PERFORACIN BAJO BALANCEINTRODUCCIN CONCEPTOS BSICOS

El creciente nmero de yacimientos depresionados alrededor del mundo y el incremento en la necesidad de extraer hidrocarburos de forma ms eficiente han forzado a la Industria Petrolera a continuar mejorando la tecnologa empleada en la perforacin (Fig. 1.1). Aparentemente, la combinacin de distintas tcnicas de perforacin que se haban idealizado hace ms de 100 aos junto con recientes innovaciones tecnolgicas han culminado en nuevas tcnicas especializadas. Estas tcnicas, cuando son diseadas y ejecutadas correctamente, permiten perforar un pozo de forma econmica, segura y exitosa en casi cualquier ambiente dado. Una de estas tcnicas es llamada perforacin bajo balance (PBB). Este proceso consiste en mantener la presin dentro del pozo por debajo de la presin de formacin que est siendo perforada.

Cabe aclarar que la perforacin en yacimientos depresionados con tcnicas convencionales representa un gran reto, debido a que enfrenta diversos problemas en forma simultnea, tales como: prdidas totales de circulacin, brotes, pegaduras por presin diferencial, atrapamiento de sartas de perforacin y descontrol subterrneo; esto genera que los pozos solo se puedan perforar pocos metros dentro del horizonte productor, o que se requiera de una mayor inversin para controlar perdidas o para operaciones riesgosas. Lo anterior obedece a que la densidad equivalente de circulacin necesaria para perforar cierta seccin de un pozo, contrasta con la que requiere otra seccin en tanto se trata de formaciones con diferentes valores de presin que requieren tuberas de revestimiento adicionales, sin embargo, con esta tcnica es posible resolver tales situaciones.

Produccin de Crudo, Condensados incluyendo Arenas bituminosas

Figura 1.1-Previsiones de Tony Eriksen para la produccin de hidrocarburos en mayo de 20091

Esta tcnica consiste en que la presin hidrosttica del sistema de circulacin en el fondo del pozo se mantiene por debajo de la presin de poro mientras se va perforando2. Generalmente se le conoce como perforacin con pozo fluyendo (Fig. 1.2). En algunos casos, la condicin de bajo balance se genera artificialmente por la inyeccin constante de algn tipo de gas no condensable al fluido de perforacin, reduciendo as la densidad efectiva del sistema.

Figura 1.2-Estabilidad mecnica en trminos de densidad equivalente.

Existen varios mtodos de inyeccin de gas para reducir la presin hidrosttica3 los cuales son la inyeccin por medio de sarta parasita, inyeccin con sarta concntrica (anular) y la inyeccin directa o a travs de la sarta (Fig. 1.3), en este ltimo proceso el gas no condensable (aire, gas natural, gas procesado, aire oxido-reducido o nitrgeno) se inyecta directamente dentro de la sarta en la superficie, reduciendo la densidad del sistema completo, en su camino de inyeccin y su retorno por el espacio anular.

Figura 1.3-Diferencias entre los tres tipos de inyeccin empleados en la perforacin bajo balance. De izq. a der. a)Sarta parasita. b) Anular. c) Por medio de la Sarta de perforacin.

Uno de los inconvenientes que tiene este mtodo es que las tcnicas de registros que actan con pulsos de presin del lodo no pueden ser utilizadas mientras se mantiene una condicin bajo balance4, debido a la compresibilidad del gas en el sistema. Aunque este problema puede ser solucionado con el uso de una tubera parsita o concntrica que permita la existencia de una columna de fluido dentro de la TP, o con el uso de una herramienta de telemetra magntica.

En esta tcnica, generalmente la presin de poro de la formacin es superior a la presin generada por la columna hidrosttica del fluido de perforacin5, requiriendo para su operacin un adecuado sistema de manejo de presin en superficie (Fig. 1.4) y en el fondo del pozo, que permita rotar y reciprocar la sarta en condiciones seguras, para lo cual se emplea un tipo de herramienta conocida como cabeza o preventor rotatorio, siendo la presin a manejar el factor determinante para escoger entre los distintos tipos que existen (Fig. 1.5). Otra herramienta indispensable son las vlvulas de no-retorno para prevenir la entrada de los fluidos del yacimiento al interior de la sarta de perforacin mientras se viaja o cuando se hacen conexiones.

Figura 1.4-Esquema de un arreglo tpico del equipo superficial para perforacin bajo balance.

Figura 1.5-Cabeza Rotatoria para contener la presin del pozo durante una operacin de PBB.MARCO TERICO CONCEPTOS BSICOS DE LA PERFORACIN BAJO BALANCE

Perforacin Bajo Balance (P.B.B.).- Es la tcnica que permite perforar con la presin hidrosttica del fluido en el pozo menor que la presin de la formacin, sus mecanismos pueden ser:

a) Naturales.- Es cuando se utilizan fluidos de baja densidad, como agua, aceite, gas, niebla o espuma.

b) Inducida.- Esta operacin se realiza cuando se aligera la columna de fluido en el pozo utilizando nitrgeno o aire (ste ltimo elemento es sumamente peligroso usarlo cuando se mezcla con el gas natural de las formaciones productoras que pueden causar explosiones subterrneas).

Dicha tcnica permite que el yacimiento aporte fluidos al pozo para circularlo a la superficie y ser recuperados.

Objetivos:

Proteger la formacin productora. Evitar prdida de circulacin y

Aumento de la velocidad de penetracin.

Perforacin bajo balance con lodo.- Consiste en bajar la densidad del fluido de perforacin de tal forma que la presin del pozo sea ligeramente mayor que la presin hidrosttica. sta tcnica permite una mejor estabilidad del agujero y control de presiones pozo abajo.

Perforacin con fluido aireado .- Se aplica el trmino aireado para el nitrgeno o aire y consiste en bombear al interior de la tubera un volumen calculado de nitrgeno o aire, para que al mezclarse con el fluido del pozo se aligere la columna hidrosttica a fin de tratar de reducir las prdidas de circulacin ocasionadas por sistemas convencionales de lodo.

Condiciones de Balance:Pd = Ph - Pf Pd = Presin diferencialPh = Presin hidrosttica

Pf = Presin de formacin (Yacimiento o de Poros)

Ph MAYOR QUE PfSobre balance: Pd = +

Ph IGUAL A PfBalance:Pd = 0

Ph MENOR QUE PfBajo Balance:Pd = -

Perforacin Bajo Balance (API).- Toda aquella operacin de perforacin en la que se presenta la afluencia de fluidos de la formacin hacia el pozo, mientras se circula y se mantiene controlada la presin en superficie.

Podemos considerar adems la siguiente definicin de otro autor que nos dice que: es el proceso donde se disea que la presin que ejercen los fluidos de perforacin (Presin Hidrosttica) intencionalmente sea menor que la presin de formacin que se est atravesando, induciendo as una aportacin continua de fluidos de la formacin hacia el pozo.

Riesgos Aplicando La Tcnica de P.B.B .- Los riesgos que se pueden tener durante la intervencin del pozo con dicha tcnica, incluyen: prdida de control del pozo, manejo de fluidos de perforacin en superficie e inestabilidad en las paredes del agujero.

Diseo de Fluido de Perforacin.- Uno de los aspectos ms importantes para seleccionar el tipo de fluido de perforacin es el gradiente de la presin de formacin. Para poder manejar una condicin segura en el manejo de cero slidos en fluido se necesita un buen equipo y personal experto en el manejo de equipo superficial, otras condiciones que debe tener en el diseo es un verdadero flujo turbulento, compatibilidad del fluido de perforacin con la formacin, la viscosidad y el punto de cedencia.

INSTRUCCIONES DE PREPARACIN ANTES DE INICIAR LA PERFORACIN BAJO BALANCE

a. Verificar que el equipo de control superficial haya tenido su ltima prueba programada.

b. Checar que el equipo se encuentre nivelado y centrado, para no afectar la operacin efectiva de sello en la cabeza rotatoria o preventor rotatorio.

c. Checar que la flecha est libre de rebordes, desgaste, curvatura y la instalacin del sustituto liso.

d. Colocar los tensores a los preventores, para evitar su movimiento.

e. Tener disponible un tanque de almacenamiento para aceite crudo, aproximado de 70 m3; con una bomba conectada a la lnea de la batera ms cercana, en caso contrario, tener una solicitud abierta de transporte para el aceite crudo durante este tipo de perforacin.

f. Contar con equipos de intercomunicacin local.

g. Verificar la actualizacin del permiso de quema.

h. Tener en la localizacin al personal de seguridad, equipo de contra incendio y la unidad de alta.

i. Mantener cerrada la localizacin para el control de entrada de vehculos no necesarios en las operaciones.

j. Despejar la parte izquierda a partir del muelle, para instalar el equipo adicional de la perforacin bajo balance.

k. Verificar en caso de la cabeza rotatoria: Que el carrete adaptador sea del dimetro del preventor superior, condicin fsica aceptable y tener de reserva cuando menos cinco juegos de elementos sellantes, para tubera de mayor dimetro y cuando menos dos juegos para T.P. de menor dimetro.

l. Tener disponible en el piso la vlvula de seguridad (de pi) y la de contrapresin, verificando que sea de la conexin de la tubera en uso y combinacin necesaria para el enlace con los lastrabarrenas (se recomienda vlvula de contra presin tipo charnela).m. Equipo detector de H2S y de unidades de aire comprimido individuales.

n. Indicadores de vientos dominantes.

o. Si se tiene sarta combinada, instalar en el preventor superior de arietes, rams variables.

p. Checar el uso de rams de corte-ciego.

1.4 Ventajas y desventajas de la Perforacin Bajo Balance

Ventajas de perforar bajo balance

Se evitan los siguientes problemas relacionados con el fluido de perforacin:

Migracin de arcillas y finos originada por prdidas severas de fluido.

Invasin de slidos del lodo hacia la formacin.

Perdidas severas de fluido de perforacin en formaciones altamente permeables.

Bloqueos por agua o hidrocarburos y reduccin de las permeabilidades relativas

Reacciones adversas entre el filtrado y la formacin (hinchamiento, disolucin de la formacin, adsorcin qumica, alteracin de la mojabilidad, etc.).

Reacciones adversas entre el filtrado y los fluidos de la formacin (emulsiones, precipitaciones, lodos asflticos, incrustaciones, etc.).

La perforacin bajo balance indica en tiempo real las zonas productoras de hidrocarburos. Debido a que la condicin de bajo balance genera que la presin del fluido en circulacin sea menor a la presin de poro de la formacin, se tiene una condicin real de flujo de los fluidos de la formacin hacia el pozo (estos fluidos pueden ser aceite, gas o agua). Si existe un apropiado monitoreo de estos fluidos en superficie se puede obtener gran informacin de las zonas productivas del yacimiento y ser de ayuda valiosa en la navegacin del pozo (aplicacin en pozos horizontales). Una produccin significativa de hidrocarburos lquidos, puede generar ingresos tempranos que puedan recobrar parcialmente algunos de los costos generados al momento de perforar (Fig. 1.8).

Toma de registros en tiempo real durante la perforacin (LWD, MWD) a travs del uso de herramientas de Telemetra Electromagntica (EMT). Anteriormente, una de las grandes desventajas de la perforacin bajo balance era la imposibilidad de obtener informacin de las herramienta LWD/MWD cuando se utilizan sistemas con gas (exceptuando cuando se utilizaban tuberas parasitas o concntricas que permitan tener una columna de fluido incompresible dentro de la TP). El desarrollo de las herramientas EMT que transmiten informacin del fondo del pozo a la superficie mientras se va perforando han sido de gran utilidad9, ya que estas transmiten sus lecturas an cuando se lleva a cabo una perforacin de este tipo y no se ven afectadas como las herramientas LWD/MWD (que trabajan con pulsos de presin) por la compresibilidad del gas. La nicas limitantes actuales de las herramientas EMT son la temperatura, la profundidad y en algunas ocasiones el tipo de formacin, pero se espera que se pueda lograr un mayor desarrollo en estas reas y as alcanzar mayores profundidades.Capacidad de pruebas de flujo o de pozo mientras se perfora. Diversos operadores han aprovechado las condiciones que se generan en la perforacin bajo balance para llevar a cabo pruebas de pozos a uno o varios gastos de produccin, para evaluar la capacidad productiva de la formacin y sus propiedades durante la perforacin.

Figura 1.8- Comparacin entre la perforacin convencional y la perforacin bajo balance.

Desventajas de perforar bajo balance

Un adecuado entendimiento de los fenmenos potencialmente adversos, como los que se presentan a continuacin, que pueden ser asociados con la PBB es esencial para implementar cualquier programa de operacin10.

Mayor costo de las operaciones. La PBB es ms cara que un programa de perforacin convencional, particularmente si se perfora en un ambiente corrosivo o en presencia de condiciones superficiales adversas (localizaciones remotas, costa afuera, etc.). As tambin hay una pequea desventaja al perforar bajo balance si el pozo no est programado para terminarse de igual forma. Esto generalmente resulta en altos costos adicionales por el equipo que se requiere para introducir la sarta de perforacin al pozo en condiciones de flujo en bajo balance.Requiere medidas de seguridad mayores. Las tecnologas para perforar y pozos continan creciendo. El hecho de que los pozos deban ser perforados y terminados fluyendo, adiciona aspectos de seguridad y tcnicos que deben ser tomados en cuanta en cualquier operacin de perforacin.

El uso de aire, aire oxido-reducido o gas procesado como la fase gaseosa a ser inyectada en la operacin de PBB, sin importar la efectividad al reducir costos, puede originar riesgos con respecto a problemas de corrosin y explosiones. Recientemente se han hecho trabajos considerables en pruebas de alta presin para definir los lmites de seguridad de mezclas de fluidos combustibles como gas natural, aceite y lodo de perforacin con aire, gas procesado y aire oxido-reducido.

Poca estabilidad de agujero. Las paredes del pozo cuando se perfora bajo balance han sido un asunto ampliamente tratado, en especial en formaciones pobremente consolidadas o altamente depresionadas. Existe evidencia considerable de que los riesgos de estabilidad en muchas aplicaciones de PBB no son tan problemticos como generalmente se suponen, sin embargo se requiere una evaluacin de yacimiento a yacimiento para cuantificar los aspectos de estabilidad para cada aplicacin de este tipo.

Mayor dao que la perforacin convencional al no mantener de manera continua el bajo balance. Esto se debe a alguna de las siguientes causas:

c) Al efectuar una conexin en perforacin rotaria.

d) Trabajos peridicos de bombeo para efectuar viajes.

e) Surgencias al correr la tubera.

f) Bombeo para tomar registro MWD.

g) Efecto de impacto en la barrena si se usa sarta parasitaria.

h) Efectos de depresionamiento localizados especialmente en zonas de baja permeabilidad.

i) Zonas mltiples con diferentes presiones.

j) Flujo tapn y colgamiento de lquidos en la zona vertical del pozo.

k) Incremento de las cadas de presin por friccin con la profundidad.

l) Falla del equipo superficial o de suministros.

Efectos de imbibicin contra corriente por efectos de presin capilar. Debido a efectos de presin capilar adversos, es posible imbibir fluidos base agua y en algunos casos base aceite dentro de la formacin, en la regin cercana al pozo, donde estos pueden causar una reduccin en la permeabilidad a causa de efectos de incompatibilidad del sistema roca/fluido, o una reduccin de la capacidad de flujo debido a bloqueos de la fase acuosa afectando la permeabilidad relativa.

Dao causado por acristalamiento y trituracin de los recortes. En cualquier operacin de perforacin, el recorte de perforacin se genera por la accin erosiva de la barrena sobre la formacin. Adicionalmente, se agregan slidos al sistema de circulacin del fluido, en ocasiones para mejorar la reologa y las propiedades del lodo. El tamao y la cantidad de recortes en la corriente del fluido de perforacin depende del tipo de formacin, equipo de control de slidos, tipo de barrena, ritmo de penetracin. Los equipos que se usan en operaciones de PBB y operaciones de perforacin gas/aire pueden sufrir problemas causados por los siguientes conceptos:

Acristalamiento: es un pulimiento de la superficie del agujero causada por accin directa de la barrena a la cara de la formacin, es particularmente severa cuando se perforan rocas duras a bajos ritmos de penetracin o con barrenas desgastadas o daadas. Trituracin: Es un pulimiento a la cara de la formacin por centralizacin pobre o resbalones de la sarta. La capa resbaladiza generalmente consta de finos de la formacin que son generados y molidos por accin de la barrena, la cual forma una capa delgada, quemada y resbaladiza como pasta que cubre la superficie de la formacin. Las operaciones con gas son las ms sensibles a este tipo de problemas debido a las pobres propiedades de transporte de slidos de los sistemas de gases puros.

Invasin de poros inducida por gravedad en macro poros. En formaciones que presentan macro porosidad, pude ocurrir invasin de fluidos y slidos generado por la accin de la gravedad sobre el lado bajo del pozo horizontal. Si las fracturas o vuglos son muy pequeos y la presin es adecuada, la accin natural de los fluidos de la formacin ser suficiente para contrarrestar este fenmeno, pero si la presin no es suficiente, o si se tienen porosidades muy grandes, se presenta una reduccin en la velocidad del fluido cerca de la pared del pozo, lo que ocasiona en algunos casos la invasin por gravedad. Como consecuencia de esta invasin se tiene prdida de circulacin, an cuando se mantengan las condiciones bajo balance.

Dificultad de ejecucin en zonas de muy alta permeabilidad. Desafortunadamente una de las mejores aplicaciones de la PBB, siendo el caso de las formaciones altamente permeables, tambin puede presentar uno de los mayores retos. Esta dificultad est relacionada con el manejo de la produccin de hidrocarburos que se genera con el bajo balance al tener una presin elevada en la formacin, ya que el manejo de grandes presiones en superficie resulta costoso y mucho ms cuando es en operaciones costa afuera.}

VentajasDesventajas

Se evitan los siguientes problemas relacionados con elMayor costo en las operaciones.

fluido de perforacin:Requiere aumentar las medidas de seguridad.

Migracin de arcillas y finos originada por

Poca estabilidad del agujero.

prdidas severas de fluido.

Invasin de slidos del lodo hacia laMayor dao que la perforacin convencional al no

formacin.

Problemas por mal diseo del enjarre.mantener de manera continua el estado de presin bajo

Perdidas severas de fluido de perforacin enbalance.

formaciones altamente permeables.Imbibicin contra corriente por efectos de presin

Bloqueospor aguaohidrocarburosy

capilar.

reduccin de las permeabilidades relativas

Reaccionesadversasentreel filtrado ylaSe requiere terminar el pozo en las mismas condiciones

formacin.

de perforacin.

Reacciones adversas entre el filtrado y los

fluidos de la formacin.Dao causado por acristalamiento y trituracin de los

Incremento del ritmo de penetracin.recortes.

La PBB indica en tiempo real las zonas productoras deInvasin de los poros inducida por gravedad en macro

poros.

hidrocarburos.

Es posible tener mediciones en tiempo real a travs delDificultad de ejecucin en zonas de muy alta

permeabilidad.

uso de herramientas de Telemetra Electromagntica

(EMT).

Capacidad de pruebas de flujo o de pozo mientras se

perfora.