Gerencia de Ingeniería y Tecnología

Presentación del tema: "Gerencia de Ingeniería y Tecnología"— Transcripción de la presentación:

1 Gerencia de Ingeniería y Tecnología
Guía para la aplicación de la Geomecánica en el Diseño de la Perforación de Pozos Ing. Juan José López Mata Dr. Carlos Pérez Téllez Ing. Gerardo Reyes Reza Ing. Claudio Gabriel Sánchez Montalvo Ing. Jorge Alberto Mancilla Castillo

2 Contenido Objetivo Introducción Conceptos básicos de Geomecánica
Metodología para la construcción de un Modelo de Geomecánica de un campo Soporte técnico (CAUE)

3 Objetivo El objetivo es presentar una guía de diseño que permita aplicar la Geomecánica, a través de una metodología práctica, en la planeación de intervenciones de pozos, con el fin de mitigar y/o controlar los riesgos originados por la alteración del estado natural de las formaciones durante el proceso de perforación.

4 Introducción Al perforar un pozo, se altera el estado natural de esfuerzos de las formaciones atravesadas, con la consecuente incertidumbre de que esta nueva condición de esfuerzos pueda ser soportada por las formaciones perforadas.

5 Las perdidas totales alcanzan los $8 billones de dólares/año.
Introducción Las perdidas totales alcanzan los $8 billones de dólares/año.

6 Introducción Conociendo el estado de esfuerzos a los que están sometidas las formaciones, las propiedades mecánicas de las rocas y los modelos de falla, es posible determinar la ventana operacional de la densidad del fluido de control, y el ángulo y azimut más apropiados, para alcanzar el objetivo geológico.

7 Conceptos Básicos Definición:
La Geomecánica es la disciplina que estudia las características mecánicas de los materiales geológicos que confinan las rocas de formación. Esta disciplina está basada en los conceptos y teorías de mecánica de rocas y mecánica de suelos, que relacionan el comportamiento de la formación bajo los cambios de esfuerzos producto de las operaciones petroleras de perforación, terminación y producción de pozos.

8 Conceptos Básicos Definición:
La Geomecánica es la disciplina que aplica la mecánica clásica o leyes constitutivas para caracterizar el comportamiento de los materiales geológicos bajo diferentes condiciones de esfuerzos. Involucra un amplio rango de escalas geométricas que van desde la interacción entre los granos de las rocas hasta la importancia de la tectónica global y la interacción de las placas continentales.

9 Conceptos Básicos Esfuerzo:
El la fuerza aplicada a un sólido de sección transversal Deformación: Es el cambio de longitud y espesor del material bajo la influencia de un esfuerzo, derivándose deformaciones longitudinales eL y transversales eT

10 Conceptos Básicos Deformación de corte:
La deformación de corte eC, es el resultado de un esfuerzo de corte.

11 Conceptos Básicos Constantes elásticas:
Definen las propiedades elásticas del material para condiciones donde existe una relación lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformación resultante: Modulo de Young: Modulo de Corte Relación de Poisson Modulo de volumen Coeficiente de Biot

12 Conceptos Básicos Módulo de Young:
O Ley de Hooke, es la relación entre el esfuerzo de tensión o compresión y la deformación correspondiente. Módulo de corte G: Es la relación entre el esfuerzo de corte y la deformación de corte.

13 Conceptos Básicos Relación de Poisson:
Ésta es una medida de la expansión lateral con respecto a la contracción longitudinal. . Módulo de volumen: Es la relación del esfuerzo hidrostático y la deformación volumétrica.

14 Conceptos Básicos Constantes elásticas dinámicas:
Las propiedades elásticas de las rocas pueden determinarse en forma dinámica y estática. Las propiedades elásticas estáticas son medidas directamente de pruebas de laboratorio, mientras que las dinámicas se calculan a partir de las ecuaciones de propagación elástica de las ondas acústicas en un medio sólido. m: 7.1 x 109, (kg/cm2)

15 Conceptos Básicos Ejercicio:
Calcular las constantes elásticas (propiedades mecánicas de la formación) para los siguientes datos: Profundidad del punto a analizar: m Lectura sónica compresional: useg/pie Lectura sónica de corte: useg/pie Densidad de la formación: gr/cc Angulo de fricción interna: 15° Lectura de GR en zona sucia: 88 °API Lectura de GR en zona limpia: 23 °API Lectura de GR en el punto a analizar: 44 °API

16 Conceptos Básicos Esfuerzos principales:
Cualquier estado de esfuerzos en un medio puede expresarse en función de tres esfuerzos perpendiculares conocidos como: s1, s2, y s3.

17 Conceptos Básicos - = Esfuerzo Total:
Es el resultado de la carga de los esfuerzos horizontales y verticales en el subsuelo, que se comparten entre la matriz de la roca y los fluidos presentes en los poros de la misma. Esfuerzos in-situ: Al perforar un pozo se alteran los esfuerzos principales, y alrededor del pozo se redistribuyen y se concentran en tres esfuerzos: = -

18 Conceptos Básicos Esfuerzos Insitu:
Radial sr, Tangencial, sq, y Axial sa.

19 Relación entre los esfuerzos in-situ y los esfuerzos en el pozo
Conceptos Básicos Relación entre los esfuerzos in-situ y los esfuerzos en el pozo Baja densidad del lodo Alta densidad del lodo st sr sv sq sq sv sH sH sh Esfuerzos sh en el Pozo sr st

20 Conceptos Básicos TVD = 2933.5 m Esfuerzo H =7500 psi
Ejemplo: Calcular los esfuerzos efectivos en un pozo, a 0.6, 1.2, 1.8, 2.4 y 3.0 gr/cc de densidad del fluido de control, y graficar los resultados. TVD = m Esfuerzo H =7500 psi Esfuerzo h = 7500 psi Esfuerzo V= psi Presión de Poro = psi

21 Conceptos Básicos Círculo de Mohr:
En función de los esfuerzos normales y los de corte que actúan en un plano de la roca, el círculo rojo representa para cualquier plano orientado en un ángulo b, los diferentes valores del esfuerzo normal y de corte, en función de los esfuerzos principales SV y Sh.

22 Conceptos Básicos Criterio de falla o ruptura de la roca:
El criterio de ruptura más común, en la disciplina de la Geomecánica aplicada a la industria petrolera, es el criterio de Mohr-Coulomb. Este criterio permite evaluar la resistencia de la roca durante la perforación de los pozos o la producción de sólidos del yacimiento, durante la explotación.

23 Conceptos Básicos Resistencia de la roca:
Representa la capacidad de la roca de resistir la ruptura, cuando se somete a tensión, corte o compresión hidrostática. De los parámetros que se obtienen de su análisis, los más utilizados son la UCS y el ángulo de fricción (f).

24 S p r Conceptos Básicos Falla por cómpresión p Hmax
Ruptura por compresión (ovalización): Se observan en la ruptura de la formación; ocurre cuando el esfuerzo máximo en compresión es el esfuerzo tangencial, y el mínimo es el radial, y generalmente es ocasionado por baja densidad. p p r Falla por cómpresión S Hmax

25 S p r Conceptos Básicos Falla por tensión p Hmax
Ruptura por tensión (perdida de circulación): Se observa cuando uno de los esfuerzo in situ del pozo es más grande que la resistencia a la tensión de la roca. p p r Antes Después Falla por tensión S Hmax

26 Acopio de Información y Análisis de Información
Metodología para la construcción de un modelo de Geomecánica de un campo Acopio de Información y Análisis de Información Revisión del Modelo Estructural Evaluación de Sobrecarga y Presión de Poro Estimación de Parámetros Elásticos y Resistencia de la Roca Dirección y Magnitud de los Esfuerzos Horizontales Ventana de Operación / Mapas de Perforación

27 Fuentes de información de Geomecánica
Metodología para la construcción de un modelo de Geomecánica de un campo Acopio de información La integra la siguiente información: Datos de perforación Datos geológicos Datos evaluación de formaciones Datos sísmicos Planeación y diseño Fuentes de información de Geomecánica Esfuerzo vertical SV RHOB, densidad, sintético de DT y sísmica Presión de poro PP MDT’s, registros de porosidad (sónico, resistivo, vel. intervalo) Esfuerzo mínimo Sh XLOT, LOT, minifrac, pérdidas de circulación Esfuerzo máximo SH Análisis de falla del agujero Orientación de esfuerzos Registro de calibración orientado, registro de imágenes, estructura de fallas geológicas. Resistencia de la roca UCS Pruebas de núcleos, registros, recortes, análisis de falla del agujero

28 Revisión del modelo estructural Causa posible por geología estructural
Metodología para la construcción de un modelo de Geomecánica de un campo Revisión del modelo estructural El objetivo es encontrar la relación que puede existir en los eventos de perforación y la geología estructural del campo. Evento identificado Causa posible por geología estructural Pérdida de circulación Fallas o zona fracturada Fractura inducida Pobre cementación Gasificaciones Formación permeable (fallas o zonas fracturadas que comunican a una zona de alta presión) Densidad de lodo inadecuada Arrastres y fricciones Formación de comportamiento plástico Pobre limpieza del agujero Reacciones de las formaciones con el lodo de perforación Salinidad del lodo de perforación Derrumbes Formaciones frágiles Zonas fracturadas

29 Evaluación de la sobrecarga y presión de poro
Metodología para la construcción de un modelo de Geomecánica de un campo Evaluación de la sobrecarga y presión de poro Se sugiere utilizar la guía de diseño de predicción de geopresiones editada por la Gerencia de Ingeniería y Tecnología de la UPMP. Para la predicción de la Presión de poro, se recomienda en primera instancia utilizar el registro sónico, ya que su comportamiento es más estable con respecto al de resistividad.

30 Estimación de los parámetros elásticos y resistencia de la roca
Metodología para la construcción de un modelo de Geomecánica de un campo Estimación de los parámetros elásticos y resistencia de la roca Se recomienda el uso de un software especializado, como el Wellchek, que calcula a partir de datos de registros de densidad, rayos gama, porosidad, sónico dipolar, etc. Las propiedades obtenidas en el laboratorio deben utilizarse para calibración y selección de correlaciones adecuadas.

31 Determinación de la dirección de los esfuerzos
Metodología para la construcción de un modelo de Geomecánica de un campo Determinación de la dirección de los esfuerzos La dirección de los esfuerzos regionales se determina en primera instancia mediante el régimen tectónico del campo. Las direcciones locales se pueden determinar con: Caliper orientado, imágenes, anistropia de la formación. Otra alternativa puede ser consultando en mapa de dirección de esfuerzos como el publicado en la dirección

32 Determinación de la magnitud de los esfuerzos horizontales
Metodología para la construcción de un modelo de Geomecánica de un campo Determinación de la magnitud de los esfuerzos horizontales Esfuerzo mínimo (Sh).- Es el parámetro fundamental para determinar la densidad equivalente de circulación, que permita perforar sin pérdidas de circulación. Generalmente se recurre a una prueba de goteo (LOT), “minifrac” y fracturas hidráulicas.

33 Determinación de la magnitud de los esfuerzos horizontales
Aplicaciones del modelo de Geomecánica Determinación de la magnitud de los esfuerzos horizontales Esfuerzo máximo (SH).- Para determinar este esfuerzo, se requiere conocer la magnitud del esfuerzo mínimo, pero aun así es difícil de obtener porque no se obtiene de forma directa. Puede estimarse ajustando los valores del esfuerzo máximo y la resistencia de la roca por ensaye y error.

34 Aplicaciones del Modelo de Geomecánica
Curvas de Estabilidad Mecánica (Ventana Operativa). Construcción de mapas de perforación. Selección de barrenas. Reforzamiento de la formación (StressCage).

35 Curvas de Estabilidad Mecánica (Ventana Operativa):
Aplicaciones del Modelo de Geomecánica Curvas de Estabilidad Mecánica (Ventana Operativa): Como el modelo de Geomecánica se construye y calibra con datos de uno o varios pozos ya perforados, se procede a correlacionar el modelo con la trayectoria y ubicación estructural del pozo planeado. x

36 Curvas de Estabilidad Mecánica (Ventana Operativa):
Aplicaciones del Modelo de Geomecánica Curvas de Estabilidad Mecánica (Ventana Operativa): De los parámetros determinados y calibrados a través del seguimiento de la metodología para la construcción del modelo geomecánico, se utilizan en el pozo planeado para predecir la ventana operativa segura en la que se debe mantener la densidad del fluido de perforación:

37 Aplicaciones del Modelo de Geomecánica
Límite de colapso Un pozo horizontal (90° de desviación) perforado con un azimut de 120° y una densidad menor a 1.06 gr/cc, tendría problemas de derrumbe, mientras que un pozo perforado con una desviación de 60° y un azimut de 45°, requeriría una densidad mínima de 0.89 gr/cc para evitar derrumbes.

38 Pérdida de circulación
Aplicaciones del Modelo de Geomecánica Pérdida de circulación Un pozo horizontal (desviación 90°) y perforado con un azimut de 120°, necesita una densidad de 1.88 gr/cc para iniciar las pérdidas de circulación (zona roja), mientras que un pozo perforado con una desviación de 50° y un azimut de 30°, necesitaría una densidad mayor a 3.25 gr/cc para iniciar las pérdidas de circulación (zona azul).

39 Construcción de Mapas de Perforación.
Aplicaciones del Modelo de Geomecánica Construcción de Mapas de Perforación.

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Guía para la aplicación de la Geomecánica en el Diseño de la Perforación de Pozos

42 Análisis de Falla Delta de Estabilidad por falla de corte, A, esta definido por: Para la falla por tensión, Delta de Estabilidad es definido por: Cuando Delta de Estabilidad es positivo, los esfuerzos no han excedido la resistencia de la formación, y esta se mantiene estable. Sin embargo, cuando Delta de Estabilidad es negativo, los esfuerzos han excedido la resistencia de la formación y la formación ha fallado. A continuación se muestran dos ejemplos:

43 Análisis de Falla La columna izquierda de la siguiente figura ilustra un pozo vertical en una cuenca relajada ( Tv > TH > Th ). El esquema superior del esfuerzo principal muestra como la densidad del lodo aumenta conforme al esfuerzo radial. Adicionalmente, el esfuerzo tangencial se reduce mientras el esfuerzo axial permanece constante. Los modos de falla cambian donde el orden de los esfuerzos del pozo cambian. El nivel de estabilidad mas bajo muestra el rango de densidades del lado alcanzando una formación estable. El modo de falla predecido por el análisis de estabilidad es el modo que cruza la línea de cero de Delta Estabilidad. Para la falla de corte, una densidad de 8 lbm/gal inducira un breakout con un amplio ángulo. Para falla por tensión, una densidad de 10 lb/gal causara una falla cilíndrica. Aunque una falla cilíndrica no es directamente observable, estos dos modos trabajan juntos

44 Ejemplo: Determinar la gráfica de estabilidad, de acuerdo a los esfuerzos efectivos, en un pozo a 5, 10, 15, 20 y 25 lb/gal de densidad del fluido de control. TVD = 9625 ft Esfuerzo H =7500 psi Desviación del agujero = 0° Esfuerzo h = 7500 psi Azimuth= 0° Esfuerzo V= psi Relación de Poisson = 0.25 Angulo de fricción = 30° Resistencia a la compresión = 7500 psi Resistencia a la tensión = 0 psi Coeficiente de Biot = 1.00 Presión de Poro = psi

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47 Soporte Técnico (CAUE)
Cualquier requerimiento técnico, sobre el manejo de la Herramiento WellCheck: Favor de comunicarse al CAUE Se registrara su requerimiento Se comunicaran con el solicitante Vía telefónica y NetMeeting se atenderá el requerimiento En caso satisfactorio se dará por concluido el reporte En caso contrario se solicitara soporte especializado a la compañía de software.