Ventana operacional: Definicin y mtodos para su determinacin

Introduccin

Los problemas de estabilidad e hoyo tienen lugar cuando los esfuerzos en las cercanas del hoyo exceden la resistencia de la roca. Para prevenir este problema, debe existir y mantenerse un balance entre los esfuerzos y la resistencia de la roca durante toda la perforacin del pozo.

La columna de material rocoso y fluidos extrada durante la perforacin no solo induce nuevos esfuerzos, sino tambin modifica las presiones del hoyo.

Ventana operacional

La ventana operativa nos dice si podemos perforar o no un pozo, es el rea definida principalmente por las curvas de presin de poro y el gradiente de fractura. (Fig. 1)

Fig. 1

Las siguientes dos curvas en las que consiste la ventana operacional son el esfuerzo mnimo (cierre de las fracturas inducidas, y lmite de rompimiento, prdida total de circulacin). Estas cuatro curvas permiten definir las densidades de lodo y asentamiento de tubera de revestimiento ptimo, que garantice la integridad mecnica y el gradiente de formacin suficiente para la planeacin de cada etapa.

Los estudios geomecnicos nos ayudan a determinar la ventana operacional, pueden ser tan sencillos o complejos dependiendo de la informacin con la que se cuente pero al final se debe generar la curva de colapso de la formacin (Fig. 2). La relacin entre la curva de colapso de la formacin y la presin dentro del pozo determina la presencia de cavernas, cierres de pozo, atrapamientos de sarta, y fractura de la formacin entre otros fenmenos.

Fig. 2La ventana operacional de perforacin se construye considerando el producto de la combinacin de los gradientes de ovalizacion y fractura y un factor de seguridad, como datos clave para prevenir la iniciacin de las fallas de corte y fracturas durante las actividades de perforacin. (Fig. 3)

Fig. 3

Una de las formas de mantener el pozo en la ventana operacional es con el fluido de perforacin, que est limitado por dos fronteras (Fig. 4):Frontera superior: Es la presin que causa la falla de tensin que origina la perdida de fluido de perforacin. La frontera es estimada desde el campo de esfuerzo en sitio representado por un gradiente de fractura o presin mxima determinada. La mxima densidad del lodo es la que se crea una presin de poro que supera la suma de las resistencias a la traccin de formacin y el esfuerzo tangencial en la pared del pozo.Frontera inferior: Presin requerida para proveer el esfuerzo de confinamiento, el cual es removido durante la perforacin. El esfuerzo de confinamiento promueve la creacin de una zona plstica y previene la falla de corte. La frontera es estimada desde el campo de esfuerzo en sitio. La presin mnima de lodo es la que crea un gradiente de presin de ovalizacion por ruptura de la pared del pozo.Fig. 4

En el siguiente esquema (Fig. 5) se tiene el gradiente de ovalizacion por ruptura de la pared del pozo y fracturamiento mostrando la densidad esttica equivalente ESD y la densidad de circulacin equivalente ECD. La estabilidad del pozo se consigue cuando la ESD y la ECD se mantienen dentro de la ventana segura (barra verde).Si la densidad de lodo est por debajo de la presin de poro o por encima de la presin de fractura, el pozo puede colapsarse o la formacin fracturarse respectivamente, los cuales constituyen condiciones severas de prdida de control de pozo.

Fig. 5Otra consideracin que se debe realizar es que durante el movimiento de tuberas se producen cambios en la presin de fondo que pueden ocasionar flujo de fluidos de la formacin al pozo (brote), si no se consideran estos efectos durante los viajes. Lo anterior hace necesario tomar en cuenta un margen de control para el diseo del asentamiento de las tuberas de revestimiento cuando se analizan por efecto de la densidad fluido de control.El margen de control sobre la presin de poro estar conformado por la suma del margen de viaje y un factor de seguridad. Para estos mrgenes es necesario realizar clculos de las presiones de empuje y succin en pozos de correlacin o suponiendo una geometra conocida del pozo a perforar. Sin embargo, existen valores reportados en la literatura que varan entre 0.024 a 0.060 gr/cc para el margen de viaje (succin y empuje).Adems de estos mrgenes, es deseable emplear pesos de lodo que ejerzan una presin mayor a la presin de formacin, por lo que se debe considerar un factor de seguridad para la densidad equivalente del lodo a utilizar, de entre 0.024 a 0.036 gr/cc. El margen de control es la suma del margen de viaje y el factor de seguridad dando como resultando valores entre 0.05 a 0.10 gr/cc sobre el gradiente de presin de poro.

As mismo, se debe utilizar un margen de fractura por efecto de empuje durante la introduccin de tuberas o en el caso del control de un brote, por lo que se debe reducir al gradiente de fractura pronosticado en el rango del margen de viaje (0.024 a 0.060 gr/cc).

Este valor puede ser obtenido para cada rea en particular de pozos de correlacin donde se hayan realizado operaciones de control de brotes, es decir, la densidad del fluido para controlar el brote menos la densidad del fluido de perforacin antes de que ocurriera el brote. El valor recomendado es de 0.030 gr/cc.

Particularmente en la perforacin se tienen aplicaciones principalmente para la determinacin de la ventana operacional en la estabilidad de pozos, y determinar as el colapso de tuberas de revestimiento, diseo de barrenas, localizacin de pozos y diseo de la trayectoria en funcin de los esfuerzos in situ para reducir la problemtica de la perforacin.

Especficamente, en el anlisis de estabilidad se requiere de conocer los parmetros elsticos, poroelsticos y de falla de las formaciones, tales como mdulo de Young, Relacin de Poisson, Constante de Biot, resistencia uniaxial a la compresin, ngulo de friccin interna, cohesin para construir el modelo de roca a lo largo de la profundidad o intervalo de inters;

Modulo de YoungAntes de alcanzar la resistencia pico de un material rocoso, la curva esfuerzo-deformacin presenta un comportamiento lineal o elstico para la mayor parte de la roca. En el campo elstico, la deformacin es proporcional al esfuerzo y se cumple la relacin:

Esta relacin es conocida como la ley de Hooke, donde E es la constante de proporcionalidad conocida como mdulo de Young o modulo de elasticidad y ax es la deformacin axial (Fig. 6). Fig. 6El modulo de Young es una medida de la rigidez o de la resistencia de una muestra de roca al ser comprimida por un esfuerzo uniaxial.La ley de Hooke no es vlida una vez superado el lmite de elasticidad del material debido al esfuerzo aplicado en l.

Relacin de PoissonLa relacin de Poisson V es una medida de extensin lateral relativa a la contraccin longitudinal:

Donde t es la deformacin transversal de la roca al estar sometida a un esfuerzo (Fig. 7). Fig. 7El signo negativo de la relacin de Poisson representa que cuando hay un alargamiento longitudinal se produce, al mismo tiempo, una contraccin lateral y viceversa. La relacin de Poisson es dimensional.La relacin de Poisson depende del tipo de litologa

Tanto el modulo de Young como la relacin de Poisson pertenecen a un grupo de coeficientes llamados mdulos elsticos.Los mdulos elsticos de las rocas bajo las mismas condiciones de origen y entorno dependern de la naturaleza de su anisotropa, es decir, de la orientacin del material para una configuracin dada.

Bibliografa

http://prezi.com/zud-npttnca0/guia-de-diseno-para-el-asentamiento-y-diseno-de-tuberias-de-revestimiento/

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