fracturas con espumas

Ingenieria & Geociencias, S.A. de C.V. 1

Fractura con Espuma

Ingeniería y Geociencias, S.A. de C.V.


Nitrógeno (N2)


Que es el Nitrógeno• Gas

– Es una fuente de energía compacta

• Inerte

– Seguro

• Disponible

– Costo Razonable


Nitrogeno en el Aire

Oxígeno Nitrógeno

Argón Otros

78.3%20.93%

0.93% 0.11%


DiagramaDiagrama dede Fase Fase Pr

esió

nPr

esió

n SólidoSólido LíquidoLíquido

TemperaturaTemperatura

GasGas

CC

TT


Diagrama de Fase (Temperatura Constante)

HgHg

LIQUIDOLIQUIDO

HgHg

LIQUIDOLIQUIDOGASGAS

HgHg

LIQUIDOLIQUIDO

GASGAS

HgHg

GASGAS

Celda llenaCelda llena de de liquidoliquido

Presión cercaPresión cerca de lade la presiónpresiónde vaporde vapor

HgHg removidoremovido

Gas yGas y líquido presentelíquido presente

Presión igualPresión igual a laa la presiónpresiónde vaporde vapor


MásMás gas ygas y menos liquídomenos liquídopresentepresente

Presión igualPresión igual a laa la presión presión de vaporde vapor


TodoTodo elel líquidolíquido vapor,vapor,llenadollenado lala celdacelda de gasde gas

Presión por debajoPresión por debajo de de lala presionpresion de vaporde vapor

PP

AA BB CC BBPP11 PP11 PP22


Diagrama de Fase

PP11

PPvv

PP22

Pres

ión

Pres

ión SólidoSólido LíquidoLíquido

22

44

33


GasGas

CC

TT

11


Diagrama de Fase (Presión Constante)

Celda llenaCelda llena dede liquidoliquido

Temp.Temp. por debajopor debajo de lade la TcTc

Celda CalentadaCelda Calentada

HgHg removido aunqueremovido aunque lalapresiónpresión sese mantiene ctemantiene cte..

Gas yGas y liquído presenteliquído presente

Temperatura igualTemperatura igual a la a la TcTc


HgHg removido aunqueremovido aunque lalapresiónpresión sese mantiene Ctemantiene Cte..

Gas yGas y liquido Presenteliquido Presente

Temperatura igualTemperatura igual a laa la TcTc


HgHg removido aunqueremovido aunque lalapresiónpresión sese mantiene mantiene CteCte..

Celda llenaCelda llena de Gasde GasTemperatura por debajoTemperatura por debajode lade la TcTc..

HgHg

LIQUIDOLIQUIDO

HgHg

LIQUIDOLIQUIDOGASGAS

HgHg

LIQUIDOLIQUIDO

GASGAS

HgHg

GASGAS

PPAA BB CC BB

PP PP PP


Diagrama de Fase

TT11 TTcc TT22

Pres

ión

Pres

ión SólidoSólido LíquidoLíquido

11 22

4433


GasGas

CC

TT


Diagrama de Fase

%% LiqLiq

100100

7575

5050252500

PP11

PPBB

PP22

PPRR

Punto CriticoPunto Critico

GasGas22

11LíquidoLíquido


Producción del NitrógenoLa idea básica es licuar el aire, y entonces separar

el líquido por destilación fraccionaria

– Punto de ebullición del aire líquído: - 194 oC

– Punto de ebullición del Nitrógeno Líquido: - 196 oC

– Punto de ebullición del Oxígeno Líquido: - 183 oC

– El Nitrógeno se empieza a evaporar liberando oxígeno líquido enriquecido

– Por repetidos procesos de ebullición y condensación se pueden obtener purezas de un 99.98% de Nitrógeno Líquido

– Los otros Gases se extraen con procesos similares.


Producción del Nitrógeno

FILTRO

EnfriamientoEnfriamiento deldel NitrogenoNitrogeno

Aire es enfriadoAire es enfriado alalpuntopunto dede rocío rocío

NitrogenoNitrogeno(gas) se(gas) se calientacalienta

OxigenoOxigeno(gas) se(gas) se calientacalienta

NitrogenoNitrogeno(gas) se(gas) se calientacalienta

COMPRESOR

PREENFRIAMIENTO

PREPURIFICADOR

AIREAIRE

90 psi

278oK (5oC)

103oK (-170oC)


Propiedades Físicas delNitrógeno

• Simbolo Químico: N2

• Punto de Ebullición Normal: - 196 oC• Presión Crítica: 492.3 psi• Temperatura Crítica: - 147.15 oC

• Punto Triple: - 209.9 oC @ 1.82 psi• 1 gallon de LN2 = 93.12 SCF de gas


Pie Cúbico Standard (SCF)

Un pie cúbico de gas @ 60 oF (15.5 oC) y 14.7 psia (1 atm)

SCFSCM 315.351 =


Ecuación de Estado• Gas Ideal

PV = nRT• Gas Real

PV = Z nRTDonde:

– P = Presión [psi]– V = Volumen [pie3]– n = Número de moles– T = Temperatura Absoluta [oR]– R = Constante Universal del Gas– Z = Factor de Compresibilidad


Factor de Compresibilidad (Z)

20002000 40004000 60006000 80008000 1000010000 1200012000 1400014000

2.12.1

2.02.0

1.91.9

1.81.8

1.71.7

1.61.6

1.51.5

1.41.4

1.31.3

1.21.2

1.11.1

0000 FF

10010000 FF

20020000 FF

30030000 FF

40040000 FF

50050000 FF

60060000 FF

70070000 FF

80080000 FF

Presión Presión [[psiapsia]]


Factor Volumétrico del Nitrógeno

• Pie cúbico standard por barril de espacio

SCF/BBL = 198.6 P/ZT• Donde

P = Presión [psi]

T = Temperatura absoluta [oR]

T [oR] = T [oF] + 460

Z = Factor de Compresibilidad


Dióxido de Carbono (CO2)


Dióxido de Carbono• Ventajas:

– El CO2 gaseoso promueve una limpieza más rápida y completa de la formación

– Disminuye el daño a la formación originado por elfluido de tratamiento

– Buen control de flitrado– Incrementa el volumen total del fluido de tratamiento– Al mezclarse con agua el CO2 baja el pH, reduciendo

el riesgo de daño en formaciones muy sensibles al agua.


Propiedades Físicas del CO2

• Simbolo Químico: CO2

• Peso Molecular: 44.01• Punto de Ebullición Normal: -78.5 oC• Presión Crítica: 1070.16 psi• Temperatura Crítica: 31 oC• Punto Triple: -56.6 oC @ 60.43 psi• 1 ton de CO2 = 17,200 SCF

(@ -17.8 oC y 300 psi)


Diagrama PVT del CO2La zona limitada por el rectángulo rojo denota aquella región en donde el CO2 se solidifica (Hieloseco), pasando de gas a sólido sin interfase líquida.Esta región es muy peligrosa durante el bombeo y señala la necesidad de bombearlo presurizado y, en el caso de pararel bombeo, de purgarlo de inmediato antes de que se forme hielo seco en la línea, dejando entrampado CO2. gaseoso que se sobrepresuriza debido al efecto del calentamiento.

Condición de Entrega

GAS

LIQUIDOSOLIDO


Diagrama PVT del CO2

La zona limitada por las dos líneas rojas señala la temperatura de trabajo de los fluidos de fractura espumados con CO2.Como la BHP es alta el CO2.permanece líquido durante el tratamiento y solo se gasifica una vez que se calienta, al terminar la fractura y disminuir la presión en el fondo (BHP), lo que hace que la región de estado del CO2 se desplace más allá del Punto Crítico, donde existe solo gas.


Temperatura del Fluido con CO2


Presión Hidrostática de Fluidos con CO2

El gráfico muestra la variación de la presión hidrostática de fluido mezclado con diferentes cantidades de CO2


Espumas de Fractura


Fluidos Espumados para Fractura

• Ventajas– Proveen energía para mejorar la limpieza– Buena eficiencia del fluido– Menos dañina a la conductividad de la fractura– Menos dañina a la formación– Buena performance reológica a baja carga de

polimérica• Desventajas

– Limitada concentración de agente de sostén– La espuma de Nitrógeno requiere una mayor presión

de bombeo (Reducida presión hidrostática)


• Es una emulsión estable de gas dentro de un líquido

• Calidad de Espuma (FQ):

• Espuma de Fractura: FQ = 52% - 96%

Q = Vg

Vg + VL

Vg = Volume de la fase gasífera

VL = Volumen de la fase líquida

Espuma


Tipos de Espuma


Estabilidad de la Espuma

Factores que afectan la estabilidad:

• Tipo de Espumante• Concentración de Espumante• Calidad de Espuma (FQ)• Tipo y concentración de polímero• Energía de mezcla


Aplicaciones

• Características:– Energizado para una mejor limpieza– Bajo contenido de líquido– Baja presión hidrostática (Espumas de N2)– Buen control de filtrado– Mínimo daño a la permeabilidad de la fractura– Buen transporte de agente de sostén

• Aplicaciones:– Reservorios depletados o de baja presión– Formaciones sensibles al agua– Pozos gasíferos de baja permeabilidad


Diseño de la Espuma de Fractura

• Fase Líquida– Gel lineal– Gel Reticulado– Hidrocarburos y alcoholes

• Fase Gaseosa– Nitrógeno– CO2

• Agentes Espumantes– Surfactante– Agente Espumante– Mezcla de ambos


La Fase Líquida

Espumas con Gel Lineal• La gelificación del fluido base:

– Incrementa la viscosidad de la espuma.– Reduce el filtrado (Leak-off)– Incrementa la estabilidad de la espuma– Mejora el transporte del apuntalante.


Carga Polimérica y Viscosidad

La Fase Líquida


Polímero y Estabilidad de Espuma

La Fase Líquida


Espumas con Gel reticulado.

• Mayor viscosidad• Menos contenido de Gas (FQ = 70%)• Mayor gradiente hidrostático• Mayor concentración de apuntalante

La Fase Líquida


Gel Reticulado y Estabilidad de Espuma

La Fase Líquida


Hidrocarburos y Alcohol Espumado• Hidrocarburos espumados con CO2

– Impráctico debido a la alta solubilidad del CO2• Hidrocarburos espumados con N2

– Costoso. Requiere surfactantes fluo-carbonatados• Alcohol Espumado

– Es usado para pozos de gas seco para evitar problemas de permeabilidad relativa

– Contenido máximo de Alcohol: 40% de la fase acuosa.

La Fase Líquida


La Fase GaseosaNitrógeno (N2)

Dióxido de Carbono (CO2)Espuma binaria (N2 + CO2)


• Ley de los Gases:

• Factor Volumétrico (β):

• La BHP es crítica para el cálculo de FQ.

PV = Z NRT

La Fase Gaseosa

( ) [ ]bblSCFZTPN /6.1982 =β

( ) NETz PhFBHP +×∆×= 281.3


Solubilidad del N2 Solubilidad del CO2

La Fase Gaseosa


Agente Espumante• Tipo de espuma de Fractura

– Se recomienda hacer pruebas de laboratorio– Los siguientes materiales pueden inhibir la formación de espuma:

• Antiespumantes• Hidrocarburos (Agregados como aditivos)• Salmueras pesadas (Incluyen algunas aguas de formación)• Alcoholes• Solventes Mutuales

• Fluido de formación– Chequee la compatibilidad con los fluidos de fractura– Puede afectar el comportamiento de la espuma– Puede crear un bloqueo por emulsión

• Agentes Espumantes Típicos:– Surfactantes– Agentes espumantes– Mezcla de ambos


Reología de la Espuma

Muchos factores afectan la reología:

Calidad de espumaMezcla y textura de la

espumaTemperaturaComposición de la

fase líquida


• Comportamiento Bifásico– Una mayor resistencia a fluir ayuda a controlar el filtrado– El control de filtrado es pobre cuando el tamaño de poro

es mayor que el de la burbuja (k > 30 mD) • Efecto de Revoque (Wall Building)

– Deposición de un revoque de polímero• Baja Calidad de Espuma (FQ)

• Alta concentración de polímero

• Para un diseño inicial use el Cw– Para k < 1 mD la Calidad de Espuma (FQ) casi no tiene

efecto– Para k > 1 mD el Cw se reduce a medida que se incrementa

la Calidad de Espuma (FQ).

Filtrado de las Espumas


Daño a la Conductividadpor Espuma

• El empaquetado de la fractura puede ser dañado por el polímero– Alta concentración de

polímero post-fractura

• La espuma deja un daño mínimo a la conductividad– Baja concentración de

polímero


Daño a la Conductividadpor Espuma

( ) polwo CFQCpC −= 1


Calidad de Espuma

• Fluido Energizado

FQ < 52%:

• Espuma

52 < FQ < 96%

• Fluido Atomizado

FQ > 96%:


Concentración de Apuntalante vs. Calidad de Espuma

• Una alta Calidad de Espuma (FQ) es deseable para:– Mejorar el transporte del apuntalante; mayor

viscosidad; mejor control de filtrado; menor daño a la conductividad

• Pero resulta en:– Baja Concentración de Agente de Sostén KFRAC

y wF bajas• Espuma Reticulada:

– FQMAX = 70%– Ninguna ventaja al reticular la espuma si FQ > 52%


Textura de la Espuma

• Textura:– Tamaño de las burbujas

• La textura afecta a:– Reología– Distribución de las burbujas– Control de Filtrado

• Se controla mediante:– Agente espumante– Viscosidad de la fase líquida


Agregado del apuntalante a la espuma

Metodos utilizados:Cuando se agrega el apuntalante es necesario ajustar la fase gaseosa de acuerdo al volumen de la fase líquida

• Sin compensación• Q + FQ en fondo constante• Gasto variable y Calidad

constante• Fase interna constante

(CIP)


Métodos de ajuste de la Calidad de Espuma

1. Calidad y Gasto de Espuma (FQ - Q]BH) en fondo constantes:– GLR = Constante– Se obtiene por:

• Ajuste del caudal de gas

• Ajuste del caudal de líquido

La Calidad de Espuma (Q]BH) en fondo puede variarse:– Reducir la Calidad de espuma (FQ) para poder colocar mayor

concentración de apuntalante• Ajuste de ambos caudales

– Ejemplo: 2 PPA: 70% quality (PPA]blender = 7 PPA)4 PPA: 58% quality6 PPA: 15% quality


Métodos de ajuste de la Calidad de Espuma

2. Calidad Constante y Gasto de Espuma variable:– GLR = Constante– Se obtiene por:

• Ajuste del caudal de gas • ó• Ajuste del caudal de líquido

– El objetivo es mantener la calidad de espuma constante para no variar la viscosidad fuera de un cierto rango.

• Ajuste de uno de los caudales, normalmente el de gas• Disminuye el caudal de la espuma en fondo.


Fase Interna Constante

• El apuntalante actúa como parte de la fase interna

• A medida que el apuntalante es agregado se rebaja una cantidad igual de gas

• Patentado por Halliburton• La viscosidad de la espuma es casi constante• Calidad de Espuma Actual:

( )p

d

da

8.34SGFQ-1

X

x- FQ FQ

foampC −=

=


Gasto y Calidad ConstanteEjemplo

Datos:

FQ = 70

Q = 20 bpm

Cp = 3 PPA Arena

Colchón:

bpm 6 0.7)-(1 20 Qbpm 140.7020 Q

bpm 20 ]Q

LIQ

GAS

BHTOT

=×==×=

=

14 bpm 6 bpm



Fluido Sucio:Gasto del Apuntalante:

[ ] [ ] [ ]

[ ]

[ ] [ ]( ) [ ]

bpm 2.39 Q

bbl/gal103.23421

bbl/gal103.23 bpm 20 FConc

FQ Q

bbl/gal 10 3.23 F

/bblpie6146.5gal/pie48.7lb/gal 8.342.65PPA 3

SGCp F

prop

3-

3-propTOT

prop

3-prop

33prop

=

×+

××=

×=

×=

×××==

14 bpm 6 bpm



Fluido Sucio:Gasto del Fluido Limpio:

( ) ( )gasgas

gasliq

gasliq

gas

TOT

gas

Q428.00.70.7-1Q

FQFQ-1Q

Q

70.0QQ

QQQ

FQ

=

==

=+

==

Gasto del gas:

( ) bpm 33.120.42812.39 - 20 Qgas

bpm 20 2.39 Qgas 0.428 Qgas QTOT

bpm 20Q Q Q Q prop liqgasTOT

=+

=

=++=

=++=

14 bpm 6 bpm



Fluido Sucio:Gasto de Líquido:

14 bpm 6 bpm

bpm 5.28 2.39 - 12.33 - 20 Q

Q - Q - Q Q

liq

propgasTOTliq

==

=

Gasto de todos los componentes:

Qliq = 5.28 bpmQgas = 12.33 bpmQprop= 2.39 bpm

12.33 5.28 2.39


Sin AjusteEjemplo

Datos:

FQ = 70

Q = 20 bpm

Cp = 3 PPA Arena

Colchón:

bpm 6 0.7)-(1 20 Qbpm 140.7020 Q

bpm 20 ]Q

LIQ

GAS

BHTOT

=×==×=

=


Sin AjusteEjemplo

Fluido Sucio:Gasto del Apuntalante:

( ) ( )

( ) 2.71bpm1-1.452 6 Q

1)-(FConc Q Q- Q Q

452.112.22

1018.34SG

Cp1 FConc

PPA 100.70-1PPA 3

FQ-1Cp] Cp]

prop

liqliqsucio-liqprop

BHBlender

=×=

==

=+=+=

===

Gasto de todos los componentes:Qliq = 6.00 bpmQgas = 14.00 bpmQprop= 2.71 bpm


Gasto Variable – Calidad Cte.Ejemplo

Datos:

FQ = 70

Q = 20 bpm

Cp = 3 PPA Arena

Fluido Sucio:

Gasto de Apuntalante:

bpm 1.86 4.13 - 6 Qprop

1.452bpm 6bpm 6

FConcQliq- sucio-Qliq Qprop

==

−=

=


Gasto Variable y Calidad Cte.Ejemplo

Gasto de Líquido limpio:

bpm 4.13 Qliq1.452

bpm 6FConcQliq Qliq

=

=

=

Gasto de Gas:

bpm 8.56 Qliq0.482

bpm 4.130.482Qliq Qgas Qgas 0.482 Qliq

=

==⇒=

Gasto de todos los componentes:Qliq = 4.13 bpmQgas = 8.56 bpmQprop= 1.86 bpm


Cálculo de la Presión en Cabeza de Pozo

• Presión hidrostática de la fase líquida

– PLH = 1.421 SGL (1-FQ) hz

• Presión hidrostática de la fase gaseosa

– Pgh = FQ (Piw – PwhN2)

• Presión hidrostática total

– Ph = PLH + Pgh

• Presión de fractura de la formación

– PFR = 3.281 ∆FRAC hZ


Cálculo de la Presión en Cabeza de Pozo

• Presión fricción en los tubulares

– Pfrtbg = 3.28E-3 ∆fr hPKR

• Presión fricción en los disparos

– Pfrdisp ⇒ ∆frdisp = f (QTOT/N)

• Presión de superficie o cabeza de pozo

– PWH = PFR - Ph + Pfrtbg + Pfrdisp


• Caudal de la fase líquidaQL = QTOT (1-FQ) [bpm]

• Potencia requerida para la fase líquidaNH = 0.0245 Pwh QL [HHP]

• Caudal de la fase gaseosaQg = QTOT FQ [bpm]

– Para Nitrógeno:

El Factor Volumétrico (βN2) es obtenido de Tablas

Cálculo de los equipos necesarios

[SCF/bbl] β [bpm] Q [SCF/min] Q N2gasN2 ×=


Requerimiento de Material

• Volumen de la fase líquida

VL = VTOT (1-FQ) [bbl]• Volumen de Nitrógeno

VN2 = VTOT x FQ x βN2 [SCF]VN2 = 0.0283 VTOT x FQ x βN2 [m3]

• Volumen de CO2 (gal)

VCO2 = VTOT x FQ [bbl]• Volumen de Espumante:

VFM = CFM x VL x 0.001 [gal]


Ejecución: Consideraciones

• Limitaciones de los Equipos

• Generación de espuma

• Método de compensación del apuntalante


Consideraciones Adicionales

• Mediciones de Presión– Presión en superficie– Densidad a través del tubing constante– Tubería muerta– Sensor de Presión en Fondo

• Concentración de Agente de Sostén– No se puede mezclar una concentración alta de apuntalante– El POD puede controlar hasta:

• 22 PPA (Arena)• 32 PPA (ISP)

• Fluido de Desplazamiento (Flush)– En lo posible, no desplace con espuma. El fluido se puede dilatar,

sobredesplazando la fractura. Hagalo con fluido energizado (FQ < 50) o con Nitrógeno puro.


Generación de Espuma

• Se necesita una buena turbulencia• La espuma fluye en flujo laminar:

– Se requiere un generador de espuma

• Generador de espuma– Una “Cruz” que contenga un

alimentador

– Recomendado para todos los tratamientos con espuma

• Surfactante– Afecta la textura de la espuma

fracturas con espumas

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