I. INTRODUCCIÓN
La exploración y explotación de hidrocarburos, desde sus inicios, ha implicado el empleo de tecnologías e innovación permanente en todos los procesos, sobre todo, a medida que se han ido perforando pozos cada vez más profundos y en condiciones más adversas, lo cual implica, la mejora continua de la industria petrolera para llegar a alcanzar los objetivos de extracción y comercialización, y a su vez, la disminución de los riesgos (personal, económicos, ecológicos, instalaciones)
Los yacimientos costa afuera y aquellos localizados en aguas profundas, son una fuente importante de recursos a nivel mundial. En el Golfo de México aún existen grandes oportunidades para el desarrollo de estos yacimientos, así como para el crecimiento tecnológico, crecimiento en las oportunidades de empleo, la mejora en las técnicas del cuidado ambiental, progreso económico, entre otros.
La perforación de pozos costa afuera, implica grandes retos, como aquellos relacionados a los altos riesgos operacionales, generados por las condiciones climatológicas. Sin embargo, el avance tecnológico ha disminuido este tipo dificultades, y ha aumentado la capacidad de afrontar estos retos que incluyen la interpretación de los yacimientos, factores geológicos, pérdidas de circulación, los efectos de presión y temperatura del lecho marino y del pozo, formación de hidratos, parafinas o asfáltenos, flujos descontrolados de agua o gas, problemas en las tuberías hasta problemas que puedan causar derrames petroleros.
II. PLANEACIÓN DE POZOS COSTA AFUERA
La planeación de la perforación de un pozo, es un proceso estructurado que exige el desarrollo de ciertos aspectos relevantes antes de su diseño, considerando principalmente la rentabilidad del proyecto, siendo la estimación y el control de costos dos factores importantes para la optimización de la relación costo-beneficio.
El objetivo de la planeación es la de formular un programa para la perforación de un pozo, en el cual se consideren las siguientes características:
La seguridad es prioridad durante la planeación, tanto del personal, ya que cualquier error pudiera tener como resultado la pérdida de vidas, como la seguridad de los equipos y del pozo, la cual debe estar dirigida, en minimizar el riesgo de reventones o cualquier otro factor causante de problemas. En cuanto al costo, el objetivo es minimizarlo, sin poner en riesgo los aspectos de seguridad. La perforación de un agujero no es del todo satisfactoria, si al final la configuración del pozo no permite su utilización, es decir, por ejemplo, que el diámetro no haya sido el adecuado para permitir una terminación apropiada, o que la formación se encuentre irreparablemente dañada.
Durante el proceso de planeación y diseño del pozo se debe contar con la colaboración de todas las disciplinas involucradas (geología, yacimientos, geofísica, perforación, logística, entre otras), la comunicación y planeación conjunta de todas las áreas, es clave durante todo el proyecto. Adicionalmente se requiere la presencia y eficiencia de las empresas proveedoras de los equipos, ya que la mayor parte de estos, son diseñados y fabricados para que puedan cumplir con las especificaciones requeridas de cada campo, respetando tiempos de entrega e instalación, y tratando de disminuir posibles retrasos.
Otro aspecto importante durante la preparación de la planeación del pozo y la subsiguiente aplicación de la ingeniería de perforación, se refiere al diagnóstico de las características y problemas que pueden ser encontrados en el pozo, para lo cual es necesario, recopilar y verificar los estudios geológicos y sismológicos del área, así como información de los campos o pozos análogos. Además, es necesario tener conocimiento sobre el tirante de agua, las condiciones del lecho marino, la profundidad del objetivo con respecto al fondo marino, el tipo de plataforma utilizada, los parámetros oceanográficos y climatológicos, realizar cálculos sobre las presiones de sobrecarga y de la formación.
Igualmente se hace necesaria la integración y evaluación de las necesidades que puedan presentarse a futuro, con la finalidad de ser consideradas para no modificar el desempeño y el desarrollo durante el transcurso del proyecto y durante la vida útil del pozo.
Tabla 1. Información inicial requerida
III. PROCESO DE PERFORACIÓN
El proceso de perforación, consiste en la penetración de diversas capas de roca hasta llegar al yacimiento. La profundización, es consecuencia de la desagregación de la roca debido a perturbaciones axiales sobre el fondo del pozo ocasionadas intencionalmente, como una resultante de los esfuerzos mecánicos que sufre la roca por efecto de carga y torsión que se ejerce durante el periodo constructivo.
Generalmente se utiliza un sistema rotatorio, que consiste en girar una barrena conectada a la tubería para taladrar la roca. Los fragmentos resultantes son llevados a la superficie, a través de un espacio anular formado por las paredes de la formación rocosa y la tubería, suspendidos en un fluido diseñado especialmente para esa operación.
La barrena es una herramienta, localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación que se utiliza para cortar o triturar la formación, penetrando el subsuelo terrestre. La acción de corte de sus dientes, el movimiento rotatorio, la carga ejercida por las tuberías que soporta, el flujo de fluidos a alta velocidad, son los elementos que permiten cortar las diferentes capas de rocas.
El tamaño de los intervalos, la densidad y tipo del fluido de perforación, la tubería de revestimiento, el tipo y cantidad de cemento, y muchos otros procesos son seleccionados a partir del estudio de las presiones subsuperficiales, las limitantes de los equipos y herramientas, condiciones actuales del agujero, entre otros factores. El número y tipos de tubería de revestimiento, se determina mediante la evaluación de la resistencia de las rocas y la presión de poro, los problemas anticipados del agujero, el diámetro y profundidad total del agujero, la resistencia del revestimiento que se correrá, y la terminación que se aplicará.
El proceso aplicado en la perforación de un pozo costa afuera no difiere mucho con respecto a la perforación en tierra, debido a que ambos se basan en la perforación por rotación, a través de sistemas similares. Las principales diferencias residen en el tipo de equipo de perforación utilizado y la variación de algunos métodos utilizados para efectuar las operaciones en situaciones más complejas.
El desarrollo de las operaciones de perforación implica inicialmente perforar un agujero de diámetro determinado y correr la tubería de revestimiento, con un diámetro similar pero menor que el del pozo, y posteriormente perforar secuencias de tramos más angostos a medida que la presión estática en el fondo vaya aumentando y conjuntamente se van instalando sucesivamente tuberías de revestimiento de menor diámetro y de mayor resistencia en caso de que sean corridas hasta superficie, en el caso contrario se instalan liners en lugar de tuberías de revestimiento.
Para perforar a través de un equipo marino, es necesario instalar una tubería conductora o “Riser”, la cual es asegurada en el lecho marino, para permitir la circulación del fluido de perforación y la remoción de recortes. El Riser es un sistema que consta de tuberías conductoras que conectan las estructuras flotantes en la superficie y los cabezales del pozo en el fondo marino. Durante este proceso también se instalan los preventores (BOP) en la parte baja del equipo de perforación.
En el caso de procedimientos en aguas profundas, al perforar y revestir el primer intervalo, el raiser de perforación es instalado a la cabeza del pozo para cumplir los objetivos de circulación de fluido de perforación. Tanto el raiser como los preventores se instalan en el lecho marino al sistema de cabezal, el cual es corrido junto con la primera sarta de revestimiento, dentro de la tubería conductora de mayor diámetro, empleada para poder introducir la barrena. La primera sección del revestimiento se conoce como “riserless” o “sin raiser”, llamada así, debido a que no hay conexión con el raiser, por lo que los fluidos y recortes son expulsados al suelo marino.
Figura 1. Equipo de perforación de pozos en campos marinos (Barco de Perforación)
IV. DESCRIPCIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN DE POZOS
El equipo de construcción de pozos se encuentra integrado por un conjunto de sistemas tales como:
Sistema de rotación: tiene como propósito principal, imprimir fuerza de giro, hacia el conjunto de tuberías diseñadas para perforar, y éstas a su vez, a la herramienta de corte. Existen diversos sistemas de perforación por rotación, tales como: perforación rotativa convencional con mesa rotaria, perforación por revolución con sistema automatizado, perforación de viraje y sistemas rotativos con motor de fondo.
Sistema de elevación y suspensión de cargas: la aplicación de una carga dada para realizar el trabajo de construcción de un pozo, requiere un sistema para izar, el cual, permita la aplicación y suspensión de cargas, la introducción y extracción de tuberías de perforación, la introducción de tuberías de integridad, así como otros tipos de aparejos o tubulares diseñados para la terminación o mantenimiento de un pozo.
Sistema de circulación de fluido: al momento de entrar en contacto el fluido de perforación con la formación, ocurre una modificación de las propiedades reológicas originales, es decir, se contamina, por lo que al salir a superficie y pasar por un conjunto de presas, el fluido contaminado se reacondiciona, para proporcionarle las condiciones reológicas originales de diseño y de esta manera, ser ingresado nuevamente al pozo, formando así un circuito de circulación de fluido.
Sistema de control de presiones: para evitar un flujo descontrolado de los fluidos de la formación, es necesario que la presión que ejerce el fluido de control sea mayor que la que ejerce los fluidos de la formación, por lo que es importante, que en caso de que esta medida de control sea suprimida, exista un sistema que permita el cierre del pozo.
Sistema de energía y potencia: el equipo de construcción del un pozo, requiere de energía, por lo que es importante la implementación de un sistema que genere, capte y distribuya la energía a cada uno de los sistemas y componentes del equipo, básicamente este sistema está compuesto por un conjunto de motores y generadores.
Paquete tecnológico: son requeridos para la optimización de las operaciones y monitoreo de los parámetros de operación, a través del uso de tecnologías informáticas y automatización de los sistemas del equipo.
V. DISEÑO DE POZOS COSTA AFUERA
El diseño de la perforación, se refiere al proceso de ingeniería que se realiza para establecer las características estructurales del pozo, referidas a los materiales, herramientas, equipos a utilizar, así como, las técnicas y tecnologías de perforación, evaluación y terminación del pozo. Lo cual, requiere un trabajo sistemático y ordenado de ingeniería, a fin de obtener el diseño óptimo, que permita hacer un pozo útil en el menor tiempo, al menor costo, y con el menor riesgo posible.
Tabla 2. Proceso de diseño de pozos
1. Selección del Equipo de Perforación
Capacidad acorde a las necesidades de profundidad
Tipo de estructura
Potencia de la mesa rotaria y malacates
Tipo de mástil
Versatilidad en el movimiento de equipo
1.1. Instalaciones de Perforación Marina
Las plataformas petrolíferas, son un conjunto de instalaciones que se ubican en ambientes marinos, con la finalidad de extraer hidrocarburos del subsuelo. Entre los principales equipos utilizados para la perforación de pozos petroleros, en estas condiciones, son:
Plataformas fijas convencionales: son aquellas construidas sobre columnas de hormigón o acero, ancladas y fijadas con pilotes o estructuras masivas de concreto sobre el lecho marino, y sobre las cuales, se instalan otros tipos de estructuras como camisas de acero, que proporcionan flotabilidad a la estructura. Estas plataformas ofrecen gran estabilidad y capacidad de carga.
Plataformas autoelevables: son también plataformas fijas y se dividen en plataformas con patas independientes o no independientes, con el fin de elevar la plataforma de tal forma que quede un colchón de aire entre la superficie de agua y el casco de la plataforma.
Plataformas semi-sumergibles: son plataformas flotantes, asentadas en el lecho marino mediante sistemas de anclas, o mediante un sistema de posicionamiento dinámico. Estas plataformas por lo general son remolcadas al sitio o pueden ser capaces de trasladarse mediante propulsión propia.
Barcazas o barcos de perforación: son unidades de perforación móviles, que utilizan, un sistema de anclas, y en aguas más profundas utilizan un sistema de posición dinámica. Básicamente son grandes barcos dotados con un sistema completo de perforación. Son particularmente útiles en lugares poco accesibles puesto que necesitan apoyo limitado. La perforación se lleva a cabo por el medio de una gran apertura en el fondo del casco.
Plataformas con piernas tensionadas (Tension Leg Platform – TPL): consiste en una estructura flotante sujeta mediante tensores verticales, los cuales, se encuentran conectados y cimentados al lecho marino por pilotes asegurados a éste. Los tensores proporcionan una amplia gama de movimiento vertical, limitado en diferentes profundidades del mar.
Plataformas de cilindro vertical flotante – SPAR: este tipo de plataforma se caracteriza por estar compuesto de un cilindro vertical hueco de gran tamaño, el cual, se encarga de soportar en su cima, todo el equipo de perforación, además posee un sistema de amarre extendido (catenaria) o un sistema de amarre atirantado y/o tensionado hacia el fondo del lecho marino. La mayor parte de la instalación SPAR, se encuentra localizada por debajo de la superficie del agua, lo que provee gran estabilidad.
Entre estos equipos, las plataformas fijas son las más utilizadas para campos en desarrollo. En la actualidad un 90% del aceite producido en campos marinos proviene de pozos perforados con este tipo de plataformas.
Figura 2. Clasificación de instalaciones de producción marina según el sistema de soporte
2. Análisis de Geopresiones
Durante la construcción de un pozo, es necesario, determinar los rangos de las presiones del sistema roca – fluido, con el fin de mantener el control de la construcción; evitando el flujo indeseable de la formación, pérdida del fluido de control, colapso o daño a las formaciones productoras y problemas de integridad de las tuberías.
La definición de geopresiones, abarca todas aquellas tensiones y deformaciones del subsuelo y las formaciones, causando la fractura de la roca.
Figura 3. Geopresiones
Una formación sobre presionada puede convertirse en un problema grave, cuando la presión de fractura de la formación es similar o cercana a aquella en la zona sobre presurizada. Esto puede suscitarse en condiciones de perforación, dónde el descontrol del pozo puede presentarse frecuentemente, y donde las fracturas pueden pasar desapercibidas, trayendo como consecuencias pérdidas de fluido de perforación, una situación complicada de controlar. Para ello, la determinación de las curvas de estabilidad mecánica constituye la base fundamental para realizar el diseño y planeación de la construcción del pozo. La selección del fluido de control requerido para realizar la profundización mecánica depende de la correcta determinación de la ventana operativa.
3. Diseño de Tuberías de Revestimiento
De acuerdo con el resultado obtenido en el análisis de geopresiones se puede realizar el diseño de las tuberías de revestimiento, diámetro y asentamiento, determinando la cantidad de tuberías y etapas que tendrá el pozo y la profundidad de dichas etapas.
La profundidad de asentamiento de las tuberías de revestimiento es el inicio del diseño de un pozo, con el propósito de aislar formaciones para minimizar problemas de perforación o maximizar la producción, proporcionar un pozo estable, de diámetro conocido, además de proveer un medio seguro para la instalación del equipo de control del pozo.
3.1. Tipos de tuberías de revestimiento:
Conductora: Es la primera sarta corrida (aprox. 300 -500 m.). Proporciona un conducto para la circulación del fluido de perforación desde la superficie a la barrena, minimizando, además, los problemas de derrumbes en zonas someras.
Superficial: Permite cubrir y proteger el pozo de los acuíferos, mantiene la integridad del pozo, minimiza pérdidas de circulación en zonas someras, cubre zonas débiles de posibles brotes más profundos, soporta el peso de las demás sartas de revestimiento, y permite instalar preventores.
Intermedia: La función principal de esta sarta, es cubrir las zonas con presiones anormalmente altas, además de aislar formaciones salinas, lutitas hinchables, formaciones deleznables, entre otras.
TR corta o Liner: Son tuberías que no se corren hasta la superficie, pueden ser cementadas o simplemente colgadas, su empleo es por economía o por limitante en la capacidad de carga del equipo.
Tubería de producción: Se coloca ligeramente por encima de la formación productora. Proporciona un conducto de trabajo de diámetro conocido en el intervalo productor, y especialmente es utilizado para transportar el petróleo y gas natural desde el yacimiento hasta la superficie terrestres para ser almacenado y procesado.
El criterio principal del diseño de las tuberías de revestimiento está basado principalmente en el control de las presiones de formaciones normalmente altas. El primer paso es determinar los gradientes de presión de la formación y de fractura, y con ellos estimar la densidad del lodo de control. También se debe considerar la presión diferencial, el margen por movimiento de la tubería, factores de seguridad y efectos de brotes.
Figura 4. Tipos de Tuberías de Revestimiento (TR’S)
4. Selección de Barrenas
Durante el proceso de perforación rotaria, se precisa desagregar la roca mediante el uso de una herramienta de corte, llamada barrena, existen varios tipos de barrenas, cada una de las cuales se haya apropiada para desagregar rocas con determinadas propiedades mecánicas.
Barrenas Tricónicas: Son herramientas de corte que poseen tres conos que giran sobre su propio eje, cada cono posee un número variado de cortadores que pueden ser de acero o de carburo de tungsteno. Los cortadores de acero son maquinados o fresados en el mismo cuerpo del cono, mientras que los cortadores de carburo de tungsteno son insertados en hendiduras que se realizan en el cono.
Barrenas de cortadores fijos: Esta herramienta carece de partes móviles y sus cortadores son a base de diamante. Las barrenas PDC, por sus siglas en inglés son las más usuales, y poseen cortadores de Diamante Compato Poli-cristalino y el material que constituye el cuerpo de la barrena puede ser de acero o carburo de tungsteno.
Barrenas especiales: Se utilizan para realizar trabajos especiales sobre la formación; por ejemplo, en el caso que se requiera por cuestiones operativas, incrementar el diámetro del pozo se introduce una barrena ampliadora, o si bien se requiere extraer una muestra de formación, se introduce una barrena nucleadora. Las barrenas especiales son utilizadas en las construcciones para realizar trabajos específicos que una barrena convencional no podría realizar.
Figura 5. Tipos de barrenas de perforación
5. Selección del Fluido de Perforación
Los fluidos de perforación tienen varias funciones muy importantes tales como: transportar los fragmentos de roca que se originan al perforar, lubricar la barrena y controlar la presión de la columna geológica. Son diseñados de a cuerdo a la información obtenida en el análisis de geopresiones. Un adecuado programa de fluidos mejora considerablemente el proceso de perforación.
Durante la construcción y mantenimiento del pozo, es necesaria la presencia de un fluido que posea propiedades físicas y químicas que se adecuen a las características de la formación y favorezcan los trabajos operativos en el pozo. Los fluidos de control están constituidos básicamente en dos fases, continua o dispersante como agua o aceite, y una fase discontinua o dispersa (barita, bentonita, etc.)
Tabla 3. Fluidos o lodos de perforación
Funciones principales del fluido o lodo de perforación:
Efectuar una limpieza eficiente en el pozo.
Mantener controlada la presión y la estabilidad de la formación (roca-fluido).
Mantener las partículas perforadas en estado de suspensión al interrumpirse la circulación del fluido.
Crear una lámina fina, compacta y poco permeable sobre la pared del pozo, reduciendo el filtrado del fluido de perforación hacia la formación.
Enfriar y lubricar las superficies de rozamiento dentro del pozo (barrena y aparejo de fondo)
Otro término importante a destacar, son los Fluidos de Terminación, empleados para acondicionar el pozo, antes que empiece a producir, para proteger de todo daño a la formación productora y controlar el pozo durante las operaciones. Éste fluido entra en contacto directo con la formación productora cuando se limpia, mata, tapona, estimula y dispara un pozo. Su composición va a depender de la profundidad de la zona productora, presión y temperatura del fondo y superficie, característica de la formación y de los fluidos que contiene, así como también de los costos que representan.
6. Selección de la Sarta de Perforación
La sarta de perforación permite principalmente la transmisión de las fuerzas de empuje y rotación, además cumple la función de enlace mecánico que conecta a la barrena de perforación, ubicado en el fondo, con el sistema rotario en superficie, y ayuda a determinar la profundidad del pozo. La sarta de perforación transmite y soporta cargas axiales y de torsión, aporta peso sobre la barrena, guía y controla la trayectoria del pozo y permite la circulación de fluidos pata limpiar el pozo y enfriar la barrena.
En el caso de la profundidad del pozo, la sarta de perforación va aumentando su largo a medida que se van adicionando tuberías. Para llevar a cabo una eficiente perforación, se debe ensamblar la sarta lo más vertical posible para evitar vibraciones que provoquen fatigas de material en los componentes.
7. Diseño de la Cementación
La cementación de las tuberías de revestimiento, consiste en colocar cemento en el espacio anular formado entre la tubería y la formación, con el objetivo de aislar zonas expuestas, que contienen fluidos y separarlas efectivamente, soportar el peso de la TR, reducir el proceso de corrosión y evitar derrumbes de las paredes sobre la tubería de producción. Para lograr estos objetivos, se debe conseguir, un sello hidráulico (anillo de cemento) entre las formaciones y la tubería de revestimiento.
Una lechada de cemento consiste en una mezcla de agua y aditivos de cemento seco, o bien una mezcla de varios cementos. Para determinar la composición necesaria de acuerdo a las condiciones y necesidades de diseño del pozo, primero se deben realizar de varias pruebas de laboratorio que permitan establecer las propiedades del cemento (reología, tiempo de bombeo, pérdida de fluido, agua libre, fuerza compresiva).
8. Diseño de la Terminación
Una vez que se termina de perforar la última etapa del pozo, se realizan una serie de registros geofísicos en la zona de interés, con el fin de evaluar la capacidad productiva del yacimiento. Las formaciones identificadas como potencialmente productoras se ponen a prueba, mediante una terminación temporal, la cual consiste, en la introducción de un aparejo temporal de prueba de formación o de producción, con el propósito de evaluar de forma real y precisa, el potencial y el comportamiento de la zona contenedora de hidrocarburos, obteniendo información de las propiedades petrofísicas de la roca, el tipo y característica de los fluidos contenidos dentro del yacimiento y si es factible la terminación definitiva del pozo.
El proceso de terminación consiste en:
Selección del tipo de terminación
Tomas de registros en agujero ademado y de cementación
Introducir aparejo de producción
Disparar el intervalo o intervalos productores
Limpieza, estimulación o fractura
Evaluación de la formación.
Tabla 4. Tipos de terminaciones de pozos
BIBLIOGRAFÍA
Esteban Vásquez Morales, “Ingeniería de perforación en la explotación petrolera”
Aníbal Alfonso, “Fluidos de perforación”, 2011.
Eder Torres Guerrero, “Conceptos básicos de ingeniería de cementación”
Howard B. Bradley, “Petroleum engineering handbook”
Javier Estrada, “Esquema para el desarrollo de pozos en aguas profundas”