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EVALUACIÓN DEL PODER DE INHIBICIÓN DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN A TRAVÉS DE LA CARACTERIZACIÓN DE

ARCILLAS

RESUMEN

Las arcillas son materiales cristalinos de origen mineral con estructura laminar de compuestos de silicio y aluminio. Durante las operaciones de perforación de pozos petroleros, se encuentran grandes cantidades de formaciones que contienen arcillas, entre las más comunes se pueden mencionar las del tipo: smectita, illita (familia de los filosilicatos), clorita y kaolinita (familia de los tectosilicatos). Estas arcillas, al estar en contacto con el fluido de perforación, sufren fenómenos de hidratación o dispersión, los cuales generan problemas de inestabilidad en las paredes del pozo, manifestándose en forma de derrumbes, ensanchamiento del agujero, fricciones, resistencias y, en algunos casos extremos, llegar hasta el colapso del agujero. Estos problemas se traducen en tiempos no productivos y en operaciones adicionales durante la perforación. Con la finalidad de evitar o reducir este tipo de problemas y minimizar los tiempos no productivos que ocasionan, es necesario e importante caracterizar las arcillas de las diferentes etapas que se atravesarán durante la perforación del pozo y, de esta manera, definir el poder de inhibición que deberán tener los diferentes fluidos de control a utilizar para evitar los fenómenos descritos.

La caracterización mineralógica de arcillas de zonas problemáticas, permite establecer una estratégica de evaluación del poder de inhibición de los fluidos de perforación. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos respecto a la determinación analítica de los diferentes patrones de arcillas y las diferentes pruebas de laboratorio que fueron conducidas para determinar el poder inhibitorio de los fluidos de perforación, y así poder seleccionar el más adecuado para un caso en específico.

INTRODUCCIÓN

Durante las operaciones de perforación de pozos petroleros, se encuentra grandes cantidades de formaciones del tipo lutitica que contiene generalmente smectita, illita, clorita y caolinita, que al estar en contacto con el fluido circulante, en la mayoría de las ocasiones promueve la hidratación o dispersión de este tipo de lutitas. Esto genera inestabilidad en las paredes del pozo, lo cual se manifiesta en derrumbes, ensanchamiento del agujero, fricciones, resistencias y se puede llegar hasta la perdida total del pozo. Para poder reducir este tipo de problemas y minimizar los tiempos y costos que lo anterior genera durante la remediación, es necesario caracterizar las arcillas de las diferentes formaciones que se atravesarán durante la perforación del pozo antes de que los problemas ocurran. Lo anterior, permitirá definir la inhibición necesaria que requieren tener los diferentes fluidos de control en las diferentes etapas del pozo.

La caracterización mineralógica permite mejorar la selección de fluidos y tener formaciones naturales denominadas patrones tipo (formación de mina)

Copyright 2005, CIPM. Este artículo fue preparado para su presentación en el cuarto E-Exitep 2005, del 20 al 23 de febrero de 2005 en Veracruz, Ver., México. El material presentado no refleja necesariamente la opinión del CIPM, su mesa directiva o sus colegiados. El artículo fue seleccionado por un comité técnico con base en un resumen. El contenido total no ha sido revisado por el comité editorial del CIPM.

M.C. David Velázquez Cruz, Ing. Zaira González Monroy, M.I. José Manuel Pavón Prevé, M.I. Humberto Castro Martínez

PEMEX, Subgerencia de Ingeniería, División Marina Ing. Gustavo Espinosa Castañeda, Ing. Felipe Martínez Estrella

M.C. David Velázquez Cruz, M.I. Diego Bautista Pastrana Dr. Gustavo A. Santa Torrelas

Instituto Mexicano del Petróleo, Perforación y Mantenimiento de Pozos

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semejantes a arcillas de zonas problemáticas que son utilizadas en las pruebas de laboratorio, como son: la estabilidad térmica, la dispersión a condiciones de presión y temperatura, las pruebas de expansión lineal de lutitas, y succión capilar. Dichas pruebas son una herramienta básica para determinar el fluido de perforación más adecuado.

METODOLOGÍA

(a) La metodología consiste en recopilar la información para definir el mapa base y saber la ubicación física de los pozos, el estado actual de los pozos ya perforados, los pozos en perforación y el programa de desarrollo del campo, etc., así también muestra el sentido y orientación de las secciones geológicas construidas (figura 1.0).

Figura 1.0. Mapa base

(b) Posteriormente se realiza la captura diaria de los tiempos según el programa para identificar los tiempos normales, no productivos, los imputables al fluido de perforación y esperas e invisibles de tal forma de documentar el límite técnico para la selección de los pozos a estudiar. Figuras 2.0 y grafica 1.0

Figura 2.0. Comparativo de operaciones generales en la construcción del pozo

Grafica 1.0. Analisis de limite tecnico utilizando tiempo real.

a) Definir la geometría estructural del Campo y así obtener el comportamiento estructural del campo y de la formaciones que lo componen distinguiendo a los horizontes litológicos que originan problemas en la perforación, en este caso horizontes lutiticos representandolos en secciones litoestratigraficas (figura 3.0) y representar los diferentes problemas que tuvieron los pozos perforados del campo en sus dierentes etapas y produndidad de las muestras representativas tomadas para estudio en laoratorio. (figura 4.0). b)

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Figura 3.0 Sección Litoestratigrafica donde se observa zona

problemática.

Figura 4.0. Muestra los intervalos problemáticos representando

los diferentes problemas durante la perforacion y muestras.

(c) Para definir los tipos de lutitas existentes en las zonas problemáticas, se utilizan diferentes herramientas como son: análisis petrográficos, análisis mineralógico con el microscopio electrónico de barrido (imágenes SEM), análisis de dispersión de rayos X (EDX), difracción de rayos X (DRX) y intercambio cationico (CEC). Asimismo, se utilizan patrones de arcillas tipo analizadas por cada uno de los métodos mencionados como herramienta comparativa de los minerales arcillosos descritos en bases de datos. La comparación se realiza a través del reconocimiento de patrones, los cuales están dados por los elementos que hacen único a un mineral arcilloso. De la consideración de los problemas generados por hinchamiento o dispersión de lutitas, conforme a su origen geológico y composición, resulta necesario que se utilicen técnicas de evaluación

adecuadas durante las operaciones de perforación en zonas o intervalos arcillosos.

Lo más recomendable, es efectuar pruebas de laboratorio, ya sea en núcleos bien conservados o recortes de la formación. Las pruebas principales son las siguientes:

♦ La estabilidad térmica ♦ La dispersión a condiciones de presión y

temperatura ♦ Las pruebas de expansión lineal de lutitas, ♦ Y Tiempo de succión capilar (TSC).

Dichas pruebas son una herramienta básica para determinar el poder inhibitorio de los fluidos de perforación, y así poder seleccionar el más adecuado.

CASO DE APLICACIÓN:

Se obtuvieron de muestras de canal durante la perforación del pozo Sinán-DL1, y se realizo el análisis con el Microscopio Estereográfico y Petrográfico, y se obtuvo una secuencia sedimentaria correspondiente al Plioceno y se definió un paquete de aproximadamente 2000 m. de lutitas calcáreas de color gris claro y alternantes cuerpos de limonitas de igual color semicompactas y frágiles al tacto y con muy escasa presencia de areniscas. Figura 5.0.

Figura 5.0. Muestras de canal durante la perforación del pozo

Sinán-DL1, Microscopio Estereográfico y Petrográfico.

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Se obtuvo una comparación de un EDX de smectita tipo con el EDX del pozo Sinán DL1 mostrando los elementos característicos que constituyen a la smectita como son Na y Ca, el calcio tiene un incremento muy significativo indicado posiblemente como el cementante de las lutitas siendo parte del material carbonatado. (Figura 6.0.). Se observa que el K se incrementa y de acuerdo a la imagen SEM empieza a presenciar algunos rasgo morfológicos de Illitas representando así ese ligero incremento de K. (Figura 7.0).

Figura 6.0. Imagen del SEM de la muestra del pozo Sinán DL-1.

Figura 6.0. Comparación de un EDX de smectita tipo con el

EDX del pozo Sinán DL1 1040-1060 metros

El límite técnico se obtuvo a partir de los pozos Sinán DL_1, Sinán 14, Sinán 101_A, y Sinán 201 y para las operaciones de perforar se obtuvo del avance del pozo Sinán DL_1, el cual se perforo en 5.25 días con una Densidad Final de 1.53 gr. /CC (tabla 1.0). El límite técnico para la etapa del pozo en estudio está dado por los días de operación obtenidos en la perforación del Sinán DL_1. En los pozos Sinán 14, Sinán 101_A, Sinán 151 y Sinán 201 las diferencias de tiempo son atribuibles a operaciones con problemas y esperas y las horas perdidas durante la perforación de la segunda etapa son (figura 7.0):

♦ Pozo Sinán 14, 18.5 hrs. ♦ Pozo Sinán 101-A, 100.5 hrs. ♦ Pozo Sinán 201, 1.0 hrs. ♦ Pozo Sinán DL-1, 1.5 hrs.

Tabla 1.0. Etapa del pozo en estudio está dado por los días de operación obtenidos en la perforación del Sinán DL_1. En los

pozos Sinán 14, Sinán 101_A, Sinán 151 y Sinán 201

--- Smectita Sinan DL-1.

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Figura 7.0. Horas perdidas durante la perforación de la

segunda etapa.

PRUEBAS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR EL PODER INHIBITORIO DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN.

Se obtuvo el fluido Base Agua obteniendo un 40.0% de Expansión Lineal y 16. 35 seg. De tiempo de succión capilar y mas o menos estables los parámetros fisicoquímicos a la estabilidad térmica.

Tabla 2.0 Parámetros fisicoquímicos después de someterse a la estabilidad térmica.

Figura 8.0. Muestras de Formación del pozo Sinán DL-1,

Smectita tipo y Illita tipo de mina totalmente inhibidas.

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Grafica 1.0 Medición de la prueba de Expansión Lineal igual a 40.0 %

CONCLUSIONES

De acuerdo a los estudios SEM y EDX

realizados a lutitas arcillosas procedentes del campo SINAN se determino un espesor aproximadamente de 2000 m a 2500 m. constituido en su mayor porcentaje de Smectitas sensibles a la hidratación y un mínimo o de porcentaje correspondiente a illita. Este fenómeno se reflejo durante las operaciones de perforación en resistencias, derrumbes y atropamientos.

Se determino el límite técnico de la segunda etapa resultando el Pozo DL-1 con la menor problemática en la perforación de la segunda etapa con un total de 6. 25 días

Se analizaron y determinaron los tiempos no productivos imputables al fluido de perforación, observando que el sistema Ultradrill utilizado en el pozo Sinan DL-1.

Se obtuvo el fluido Base Agua obteniendo un 40.0 % de Expansión Lineal y 16. 35 seg. de tiempo de succión capilar y estabilidad térmica en buenas condiciones.

RECOMENDACIONES

Considerar el uso de los fluidos optimizados

en el estudio para minimizar los tiempos no productivos

Sustituir el sistema base agua cálcico por los sistemas optimizados.

Reformular los sistemas de E. I. para que tengan capacidad de acarreo, suspensión y poder inhibitorio, para evitar problemas operacionales.

Considerar las condiciones de operación propuestas del análisis de limite técnico.

Realizar una supervisión constante y a detalle de las propiedades físico-químicas del fluido de perforación.

Realizar una supervisión al sistema superficial de control de sólidos.

Se recomienda someter los fluidos a recirculación y limpieza aplicando el equipo separador de sólidos para evitar el incremento de las viscosidades y densidades para evitar posibles pérdidas de circulación.

REFERENCIAS

1.- D. Velazquez-Cruz et al “Selección de los

fluidos de perforación de acuerdo a las características de las formaciones de la división marina“, Proyecto F.30271, Instituto Mexicano del Petróleo, Diciembre del 2003.

2.- D. Velazquez-Cruz et al “Evaluación y optimización de materiales utilizados actualmente en el control de perdidas de circulación”, Proyecto F.30271, Instituto Mexicano del Petróleo, Diciembre del 2003.

3.- Mitchell, John, “Trouble-Free Drilling”, Drilbert Engineering Inc., 2001.

4.- Chilingarian, G.V. and Vorabutr, P. “Drilling and Drilling Fluids”, Elsevier Scientific Publishing Company, 1981.

5.- Stephen A. Nelson, “Clay Minerals”, Tulane University, www.tulane.edu/~snelson

6.- Welton J.E., SEM Petrology Atlas AAPG methods in exploration series, U.S. Chevron Co, 1984.

7.- http://www.uned.es/cristamine/, CristaMine, Universidad Politécnica de Madrid, 2000.