cañoneo, pulg.

• Qo = Tasa de producción de petróleo, bpd.

66

• Qg = Tasa de producción de gas, scfd.

• Pws = Presión de fondo fluyente en la cara de la formación, lpca.

• °API = grados API del crudo, API.

Además, la pantalla operacional presenta una opción para que el usuario

seleccione si el pozo en estudio es un pozo Arenado o No Arenado, tal como se

muestra en la Figura 23:

Figura 23. En la pantalla operacional el usuario debe indicar si se trata de un pozo

Arenado o No arenado. (Rondón, 2010)

Una vez realizado la introducción de datos del pozo, se debe hacer clic en el

botón aceptar, el cual es el icono verde con la flecha, la cual cambiara de color a un

tono verde amarillo, y colocara cada uno de los datos introducidos de forma no

editable indicando que se ha procedido a realizar el cálculo, para poder apreciarse

las velocidades de incidencia y critica para ese pozo, resaltados con el fondo color

amarillo. Como se muestra a continuación en la Figura 22:

Figura 24. Pantalla operacional, datos introducidos de forma no editable y

resultados de Velocidad de incidencia y Velocidad crítica. (Rondón, 2010).

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Al volver a dar clic en el botón aceptar se habilitarán de nuevos las casillas para

introducir los datos del siguiente pozo; por otro lado, es posible aprovechar la opción

que se encuentra en archivo-abrir (control + A) para cargar los datos previos de un

pozo estudiado con anticipación. Tal cual se ilustra en la Figura 25:

Figura 25. Carga de base de datos de pozos. (Rondón, 2010).

No es necesario guardar los datos que se vayan registrando de cada pozo, pues

el programa va registrando cada uno de ellos para poder ser usado posteriormente,

en caso de requerirse nuevos cálculos.

Una vez que se hayan introducido los datos de cada uno de los pozos del

yacimiento, se generara una nueva ventana que contiene las gráficas de cada una

de las velocidades, y con una separación de los pozos arenados y no arenados, y el

cálculo de la Velocidad de incidencia promedio y Velocidad Critica Promedio de cada

pozo tal y como se muestra en la Figura 26:

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Figura 26. Pantalla de visualización de las gráficas de velocidad de incidencia y

velocidad crítica. (Rondón, 2010).

Para conocer las velocidades de un pozo en específico, basta con moverse en el

menú desplegable que se genera en la casilla donde dice Pozo#, para las

velocidades promedios de los pozos arenados y no arenados solo se requiere

cambiar el botón que se encuentra en la parte inferior para reflejar el dato deseado.

Los botones Velocidad Incidencia y Velocidad Critica, que se encuentra a la derecha

del grafico permiten graficar cada uno de estos parámetros. El botón velocidad

genera un gráfico de torta con las velocidades respectivas y el botón imprimir

permite obtener un reporte del yacimiento con un resumen el cual es enviado a la

impresora local conectada a la computadora, como se observa en la Figura 27.

Figura 27. Botones para las gráficas de Velocidad de incidencia, crítica e impresión

del reporte generado. (Rondón, 2010)

69

En la ventana principal del programa computacional CCA, en los menús

superiores, se encuentra la opción Administración, donde es posible cambiar la clave

del usuario actual tal y como se muestra en la Figura 28:

Figura 28. Ventana para el cambio de clave del usuario. (Rondón, 2010)

O también se pueden crear y eliminar usuarios con solo escribir el nombre del

usuario como se muestra en la Figura 29:

Figura 29. Ventana para crear y eliminar el nombre de usuario. (Rondón, 2010).

En el menú de Ayuda se despliegan tres opciones como se aprecia en la Figura

30:

70

Figura 30. Opciones desplegables del menú Ayuda. (Rondón, 2010)

En la opción Criterios de selección, se encuentra una tabla para selección de

tuberías ranuradas y rejillas, que se muestran en las figuras 31 y 32.

Figura 31. Tabla para la selección de tuberías ranuradas. (Rondón, 2010).

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Figura 32. Tabla para la selección de rejillas. (Rondón, 2010).

Al hacer clic sobre la opción Ayuda el usuario podrá visualizar en formato PDF el

manual de uso y manejo del programa computacional CCA, tal como se observa en

la Figura 33:

Figura 33. Manual de uso y manejo del programa computacional CCA. (Rondón,

2010).

En la opción Acerca de TCA, el usuario podrá observar los datos generales del

desarrollador de la aplicación, así como el propósito de la misma, tal y como se

muestra en la Figura 34:

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Figura 34. Ventana Acerca de CCA. (Rondón, 2010).

CAPÍTULO V

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En función de las aplicaciones del programa “Cálculo del Caudal Crítico de

Arenamiento” (CCA), desarrollado bajo el ambiente Visual Basic 6.0 y los resultados

obtenidos de los análisis realizados, se señalan a continuación los aspectos más

relevantes:

CCA permite realizar los cálculos del caudal crítico de arenamiento a través de

las estimaciones de la velocidad crítica de erosión y velocidad de incidencia, así

como sus respectivas gráficas para un mejor entendimiento visual para el usuario.

Para la validación del programa computacional se utilizaron los datos de campo

utilizados por García, M. (2006) para el yacimiento Bachaquero-01, los cuales se

presentan a continuación en la Figura 35:

Figura 35. Hoja de cálculo con datos experimentales Bach-01. (García, 2006)

74

Al introducir estos datos en la pantalla operacional del CCA nos damos cuenta

que los valores de velocidad crítica y velocidad de incidencia resultan análogos, lo

que valida las estimaciones, tal y como se puede observar en la Figura 36.

Figura 36. Resultados velocidad de incidencia y velocidad crítica calculados

mediante CCA. (Rondón, 2010).

CCA genera y almacena un reporte en formato PDF de todas las gráficas y

cálculos de caudal crítico de arenamiento para todos los pozos calculados como

salidas de resultados.

75

CONCLUSIONES

CCA es un programa versátil que integra de manera práctica las técnicas de

estimación del caudal crítico de arenamiento y facilita al usuario las herramientas

necesarias para la verificación y mejor apreciación de las variables velocidad de

incidencia y velocidad crítica de erosión.

El programa tiene la facilidad de generar un reporte de los resultados de dichas

variables por pozo diferenciándolos si se trata de pozos arenados o no arenados.

El programa está en capacidad de generar las gráficas de velocidad crítica de

erosión, velocidad de incidencia e imprimirlas dentro del reporte.

La aplicación permite desarrollar cálculos de estas variables a “n” número de

pozos, partiendo de formas generales y adaptándose las mismas a la información de

cualquier área o yacimiento.

Con el desarrollo de este proyecto se efectuó la revisión de la literatura

plasmándose bajo el contexto de una metodología de trabajo, conceptos ya

existentes y nuevas aplicaciones. Además se pretendió crear una herramienta útil a

los estudiantes de la Universidad del Zulia, pertenecientes al área de ingeniería de

petróleo que les permita optimizar los procesos de formulación y evaluación de los

caudales críticos de arenamiento.

76

RECOMENDACIONES

Siendo este programa su primera versión requerirá constantemente

actualizaciones y mejoras, pudiéndose destacar entre alguna de ellas.

• Crear un sub-módulo que contenga análisis granulométricos para selección

de rejillas.

• Crear un sub-módulo para el cálculo del índice de productividad del pozo

(IPR).

• Se recomienda a los usuarios de este programa computacional aplicar los

procedimientos establecidos en este manual, siguiendo paso a paso cada

instrucción descrita en el mismo.

• Además, se recomienda la difusión e implementación del programa

computacional CCA en las salas de simulación de la Escuela de Petróleo

para que los estudiantes conozcan como y cuándo utilizar la aplicación.

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