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Equipos y Herramientas de Perforación de PozosEquipos de Perforación: Sistema de Control de Brotes

Ing. Juan Carlos Sabido Alcántara

Ingeniero Petrolero

Facultad de Ingeniería UNAM

Ing. Juan Carlos Sabido Alcántara Equipos y Herramientas de Perforación de Pozos 2

Equipos de Perforación – Sistema de Control de Brotes

•Este sistema es aquel que es necesario tener pero quedebemos de evitar usar, esto es porque si lo utilizamoses probable que nos encontremos en una situación dealto riesgo para la operación, el equipo y sobre todo elpersonal.•Su función es la de controlar la entrada de fluidosprovenientes del yacimiento al pozo y evitar una posiblemanifestación violenta en superficie, es decir, fluidossaliendo del pozo a alta presión y temperatura.

Equipos y Herramientas de Perforación de Pozos 3Ing. Juan Carlos Sabido Alcántara


•Para entender la función de los equipo que integran elSistema de Control de Brotes primero debemos conocery comprender lo que es un brote, y dominar el conceptode presión durante las operaciones de perforación. Paraesto revisaremos las siguientes definiciones.



• Brote: “Un flujo no controlado de fluidos de yacimiento en elpozo, y a veces catastróficamente, hacia la superficie. Unreventón puede consistir en agua salada, petróleo, gas o unamezcla de éstos. Los reventones se producen en todos los tiposde operaciones de exploración o producción, no solamentedurante las operaciones de perforación. Si los fluidos deyacimiento fluyen hacia otra formación y no a la superficie, elresultado se conoce como reventón subterráneo. Si el pozo queexperimenta un reventón posee intervalos significativos deagujero descubierto, es posible que el pozo se obture (o se sellecon fragmentos de roca provenientes del derrumbe de lasformaciones) en el fondo; por ende, se evitará cualquier esfuerzode intervención.” – Oilfield Glossary, Schlumberger.



•Brote: Se presenta cuando la presión ejercida por lacolumna del fluido de perforación es menor que lapresión de los fluidos contenidos en el yacimiento, dichapresión se conoce comúnmente como Presión de Poro ysu relevancia abarca las tres ramas de la IngenieríaPetrolera: Perforación, Yacimientos y Producción.•Descontrol: El descontrol es un brote que no se hapodido manipular a voluntad manteniéndolo en unacondición segura para la operación, el equipo y elpersonal.



• Presión de Poro: “La presión de poro es a la que seencuentran sometidos los fluidos en los poros.” - JoséAlejandro Isidro García.• “La presión de poro es la presión con la que se encuentranlos fluidos dentro del volumen poroso en el yacimiento.” -Arturo Azael Alcocer Bonilla.• “La presión de poro es la que ejercen los fluidos en el espacioporoso de la formación sobre la matriz de la roca.” – JuanCarlos Sabido Alcántara.• Los fluidos generalmente son aceite, gas y agua deformación.



•Palabras menos palabras más, generalmente sobre losmismos conceptos, este tipo de definiciones acerca dela presión de poro son las más simples, son a grandesrasgos ciertas, pero no son realmente una definicióncompleta desde un punto de vista ingenieril. Paradefinir con precisión a la presión de poro es necesarioabordar otros conceptos.



• La formación de las rocas sedimentarias ocurre cuandose depositan capas de sedimentos bajo diferentesambientes de depósito, todo esto ocurre a lo largo demillones de años.

•Durante este proceso la presión de sobrecarga seincrementa conforme los sedimentos se acumulan.



•El incremento de la sobrecarga compacta lossedimentos, esto se refleja en un decremento de laporosidad.

•Dicho de otra forma, el proceso de compactaciónocurre mientras que el agua de formación es expulsadadel espacio poroso, y el esfuerzo de sobrecargasoportada por esa agua de formación es transferido a lamatriz de la roca reduciendo la porosidad.



•Si en el proceso de sedimentación y compactación setiene un balance entre el peso de los sedimentos y lacapacidad de las formaciones para expulsar los fluidos,y estos escapan debido a la sobrecarga, lacompactación es entonces función de la profundidad,haciendo que la porosidad reduzca, teniendo de estaforma un proceso de compactación normal.



•Si en el proceso de depósito de sedimentos los fluidosno pueden escapar de los poros de la formación, lacompactación se detiene evitando que la porosidad sereduzca con la profundidad. A dicho fenómeno se le dael nombre de desequilibrio en la compactación.•El desequilibrio en la compactación es el principalgenerador de sobrepresiones, esto es debido a que losfluidos confinados en el espacio poroso soportan mayorparte de la sobrecarga.



•Hasta aquí podemos dar una nueva y más atinadadefinición de PRESIÓN DE PORO:

•¿Ideas?



•La presión de poro (Pp) es la presiónoriginada por los procesos de depósitoy compactación de sedimentos a laque se encuentran sometidos losfluidos contenidos en los poros de laformación.



•Recapitulando, el incremento de la sobrecarga ocasionacompactación de las rocas, reduciendo así el volumendel poro y forzando la expulsión de los fluidos de laformación.• La pérdida de porosidad varía con el tipo de roca, cadatipo tendrá un límite inferior más allá de la cual ningunacompactación mecánica posterior es posible, y a partirde ahí, la perdida de porosidad es debido a lacompactación química.



•Para explicar el proceso de compactación de la roca seutiliza el modelo descrito por Terzaghi, consiste de unrecipiente cilíndrico que tiene una serie de pistonesseparados por resortes, el espacio entre los pistonesestá lleno con agua y los pistones están perforados.

•Hottman y Johnson utilizaron este modelo más adelantepara definir la presión de formación.



• Etapa A: Válvula de drene cerrada, al aplicar una carga (S), la presión en el fluido (P) seincrementa, y los resortes (𝜎) no soportan parte de la carga (S).

• Etapa B: La válvula de drene se abre, la presión en el fluído (P) se reduce y los resortes (𝜎)empiezan a soportar parte de la carga.

• Etapa C: La presión en el fluido (P) es debida a la altura de su columna y los resortes (𝜎)soportan también parte de la carga (S).



•Concluimos así que:

•𝑃𝑝 = 𝑆 − 𝜎

•En donde la presión de poro 𝑷𝒑 es la presión originadapor los procesos geológicos de depósito ycompactación de la roca a la que se encuentransometidos los fluidos contenidos en los espaciosporosos de la formación.



•𝑃𝑝 = 𝑆 − 𝜎

• La presión de sobrecarga S es el peso de la columna deroca más los fluidos contenidos en el espacio porosoque soporta una formación a una determinadaprofundidad.•El esfuerzo efectivo o de matriz 𝝈 es el esfuerzogenerado por el contacto grano a grano de la matriz deroca, el cuál está en función de la sobrecarga a laprofundidad de interés.



•Presiones anormales: Volvamos al desequilibrio en lacompactación, cuando los procesos de sedimentación ycompactación no se llevan de manera “normal”, esedesequilibrio provocará una condición anormal nosolamente en la porosidad de la roca, también sereflejara en la presión de poro.



•Presiones anormales: Al estar perforando se puedellegar a presentar esta condición, en la que si no seconoce la zona, ya sea por falta de información (pozoexploratorio) o por error en el análisis de la misma(error humano), puede ocurrir una diferencia muygrande entre la presión por columna de lodo y lapresión anormal presente en la formación.



•Presiones anormales: Esto provocará un brote y en unalto porcentaje un descontrol.

•Presiones subnormales: Estas presiones son lo contrarioa las anormales, es decir, debido a algún fenómenogeológico o la explotación misma de los fluidoscontenidos en el yacimiento, estos han sido desalojadosprovocando una baja de presión considerable en laformación.



•Presiones subnormales: Debido a esto se puedepresentar el fenómeno de pérdida de circulación parcial,esto es, cuando la presión ejercida por la columna defluido es mucho mayor que la de presión de poro, elfluido puede comenzar a filtrarse y tener unadisminución del flujo de lodo en la superficie, lo queconlleva a diferentes problemas operativos.



• La presión que soporta una roca sin que se fracture, es función de suresistencia a la tensión y de los esfuerzos a los que se encuentrasometida en el subsuelo, todo esto se ha determinado a través deexperiencias de campo y laboratorio.

• Dependiendo de la magnitud de los esfuerzos principales, la fracturaserá vertical u horizontal, pero siempre se fracturara perpendicular alesfuerzo mínimo.



• En campo, para definir por anticipado la resistencia a lafractura de la roca se lleva a cabo una prueba de integridad ala presión unos metros debajo de cada punto deasentamiento de tubería de revestimiento.

• Es decir, este tipo de pruebas se realizan durante laperforación del pozo.

• Para efectos del curso la prueba de hermeticidad de TR y laprueba de integridad de formación serían suficientes, sinembargo hablaremos también de la prueba de goteo o LeakOff Test.



• La presión que soporta una roca sin que se fracture, es función de suresistencia a la tensión y de los esfuerzos a los que se encuentrasometida en el subsuelo, todo esto se ha determinado a través deexperiencias de campo y laboratorio.

• Dependiendo de la magnitud de los esfuerzos principales, la fracturaserá vertical u horizontal, pero siempre se fracturara perpendicular alesfuerzo mínimo.



•Prueba de hermeticidad de TR.



•Prueba de integridad de formación.



•Prueba de Goteo o Leak of Test.



• Presión de goteo (Pg), punto de presión enel cual la relación lineal entre el volumenbombeado y la presión de bombeo cambiade pendiente.

• Presión de fracturamiento (Pfr), punto enel cual la presión de bombeo caesúbitamente debido al fracturamiento dela roca.

• Presión de propagación (Pprop), valor depresión en determinado lapso de tiempo,cuando la presión de bombeo se mantieneconstante durante la inyección debido a lapropagación de la fractura.



• Presión de cierre instantáneo (Pci),valor de presión inmediatamente deque se cesa la inyección de fluido alpozo.

• Presión de cierre (Pc), valor de presiónque se mantiene constante durantecierto lapso de tiempo, después dehaber cesado el bombeo de fluidos alpozo.

• Presión de reapertura (Pr), valor depresión en el cual la fractura inducidavuelve a abrirse y propagarse.



•Gradiente de Fractura: Es la relación entre la presiónde fractura y la profundidad de la formación.

𝑮𝑭 =𝑷𝒇𝒓𝒂𝒄𝒕𝒖𝒓𝒂

𝑷𝒓𝒐𝒇𝒖𝒏𝒅𝒊𝒅𝒂𝒅



•Ejercicios.• En el Pozo UNAM 1 se requiere realizar una prueba de goteo. Con TR 95/8”, Di 8.625” cementada a 4600 m, se perforó a 4605 [m] con barrenade 8 ½” para hacer la prueba de goteo, el gradiente de fracturaconocido para el área es de 𝐺𝐹 = 0.90 ൗ𝑝𝑠𝑖

𝑓𝑡 el lodo de perforación esde E.I. de 1.32 Τ𝑔𝑟 𝑐𝑚3 . Calcular la presión requerida en la cabeza(presión de bombeo).

• En el Pozo UNAM 2 se realizó una prueba de goteo. Con TR 9 5/8”, Di8.625” cementada a 3600 m, se perforó a 3615 [m] con barrena de 8 ½”para hacer la prueba de goteo, el gradiente de fractura conocido para elárea es de 𝐺𝐹 = 0.85 ൗ𝑝𝑠𝑖

𝑓𝑡 . Si la presión en la bomba fue de 2731 𝑝𝑠𝑖 .¿Cuál fue la densidad de el lodo de perforación en Τ𝒈𝒓 𝒄𝒎𝟑 ?



•Ejercicios.• En el Pozo UNAM 1 se requiere realizar una prueba de goteo. Con TR 9 5/8”, Di8.625” cementada a 4600 m, se perforó a 4605 [m] con barrena de 8 ½” para hacerla prueba de goteo, el gradiente de fractura conocido para el área es de 𝐺𝐹 =

0.90 ൗ𝑝𝑠𝑖𝑓𝑡 el lodo de perforación es de E.I. de 1.32 Τ𝑔𝑟 𝑐𝑚3 . Calcular la presión

requerida en la cabeza (presión de bombeo).

• 𝑷𝒇𝒓𝒂𝒄 = 𝑮𝒇𝒓𝒂𝒄 ൗ𝒑𝒔𝒊𝒇𝒕 ∗ 𝑷𝒓𝒐𝒇 𝒇𝒕 = 𝒑𝒔𝒊

• 𝑷𝒉𝒊𝒅 =𝝆 ൗ

𝒈𝒓

𝒄𝒎𝟑 ∗𝒉 𝒎

𝟏𝟎= ൗ𝒌𝒈

𝒄𝒎𝟐

• 𝑷𝒇𝒓𝒂𝒄 = 𝑷𝒉𝒊𝒅 + 𝑷𝒃𝒐𝒎𝒃𝒂



• Causas de los Brotes: En las operaciones de perforaciónsobre balance se mantiene una presión hidrostáticaligeramente mayor que la de formación, de esta forma sepreviene el riesgo de que ocurra un brote. Caso contrario,si la presión de formación excede a la presión hidrostáticaejercida por el lodo ocurrirá un brote, originado por:

• Densidad insuficiente del lodo.• Llenado insuficiente durante los viajes.• Sondeo del pozo al sacar tubería demasiado rápido.• Contaminación del lodo con gas (“corte”).• Pérdidas de circulación.



•Causa 1.- Densidad insuficiente de lodo: La densidadinsuficiente del lodo es una de las causas principalespor las que se originan los brotes. Lo ideal es perforarcon la densidad de lodo mínima con el objeto deoptimizar la velocidad de penetración; es decir, que lapresión hidrostática sea solamente la suficiente paracontener la presión de formación.•Cuando se perfora una zona permeable mientras seusan densidades mínimas de lodo, los fluidos de laformación pueden fluir hacia el pozo y así producirseun brote.



•Causa 1.- Densidad insuficiente de lodo: Lo más lógicoes pensar “Perforemos con densidades elevadas y asíevitar un brote”, esto no es lo más viable pordiferentes razones:• Se puede exceder el gradiente de fractura de la formación e induciruna pérdida de circulación.

• Se incrementa el riesgo de tener pegaduras por presión diferencial.• Se reduce significativamente la velocidad de penetración.• No se puede evaluar el comportamiento de presión del yacimiento.• Se daña más la formación por filtración de lodo.



•Causa 1.- Densidad insuficiente delodo: Es fácil entender entoncesporque se debe de perforar con ladensidad de lodo apenas suficientepara tener una presión hidrostáticapor arriba de la presión de poro delyacimiento.



•Causa 2.- Llenado insuficiente durante los viajes:Cuando se saca o introduce tubería dentro del pozo,ya sea de perforación, producción y de revestimiento,el nivel del lodo se reduce (sacando) o se desplaza(metiendo), esto provoca una reducción de la columnade fluido y la consecuencia es lógicamente unareducción en la presión hidrostática en el fondo, por loque se vuelve fundamental llenar el pozo para evitaresto. El caso más dramático de esto es cuando seextraen o introducen los lastrabarrenas y la HW o ensu caso la TR.



•Causa 2.- Llenado insuficiente durante los viajes: Lasnormas API-16D Y API-RP59, indican que deben dellenarse el espacio anular con lodo antes de que lapresión hidrostática de la columna signifique unadisminución de 5 kg/cm² (71 lb/pg²) o cada cincolingadas de tubería. Sin embargo esto no es siemprecorrecto y es necesario llenar antes, por lo queidealmente debemos de realizar el cálculo paraobtener con exactitud cuándo llenar el pozo.



• Causa 2.- Llenado insuficiente durante los viajes:• Ejercicio 1: En el pozo UNAM 1 se perforó a 2,200 [mD] conlodo de E.I. de 1.22 [gr/cc], se recuperó la barrena asuperficie y se planea bajar con tubería franca de X95, 4”,15.70 [lb/pie], y diámetro interno de 3.24” para colocar untapón de cemento a 1,200 [mD] dentro de una TR N80 de 75/8”, 45.30 [lb/ft], diámetro interno de 6.435” cuya zapatase encuentra a 1,500 [mD]. Calcular el volumen de fluidodesplazado por tramo de 9 [m], calcular el número detubos introducidos en el pozo para tener una variación depresión de 3 [kg/cm^2].



• Causa 2.- Llenado insuficiente durante los viajes:• Ejercicio 2: En el pozo UNAM 2 se perforó a 3,250 [mD] conlodo de E.I. de 1.36 [gr/cc], se recuperó barrena PDC de 9½” a superficie por cambio de la misma y se planea bajarcon barrena PDC nueva de 9 ½” tubería de X95, 4 ½”, 13.75[lb/pie], y diámetro interno de 3.958” con válvula decontrapresión pegada al porta barrena, la TR inmediata esP110 de 7 5/8”, 55.30 [lb/pie], diámetro interno de 6.125” ytiene la zapata 2,000 [mD]. Calcular el volumen de fluidodesplazado por tramo de 9 [m], calcular el número detubos introducidos en el pozo para tener una variación depresión de 3 [kg/cm^2].



• Causa 2.- Llenado insuficiente durante los viajes:• Ejercicio 3: En el pozo UNAM 2 se perforó a 3,650 [mD] conlodo de E.I. de 1.38 [gr/cc], la siguiente operación esrecuperar la barrena PDC 9 ½” tubería de X95, 4 ½”, 13.75[lb/pie], y diámetro interno de 3.958” con válvula decontrapresión pegada al porta barrena, la TR inmediata esP110 de 7 5/8”, 55.30 [lb/pie], diámetro interno de 6.125” ytiene la zapata 2,000 [mD]. Calcular el volumen de fluidodesplazado por tramo de 9 [m], calcular el número detubos introducidos en el pozo para tener una variación depresión de 3 [kg/cm^2].


GRACIASIng. Juan Carlos Sabido Alcántara

Ingeniero Petrolero

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Ing. Juan Carlos Sabido Alcántara Equipos y Herramientas de Perforación de Pozos 52

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