Impacto de las geociencias en la reducción de riesgos durante la perforación de pozos en aguas someras en México
Ing. Aroldo Joa Bermúdez Guaita
Resumen
En los campos petroleros de aguas someras del Golfo de México existen considerables volúmenes de reservas explotables, en trampas asociadas a condiciones geológicas muy particulares como zonas inestables por pasos de falla, diapiros de sal y zonas de alta o baja presión.
Dado que los yacimientos objetivos son los principales impulsores para la planeación de la trayectoria de los pozos, es necesario tomar en cuenta todas las complejidades geológicas y retos técnicos para minimizar los riesgos, como lo hemos hecho en los proyectos de perforación en México en los que ha participado Opex.
Incluso, si todos los parámetros de perforación han sido abordados y revisados en la perforación en papel, el agujero puede experimentar problemas de estabilidad como atrapamientos, pegas por diferencial, perdidas de circulación de lodo e influjos, entre otros. Estos problemas se pueden presentar de manera gradual o repentina y pueden agravarse por las propiedades del lodo o la interacción mecánica entre la roca y el ensamblaje de fondo utilizado.
Ventana de Estabilidad
Basado en la integración estructural, estratigráfica, eventos y pruebas operativas de los pozos perforados, con la propuesta del pozo a perforar, se genera un modelo para representar la ventana de estabilidad dentro de la cual se establece la densidad del fluido de perforación adecuado para el control de las geo-presiones entre el agujero y la formación a lo largo de toda la columna lo cual contribuye al diseño del pozo en cuanto a su número de etapas y control de riesgos de inestabilidad del agujero y control de influjos.
Debido a la heterogeneidad de las formaciones, tanto lateral como verticalmente, las condiciones estáticas y dinámicas para cada pozo son diferentes a los anteriores en menor o mayor medida. En campos de desarrollo, donde existen pozos que drenan fluido de diferentes formaciones, a diferentes ritmos, las geo-presiones varían de acuerdo con el nivel de conectividad por distancia y por la permeabilidad que pueda existir entre los puntos de drene de los pozos productores y los distintos niveles geológicos que se van penetrando durante la perforación. Estas posibles variaciones exigen la actualización de la ventana geomecánica y posiblemente ameritan cambios en el diseño del nuevo pozo.
También en campos de desarrollo es común que, con el aumento de la densidad de pozos en una trampa, sea necesario extender el alcance de los siguientes pozos, motivo por el cual aumenta la incertidumbre geológica en zonas donde las correlaciones pierden efectividad por el distanciamiento entre pozos, cambios estructurales como posición y número de fallas y las variaciones laterales de los ambientes sedimentarios. Ésta es razón suficiente para incrementar las acciones de mitigación de riesgos, reducción de incertidumbre geológica e inclusive reforzar los cuidados y monitoreo de los parámetros y acciones operativas durante la perforación.
Perforación de un nuevo pozo
Básicamente, el diseño de la perforación de un nuevo pozo es el seguimiento y continuidad de la perforación de los pozos anteriores, en donde el entendimiento necesario para el éxito de la perforación radica en la integración de todas las disciplinas y en particular las del equipo de geociencias.
En este artículo, además de mostrar la estructura y el flujo de trabajo del equipo de geociencias, se incluyen varios casos prácticos de proyectos de Opex Perforadora para demostrar el potencial que tienen las geociencias en brindar el acompañamiento técnico necesario para optimizar la perforación de pozos.
Introducción
Previo a la perforación de un pozo la primera información que se tiene es el entendimiento geológico estructural del área en estudio. Esta información permite saber, comprender y analizar los riesgos inherentes a las variables geológicas intrínsecas inalterables existentes.
Las geociencias juegan un papel preponderante en el proceso de toma de decisiones antes y, fundamentalmente, durante la perforación de un pozo, lo que repercute en ahorros de tiempo y, en consecuencia, en costos de perforación. Esto último es debido a que se evalúan los posibles riesgos y se diseñan planes de contingencia para su mitigación en situaciones como atravesar o navegar en planos de falla, diapiros de sal o zonas de presiones anormales, situaciones que pueden ocasionar eventos de perforación como atrapamientos, pegas por diferencial, perdidas de circulación de lodo, influjos, así como cualquier evento asociado a la geología que impacte en el proyecto.
Análisis y evaluación
El flujo de trabajo de las geociencias dentro de una empresa de perforación inicia con el análisis y evaluación del plan e ingenierías iniciales de perforación, previo al inicio de las operaciones. Posteriormente, durante la perforación, es cuando aumenta el riesgo de eventos operativos indeseables que incrementan los tiempos de perforación, tiempos no productivos y costos operativos.
El equipo de geociencias “vigila” estrechamente todas las etapas de las operaciones, a fin de generar, de manera oportuna y eficaz, planes de mitigación para los eventos y problemáticas durante la perforación, cuyo proceso se muestra en la siguiente figura.
Figura 1. Diagrama esquemático con las problemáticas, riesgos y eventos durante la perforación cuya causa, mitigación y manejo dependen de las geociencias.
Para brindar el soporte geocientífico adecuado y efectivo, es necesario contar con un equipo multidisciplinario cuya base fundamental es la geomecánica, geofísica y la geología, asistidas continuamente por la petrofísica y la ingeniería de yacimientos.
Es importante mencionar que el flujo de trabajo del equipo de geociencias está conectado con todos los procesos de perforación, desde que se recibe el requerimiento del servicio de perforación hasta la terminación del pozo, interactuando con los equipos de diseño, perforación, fluidos, direccional, cementos, corridas de tuberías de revestimiento, entre otros.
Durante la perforación, es primordial mantener el seguimiento lito-estratigrácifo y establecer la correlación estratigráfica, estructural y litológica entre el pozo en perforación y los pozos correlativos para identificar posibles cambios en las profundidades de cimas formacionales, intersección de fallas, entradas y salidas de domos salinos que puedan poner en riesgo la continuidad del programa operativo del pozo.
En la siguiente sección, se detallan 6 casos de proyectos de perforación de Opex en donde se evidencia el peso y el valor del análisis geocientífico para llevar a cabo con éxito la perforación de pozos.
6 casos en los que el análisis geocientífico contribuyó al éxito de la perforación
A. Cambio del punto de asentamiento y rediseño del peso de lodo en la etapa de TR de 16”.
Derivado del análisis de los eventos de perforación en los pozos del área, se identificó una zona de presión anormal a +/- 2400 mv, en las areniscas del Plioceno inferior, históricamente perforados en la etapa de 16” con densidades de lodo del orden de 1.46 g/cm3. En dicha zona de presiones anormales, los pozos de correlación han presentado problemas de influjos, pérdidas totales por el bajo gradiente de fractura al inicio de la etapa, mismas que han causado atrapamientos por colapso de agujero al presentarse la pérdida de la columna hidrostática y la incapacidad de circular para limpiar el pozo.
Haciendo uso de dicho análisis, se calibró el modelo geomecánico con el que se determinaron los límites del gradiente de fractura para recortar la etapa de 16” de 2400 a 2200 mv, evitando así perforar dicha zona de presiones anormales en la etapa antes mencionada, ya que la siguiente etapa iba a ser perforada con densidad de lodo máxima de 1.68 g/cm3, suficiente para mantener evitar cualquier evento de control de pozo.
El beneficio se percibió de inmediato al reducirse las pérdidas de fluido durante la perforación de la etapa de 337 m3 en el pozo P-2DEL a 10 m3 en el P-41, más 10 días de tiempo no productivo empleados en el control de pozo.
B. Reducción de pérdida de fluido y justificación del equipo MPD a partir del análisis geomecánico.
En términos estrictamente de perforación en las etapas de producción, el campo puede dividirse en dos: el lado Este, en el cual, el yacimiento mostró presiones en JSK del orden de 1000 Kgf/cm2 y una roca que exhibió un comportamiento de poca permeabilidad en la mayor parte de la columna geológica.
Por otro lado, el oeste, el cual tuvo una presión de yacimiento de +/- 800 Kgf/cm2 en la formación JSK y un comportamiento durante la perforación de roca naturalmente fracturada.
Figura 2. Distribución de los pozos en el campo P sobre la cima de la formación JSK.
Los pozos del lado oeste del campo fueron perforados con una densidad de lodo del orden de 1.90 g/cm3 y en dos etapas: un liner de 7 ¾” asentado en medio de JST y un agujero de 6 ½” hasta la profundidad total del pozo en la formación JSK, con pérdidas de lodo a formación de hasta 4000 m3 en una sola etapa.
Con la información de perforación de los pozos de correlación y el modelo geomecánico, se estimó un nuevo gradiente de presión de formación y se recomendó el uso de equipo de contrapresión (MPD) para la perforación de la etapa.
Estas recomendaciones, junto con el seguimiento geomecánico de la perforación, redujeron los tiempos de perforación y las pérdidas de fluido en 75%, con lo que se delineó el nuevo standard de la perforación en Mesozoico en el lado Oeste del campo.
C. Reducción de la perdida de fluido en la entrada de la sal.
La etapa de 13 5/8” en el campo se perforó con lodo de E.I. de densidad de 1.63 a 1.75 g/cm3 y tuvo como objetivo aislar las rocas del Plioceno y Mioceno, asentando el revestidor en la cima de la sal para así poder incrementar la densidad de lodo en la siguiente etapa a valores del orden de 2.15 g/cm3.
La densidad máxima de lodo en esta etapa se determinó por la mínima densidad necesaria para evitar el cierre de agujero en la cima de la sal e, históricamente, ha sido determinada empleando el nomograma de Leyendecker. Estas curvas, las cuales consideran el fenómeno de “creeping” para determinar la densidad de lodo necesaria para mantener el agujero estable por un periodo determinado, datan del año 1975 y fueron desarrolladas para condiciones de agujero muy específicas y probadas en la cuenca de Luan, en Texas.
Nuestro campo se encuentra en el Golfo de México, donde las estructuras salinas están formadas en su mayoría por halita. La halita, en comparación con otras sales cuya estructura está compuesta de cloruros de potasio o calcio, es la que presenta la menor afectación por efectos de creeping. Esto se confirmó durante la perforación de los pozos en el campo, mismos que, con temperaturas en domo de sal de hasta 140°C, se mantuvieron estables por más de 700 horas y sin problemas asociados al cierre de agujero por tiempo de exposición.
Figura 3. Tiempo de exposición del intervalo salino en los pozos del campo.
D. Minimización de los ritmos de pérdidas mediante el manejo proactivo de la densidad del fluido en un área expuesta con diferentes regímenes de presión.
Este tipo de eventos se deben a perdidas de circulación por disipación de presión al pasar por una falla no sellante, como fue el caso de la sección de 12 ¼” de este pozo. Al no tener la opción de bombear baches obturantes, se procedió a bajar el peso del lodo de 1.35 gr/cm3 a 1.33 gr/cm3 para bajar el gasto de pérdidas de 24 m3/día a 1 m3/día.
Figura 4. Imagen sísmica que refleja discontinuidades cercanas al paso de falla lo cual genero pérdidas de circulación por disipación.
La decisión de bajar el peso de lodo a 15 días de la finalización de la etapa permitió que, en lugar de perder 360 m3, solo se perdieran 76 m3. Con esto se demostró que el control y conocimiento de los límites técnicos de la ventana geomecánica permite minimizar las pérdidas aún en condiciones severas de fracturamiento y fallas transmisibles abiertas al flujo, lo que se traduce en la minimización de costos no programados.
E. Reducción de costos por reducción de la densidad del lodo derivado de la optimización del modelo geomecánico del campo T
La construcción de un modelo geomecánico en el campo T permitió diseñar un peso de lodo mucho menor comparado con la experiencia del campo. Esto repercutió, desde el punto de vista de operaciones en plataforma, en facilitar las operaciones durante la perforación. De igual forma, esta reducción del peso de lodo mitigó el riesgo de pega por diferencial de presión en las arenas superiores del plioceno medio y las arenas yacimientos pues ya se habían reportado en pozo del campo el atrapamiento de una sonda de registros producto del alto peso de lodo utilizado en el campo.
Figura 5. Comportamiento gráfico de la variación de las densidades del fluido de perforación vs. profundidad TVD con la evolución de los pozos perforados en el campo T.
El resultado del entendimiento del comportamiento de presiones del campo y las propiedades mecánicas de la roca permitieron, en el 5to pozo perforado en el campo, la reducción del peso de lodo requerido hasta en 20 puntos lo cual reflejó la optimización en el modelo geomecánico del campo.
F. Identificación y modelado estructural 3D para la interpretación detalla de fallas en la zona del pozo para detectar sistemas de fallas no presentes en la sección a rumbo del pozo.
Figura 6. Sección sísmica en profundidad a rumbo del pozo (izquierda) y sección sísmica en profundidad perpendicular a la trayectoria del pozo.
Los eventos geológicos de fallas documentados en la ingeniería inicial correspondieron a los identificados únicamente en la sección sísmica a rumbo de la trayectoria del pozo M-8 los cuales correspondieron a 3 fallas normales, sin embargo, sistemas de fallas fueron identificadas posteriormente por medio de análisis más detallados con secciones sísmicas perpendicular y radiales a la trayectoria del pozo permite identificar un sistema de fallas de menor dimensión pero mayormente distribuidas en la trayectoria del pozo.
La pega del pozo M-8 correspondió a un evento geológico durante la perforación en una zona fracturada, de alta complejidad estructural con planos de debilidad asociados a la existencia de un sistema de fallas no considerada en la ingeniería inicial. Tomando en cuenta esta consideración, los siguientes pozos M-2 y M-3 fueron perforados sin problemas.
Otros casos en los que el análisis geocientífico fue clave para el éxito de la perforación de pozos
Sin duda, hay otros ejemplos de cómo el análisis geocientífico ha contribuido en proyectos de perforación de pozos en aguas someras del Golfo de México. Algunos otros casos destacados en los que las geociencias tuvieron un impacto sustancial en proyectos de perforación en México son:
- Minimización de los riesgos de atrapamiento diferencial de presión basado en la reducción de los tiempos de exposición BHA/TR en el agujero en zona de yacimientos arenosos.
- Cálculo del ángulo de ataque para identificar zonas susceptibles de derrumbes para optimizar los baches de reforzamiento para mitigar riesgos de inestabilidad de aguajero.
- Seguimiento del comportamiento del Caliper en tiempo real, ECD y cajas de recorte para evaluar la efectividad de limpieza de agujero y descartar derrumbes angulares asociados al peso de lodo recomendado.
- Sección del cuerpo de carbonatos inestables en la formación Mioceno Inferior.
- Identificación de zonas de altos torques, y paros de rotaria por mineralogía.
- Aseguramiento de la perforación hasta la profundidad de asentamiento mediante correlación de muestras de canal, palentología y ROP en ausencia de herramientas LWD.
- Identificación y modelado estructural 3D para la interpretación detalla de fallas en la zona del pozo para detectar sistemas de fallas no presentes en la sección a rumbo del pozo.
- Correlación de eventos con el modelo estructural del campo.
- Control de estabilidad de zonas facturadas en pasos de falla.
Indicadores del impacto de las geociencias sobre la perforación
En la siguiente imagen se observan los pozos perforados en los campos M, T, U y P en orden cronológico donde se identifica el aumento progresivo del índice de construcción producto de la optimización de los procesos de perforación guiados por el conocimiento geológico y dinámico de los campos que han derivado en la mitigación de riesgos geológicos, reducción de tiempos de perforación, reducción de tiempos improductivos y costos asociados a actividades y materiales no previstas en los programas de perforación.
Figura 7. Índice de construcción en pozos de los campos M, T, U y P.
A continuación, se presentan las causas que generaron tiempos no productivos en los pozos del campo P.
Figura 8. Causas de NPT en los pozos P-37, P-41 y P3.
Los tiempos no productivos (NPT) están compuestos por tiempos por fallas, por esperas y por problemas o eventos. En notable como los NPT en dos de los tres pozos perforados en el campo P se deben a problemas o eventos que dependen de la ingeniería programada y su adaptación a las condiciones operativas reales durante la perforación, viajes de la sarta de perforación e introducción de tuberías de revestimiento.
Figura 9. Diagrama de distribución de NPT en el campo P (izquierda) y diagrama con la distribución de problemas en los pozos del campo P.
De acuerdo con los esquemas anteriores, la principal causa de NPT son los problemas o eventos ocurridos durante la perforación originados por las variaciones de las condiciones estáticas (estructura de las formaciones) y dinámicas (geo presiones) del agujero que no fueron consideradas en la etapa de diseño e ingeniería de detalle y, por ende, generan eventos y acciones no programadas que derivan en costos adicionales.
La resolución de estos problemas requiere en un 95% de la intervención del equipo multidisciplinario de geociencias. En el campo P más del 50% de los de los problemas estás asociados a control de pozo y atrapamientos de sarta y TR.
Conclusiones
El control de la inestabilidad del agujero por planos de debilidad amerita baches de reforzamiento cuya efectividad requiere de análisis geocientíficos.
La existencia de una subestructura multidisciplinaria de geociencias de apoyo y seguimiento a la perforación hace posible elaborar los métodos para anticipar y entender el origen los eventos geológicos y, con ello, identificar, de una manera integral, las posibles causas de los problemas que generan NPT.
El éxito de las operaciones de levantamiento del ensamblaje de fondo e introducción de tuberías de revestimiento está íntimamente relacionado con el tipo de litología y composición mineralógica presente a lo largo del agujero por lo que conocer su distribución y el comportamiento de los parámetros durante la perforación son la clave para detectar las zonas susceptibles a inestabilidad que requieren cuidados y atención especial.
Integración
La integración de la información litológica proveniente de la cabina de hidrocarburos, en conjunto con los parámetros de perforación y registros en tiempo real, además de análisis geológicos, representan una alternativa efectiva para realizar correlaciones aceptables y, con ello, hacer optimizaciones en los asentamientos de tuberías de revestimiento en casos donde existan fallas en las herramientas de LWD.
El aumento de la eficiencia de las actividades de perforación durante el desarrollo de campos marinos está directamente influenciado por el cada vez mayor nivel de
entendimiento de las condiciones geológicas y dinámicas de los campos, reflejado en el incremento de los índices de construcción evidenciados en todos los campos intervenidos.
La evolución en el entendimiento de los campos específicamente de sus condiciones geológicas y de yacimientos han permitido elaborar modelos geomecánicos más realistas y optimizados que, en algunos casos, han generado ahorros significativos en fluidos de perforación por uso de fluidos de menor densidad a los pozos previos y minimización de pérdidas de circulación hasta de 75%.
Por último, con base en las causas de los NPT, el impacto de las geociencias en proyectos de perforación es mayor al 50%.
Este texto es un extracto del artículo “Impacto de las geociencias en la reducción de riesgos durante la perforación de pozos en aguas someras en México”, presentado en la edición 2022 del Congreso Mexicano del Petróleo, en Villahermosa, Tabasco. El artículo completo, elaborado por Aroldo Joa Bermúdez Guaita, René Gerardo García Vega, Miguel Alberto Briceño Venaventa, Ana Madelien Bello Lezama, José Santos Elías Tovar, José Vicente de Armas Monque y Eduardo González Niño, puede consultarse aquí.
Semblanza del Ing. Aroldo Joa Bermúdez Guaita
Aroldo Joa Bermúdez Guaita es ingeniero petrolero con 24 años de experiencia en yacimientos y producción. El ingeniero Bermúdez Guaita ha participado en diferentes proyectos de estudios integrados en operadores y empresas de servicios de petróleo y gas en América del Norte y América Latina. Además, tiene experiencia en análisis geocientíficos aplicados a la ejecución de programas de perforación para minimizar la incertidumbre geológica. Actualmente, el ingeniero Bermúdez Guaita es Gerente de Geociencias en Opex donde administra el soporte geocientífico para los proyectos de desarrollo de campos costa afuera “Aguas Someras” y de Campos Prioritarios de Tierra HPHT en México enfocado en mejorar la eficiencia de las operaciones de perforación.
