EVALUACION DE LA PERFORACION BAJO BALANCE EN BARINAS VENEZUELA

José Páez, Manuel González, Victor Salazar ─ PDVSA

Resumen
La Trampa “O”, BOR-2E, del Campo Borburata, está situada aproximadamente a 12 Kms. al suroeste de la ciudad de Barinas y fue descubierta en el año 1994 con la perforación y completación del pozo BOR- 2E. Como consecuencia del plan de explotación propuesto para el yacimiento, se contempla la perforación de localizaciones adicionales para drenar las reservas remanentes. La presión original del yacimiento fue de 4500 lpc y la presión actual es de 2500 lpc a un datum de 11650′. Debido a las condiciones de presión y el tipo de formación del yacimiento (caliza naturalmente fracturada), durante la perforación convencional de los pozos en la trampa “O”, BOR-2E se han reportados perdidas severas de circulación “parcial” y “total”.

El campo Bejucal está ubicado al sur de la ciudad de Barinas, con un área de 750 Km2. En los pozos BEJ-7 y BEJ-9, durante su perforación, hubo problemas de pérdidas severas de circulación en la formación Escandalosa (Miembro “O”). En estos pozos, se totalizó una perdida de fluido superior a los 10.000 bls, y un tiempo perdido de 30 días sin lograr llegar hasta la P.T. estimada en ambos pozos, con lo cual se hacia imposible continuar perforando bajo condiciones normales.

Debido a esto se planteo como alternativa para la solución de este problema operacional, aplicar la técnica de “Perforación Bajo Balance”, (UBD) en el hoyo de producción (al nivel de la formación
Escandalosa miembro “O”) en el campo Bejucal y luego se extendió la aplicación de la técnica “UBD” al campo Borburata, completando también a “hoyo abierto”.

Introducción
En el pasado en los campos Bejucal y Borburata del Distrito Barinas, se perforaba en sobre balance la formación Escandalosa “O” perteneciente al Cretáceo y caracterizada por calizas naturalmente fracturadas, utilizando un fluido base agua con una densidad entre 9.7 – 8.4 lbs/gal, presentándose problemas severos de pérdida de circulación y pegas diferenciales, incidiendo negativamente en el normal desarrollo de las operaciones (tiempos y costos de los pozos) y en la obtención de información valiosa del yacimiento.

Durante la perforación convencional de los pozos BEJ-2, BEJ-7 y BEJ-9 del campo Bejucal se presentaron problemas relacionados con pérdidas severas de circulación, específicamente en laformación Escandalosa, Miembro “O”, como ejemplo está el pozo BEJ-9 en donde se registraron pérdidas superiores a los 7000 bbls de lodo hacia la formación. Debido a lo anterior se planteo como alternativa para solucionar este problema operacional, aplicar la técnica de perforación Bajo Balance, “Under Balance Drilling” (UBD) en la construcción del hoyo de producción (a nivel de la formación Escandalosa, miembro “O”) en el campo Bejucal (BEJ-10 y BEJ-11) y luego se extendió la aplicación de la técnica “UBD” en el campo Borburata, completando también a “hueco abierto”. Para esa fecha no se disponía de suficiente información para realizar un modelo geomecánico que permitiera establecer el comportamiento de la formación durante la perforación bajo balance. De esta forma se decidió trabajar con los históricos de los pozos que habían sido perforados y completados a hoyo desnudo en otros campos, para perforar los pozos BEJ-10 y BEJ-11 con la técnica “UBD”. Los pozos de referencia fueron perforados en el campo Maporal (SMW-14, SMW-16, SMW-28) y en el campo Torunos (TOR-9) y completados a “hoyo abierto” en el miembro “O” del yacimiento Escandalosa. Si bien es cierto que estos son campos con características diferentes es mejor tener un modelo aproximado que ninguno. Entre los antecedentes de los cuatro pozos tomados como referencia, no se reportan problemas de inestabilidad de hoyo en la perforación de los intervalos completados a hoyo abierto, en la completación original y en los servicios realizados a estos pozos.

A partir del año 2002 se implementó la perforación bajo/cerca del balance (UBD/NBD) en este objetivo productor, empleándose un sistema de fluido del tipo bifásico, constituido por un fluido 100% aceite mineral de 6,8 lbs/gal en su fase líquida y por N2 en su fase gaseosa. La formulación de la fase líquida comprende básicamente el aceite mineral Vassa LP-90 mezclado con un viscosificante polimérico (INTOIL y/o BDF-319) especialmente diseñado para estos tipos de fluidos. Previamente se realizaron pruebas de laboratorio para predecir su comportamiento bajo las condiciones reales del yacimiento a fondo de pozo (BHST = 280 °F). A la fecha se han perforado 5 pozos con la técnica UBD y/o NBD en estos campos: BEJ-10, BEJ-11 (cortó núcleo orientado), BOR-15, BOR-17 y BOR-19, empleándosepara ello un fluido bifásico Base Aceite de Baja Densidad, lográndose densidades entre 4.1 – 5.0 lbs/gal (lpg) y excelentes resultados en cuanto a la disminución de los volúmenes de fluido perdidos, eliminación de pegas diferenciales, reducción del daño a la formación, limpieza de hoyo, captura de información del yacimiento, completación a hoyo abierto, tiempos y costos de perforación y en la productividad de los pozos.

En el pozo BEJ-10 (direccional: 40°) se inicio la aplicación de la técnica de perforación bajo balance, “UBD”; el mismo fue perforado y completado en la formación Escandalosa “O” a “hoyo abierto” sin presentar problemas de inestabilidad del hoyo. Posteriormente el pozo incrementó el corte de agua (% AyS) y en el suplemento de completación original (SCO) se generó un “Pez”, por lo cual; el pozo se encuentra actualmente suspendido. El pozo BEJ-11 (vertical) fue el segundo pozo donde se aplicó la técnica “UBD”, el mismo fue perforado y completado en la formación Escandalosa “O” a “hoyo abierto” sin presentar problemas de inestabilidad del hoyo. También se encuentra suspendido por los resultados de producción, 100 AyS.

La evaluación de la técnica de “Perforación Bajo Balance” (UBD) en el campo Borburata y las experiencias de otros campos, permitirán optimar la eficiencia de la perforación en yacimientos agotados y naturalmente fracturados al reducir los problemas operacionales, además de maximizar la producción de los pozos por reducción del daño a la formación. El propósito de este trabajo es evaluar la técnica de Perforación Bajo Balance (UBD) en el hoyo de producción de los pozos completados “hoyo abierto” en la formación Escandalosa “O”, campo Borburata del distrito Barinas, mediante:

• El análisis y revisión técnica de los pozos perforados con la aplicación de “UBD” en el campo Borburata.

• Simulación de la hidráulica del flujo multifásico y evaluación de los parámetros operacionales reales de la “Perforación Bajo Balance”.

• Finalmente proponer el diseño de “Perforación Bajo Balance” óptimo y factible para los requerimientos del área (desarrollo actual y largo alcance).

Cabe destacar que en el campo Borburata, objeto de este estudio, actualmente existen tres (3) pozos perforados con la técnica “UBD” y completados a “hoyo abierto” en la formación Escandalosa “O”. Estos pozos son el BOR-15 (Direccional tipo “J”: 30°), BOR-17 (Vertical) y el BOR-19 (Direccional tipo “J”: 40°).

Datos del Yacimiento
El yacimiento “O” BOR-2E de la formación Escandalosa, de edad Cretáceo está compuesto litológicamente, por una mezcla de carbonatos (dolomías y calizas naturalmente fracturadas) y siliciclásticos (areniscas, limolitas y lutitas), depositados en nueve ciclos sedimentarios, separados por superficies erosivas, que han sufrido diferentes procesos diagenéticos. El ambiente de sedimentación, ha sido interpretado como una plataforma carbonática marina somera y ambientes de Llanuras de Marea con entradas variables de siliciclásticos. La figura 1 muestra la estratigrafía del área de Barinas.

La mayor parte del almacenamiento de hidrocarburo en este yacimiento, está ubicado en los niveles dolomitizados con porosidad intercristalina, móldica, vugas y fracturas. La litología en la formación Escandalosa miembro “O”, juega un papel muy importante en el comportamiento de producción, ya que está compuesta de dolomitas, calizas, arenas y arcillas, y en donde la alta producción de este horizonte esta asociada a un tipo de dolomita que tiene fracturas, vugas y microfracturas.

La figura 2 presenta detalles de las facies dolomíticas del núcleo en Escandalosa “O”, BOR-12.

En la trampa BOR-2E a nivel del yacimiento Escandalosa miembro “O” se han perforado y completado 10 pozos, de los cuales actualmente están activos 6 pozos con una producción acumulada de 17.1 MMBNP. Según la última caracterización del modelo estático del yacimiento Escandalosa “O” las reservas remanentes se sitúan en el orden de los 9.143 MMBls de petróleo de 28 °API.

La presión inicial del yacimiento fue de 4500 lpc @ 11 650’ TVD y la presión actual es de aproximadamente 2 500 lpc @ 11 650’ TVD. El yacimiento “O” BOR-2, presenta a partir de 1998 una fuerte declinación debido mecanismo de producción presente en el yacimiento, es decir, está asociado principalmente a la expansión roca-fluido y gas en solución. La figura 3 visualiza la curva de declinación de presión del yacimiento.

Campo Bejucal
El campo Bejucal está situado geográficamente al sur de la ciudad de Barinas, con un área de 750 Km2 y geológicamente está situado en la parte alta del arco de Mérida, en el segmento Oeste, limita al Sur con el campo Páez – Mingo, al Oeste con los campos productores de Barinas al Noreste con parte del Flanco Surandino. Es un campo relativamente nuevo ya que el primer pozo se perforó en el año 1996 y hasta el año 2004 se han perforado 12 pozos.

Campo Borburata
El campo Borburata está conformado por varios segmentos limitados por fallas. Está ubicado geográficamente en el estado Barinas aproximadamente a 29 Kms. al suroeste de la ciudad y cubre un área aproximada de 450 Km2. El primer pozo se perforó en el año 1994 y hasta el año 2004 se habían perforado 20 pozos. En el Campo Borburata hay varios pozos en producción con presencia de H2S

Antecedentes
Perforación sobre Balance
En la perforación sobre balance la presión ejercida por el fluido de perforación es mayor a la presión de formación, impidiendo el flujo del pozo. La invasión del filtrado de lodo es inducida por el diferencial de presión aplicado a la formación y el daño ocasionado a los yacimientos productores por taponamiento de la garganta poral es mayor. En la figura 5 se presenta el proceso de perforación sobre balance.

En los campos Bejucal y Borburata del Distrito Barinas en el pasado se perforaba convencionalmente la formación Escandalosa “O” perteneciente al Cretáceo y caracterizada por calizas naturalmente fracturadas, utilizando un fluido base agua con una densidad entre 9.7 – 8.4 lbs/gal, presentándose problemas severos de pérdida de circulación y pegas diferenciales, incidiendo negativamente en el desarrollo de las operaciones (tiempos y costos de los pozos) y en la obtención de información del yacimiento. Durante la perforación convencional de los pozos BEJ-7 y BEJ-9 se presentaron problemas relacionados con pérdidas severas de circulación, específicamente en la formación Escandalosa “O”. En esta formación se perdieron 2343 Bbls en el pozo BEJ-7 y 7843 Bbls en el pozo BEJ-9, para un total de 10186 Bbls de fluido de perforación perdidos hacia la formación.

En la perforación sobre balance de varios pozos del campo Borburata también hubo problemas de pérdidas severas de circulación en la formación Escandalosa, miembro “O”, registrándose un total de volumen de lodo perdido de 4407 Bbls; distribuidos así: 880 Bbls en BOR-7, 172 Bbls en BOR-8, 2938 Bbls en BOR-11 y 417 Bbls en BOR-16. En la figura 6 se grafican los volúmenes de lodo perdidos en estos 2 campos con la perforación convencional.

Completación a Hoyo Abierto
En el momento de perforar el primer pozo (BEJ-10) con la tecnología “UBD”, no existía suficiente
información que condujera a la visualización de un modelo geomecánico de tal manera de predecir el comportamiento de la formación en la perforación bajo o cerca del balance. Por esta razón, se recurrió a los datos históricos de los pozos que habían sido perforados y completados a “hoyo abierto” en el área de Barinas, los cuales fueron tres pozos en el campo Maporal (SMW-14, SMW-16, SMW-28) y un pozo en el campo Torunos (TOR-9), todos completados a “hoyo abierto” en el miembro “O” del yacimiento Escandalosa. Estos campos se diferencian en ciertas características de los campos Bejucal y Borburata, sin embargo sus datos y los antecedentes exitosos (no se reportaron problemas en la perforación de los intervalos completados a hoyo abierto) sirvieron de valiosa referencia para la tomar la decisión de perforar y completar a “hoyo abierto” los pozos propuestos con la técnica “UBD”.

Perforación Bajo Balance
En la técnica de “Perforación Bajo Balance”, (UBD) la presión ejercida por el fluido de perforación es intencionalmente mantenida por debajo de la presión de poro del yacimiento, permitiendo el flujo del pozo. La técnica de UBD tiene como objetivos principales perforar yacimientos agotados, yacimientos naturalmente fracturados y minimizar daños a la formación. Otros beneficios de la técnica permiten reducir problemas operacionales (pérdida de circulación, pega de tubería, etc.), incrementar la tasa de perforación, producir en forma temprana y monitorear los fluidos de la formación. Además de maximizar la producción de los pozos por reducción del tiempo de interacción roca-fluido. La figura 7 representa el proceso de perforación bajo balance.

En la planificación y/o aplicación de la técnica “UBD” debemos tener presente lo siguiente:

• Fluido de Perforación
Tanto en perforación convencional como en perforación bajo balance se debe tener especial atención en el diseño del fluido de perforación, ya que el mismo forma parte vital del éxito de la perforación. Si bien es cierto que en ambos tipos de trabajo la esencia del fluido es el transporte de ripios, no es menos cierto que la planificación de este es distinta ya que los mismos tendrán propiedades y características particulares. De esta forma cuando se considera perforar en bajo balance el fluido no debe formar revoque por no ser necesario en este tipo de técnica, a su vez, se debe considerar que en la mayoría de los trabajos de perforación bajo balance se tendrá un fluido bifásico en el anular, lo cual limita la capacidad de suspensión de ripios, siendo este punto importante a la hora de realizar conexiones, viajes o cualquier parada de flujo que se realice desde superficie. De esta misma forma es necesario considerar la disminución en la capacidad de enfriamiento que tienen los fluidos bifásicos en relación a los fluidos monofásicos. Conjuntamente con estos factores se deberá considerar el cálculo del volumen equivalente del fluido, ya que si se tiene un fluido compresible en el medio el volumen equivalente que este representa, variará a lo largo del hoyo con la profundidad, presión y temperatura.

Debido al hecho de presentar la formación Escandalosa en el miembro “O”, una densidad equivalente de 4.13 lbs/gal, aproximadamente; existe la posibilidad de continuar con la aplicación de la técnica de “UBD” con sistema bifásico, mediante la inyección de nitrógeno (N2), el cual; se describe a continuación:

• Lodo Nitrogenado
Con este tipo de fluido bifásico se busca tener un sistema que se adapte a los requerimientos del pozo. En el diseño de los fluidos bifásicos se deben considerar el fluido a ser utilizado, el caudal equivalente, la limpieza del hoyo y la presión de fondo:

o Fluido a ser utilizado El sistema de lodo nitrogenado trabaja con una mezcla de un fluido líquido y uno gaseoso que en este caso es nitrógeno (N2). En torno al sistema líquido se estableció que el mismo sería aceite mineral Vassa con viscosificante, para mejorar la reología. La densidad del lodo es equivalente a 6.8 lbs/gal. El mismo será mezclado con nitrógeno (N2), para reducir su peso, de esta forma se obtiene una ventana operacional que varía entre 6.8 y 4.0 lbs/gal.

o Caudal equivalente de Fondo: Al trabajar con un fluido monofásico es sencillo determinar el caudal de fluido en el fondo, no obstante cuando se trabaja en presencia de fluidos con fase gaseosa, es necesario el uso de simuladores para determinar la variación en volumen que experimenta el gas en función de la presión y la temperatura; de esta forma se obtendrá un caudal equivalente como resultado de la consideración del volumen ocupado por la fase líquida aunado al volumen ocupado por la fase gaseosa. El valor del caudal equivalente de fondo es utilizado para determinar la posibilidad de perforación con el mismo, sin que este valor transgreda los limites de los equipos que se están utilizando y sin que el caudal con el que se está trabajando cause una erosión del hoyo que se esté perforando, ya que este tipo de casos complica tanto las operaciones de perforación como las de completación.

En la figura 8 se muestra un ejemplo de los caudales equivalentes de fondo, que se obtienen como resultado de la variación de caudales de líquido y nitrógeno @ 11124 pies de profundidad para un
lodo base aceite de 7.2 lbs/gal.

De la gráfica anterior se obtiene la ventana operacional de la inyección de fluido al hoyo.

o Limpieza del Hoyo: Para pozos que se perforan en condición bajo balance con fluidos nitrogenados la velocidad del fluido se convierte en el mayor elemento de acarreos de ripios. De esta forma se recomienda en la bibliografía y en las experiencias de campo que para pozos horizontales se deberá tener un mínimo de 180 pies/min. y 145 pies/min. para pozos direccionales con una inclinación inferior a 45°, para tener un buen acarreo de ripio.

En la figura 9 se visualiza la variación de la velocidad en función de la variación de caudales de inyección tanto líquido como gaseoso en el fondo.

Como se muestra en la figura anterior, la velocidad mínima de líquido se encuentra en todos los casos por encima del valor mínimo de velocidad. De esta forma la velocidad de circulación en el fondo, no representa limitante, con lo cual se tendrá una excelente limpieza de hoyo.

o Presión de Fondo: En sistemas bifásicos la presión anular de fondo se encuentra bajo la influencia de la relación volumétrica existente entre el líquido y el gas. De esta forma se tiene que

mientras el fluido se encuentre en condición únicamente influenciada por la gravedad (hidrostática) se tendrá que con un aumento de la inyección del gas o una disminución en la inyección de líquido la presión de fondo disminuirá. No obstante esta disminución será atenuada gradualmente a medida que aumentan las fuerzas de fricción en el hoyo por el efecto del aumento del porcentaje
gaseoso en él. Por lo que, cuando el régimen de flujo se encuentra en condición netamente de fricción el efecto se revierte y al haber un aumento de la inyección de gas o una disminución de la inyección de líquido existirá un aumento de la presión de fondo, debido a las fuerzas que están interactuando en el sistema; la fricción que ejercen los fluidos contra el espacio anular variará en la medida que se esté variando los caudales de inyección. Los resultados de laboratorio y experiencias de campo han concluido que la variación de la presión de fondo por la paralización del sistema de inyección durante las conexiones causa un aumento de presión de fondo que puede llegar hasta 200 lpc. El diseño de perforación “UBD” deberá contemplar una presión de trabajo por debajo de este valor.

En la figura 10 se presenta la variación de la presión anular en el fondo vs. la variación de los caudales de inyección, a su vez, se muestra la presión de yacimiento y la presión de trabajo propuesta.

Como se muestra en la figura anterior se podrá conseguir con facilidad una condición bajo
balance, para la perforación del pozo.

Análisis Operacional
Como se explicó anteriormente, en el diseño de perforación bajo balance se deben considerar tres
factores principales: velocidad anular, caudal equivalente y presión de fondo. De esta forma en el diseño óptimo de “UBD” estos factores deben ser utilizados como mínimos y máximos para determinar la ventana operacional en cada proyecto. En nuestro caso de estudio, no existe ninguna limitante por el caudal mínimo de inyección y las velocidades anulares de fondo, con lo cual las únicas limitantes están dadas por el caudal máximo, la presión de fondo y la tasa máxima de inyección de nitrógeno.

Equipos “UBD” de Superficie
En la operación de perforación cerca o bajo balance se deben usar equipos adicionales a los utilizados en la perforación convencional. El sistema de equipos para realizar la operación se muestra en la figura 12, y su funcionamiento se inicia con la compresión del aire de la atmósfera que pasa a la unidad de generación de N2, (93 – 98.5% de pureza), constituida por membranas finas de fibra óptica que separan el O2 y otros gases (Argón, Helio, CO2, Hidrocarburos, etc.) del N2, aprovechando el mecanismo de permeabilidad selectiva (difusión gaseosa del gas mas pesado, N2). Luego se eleva la presión del N2 a través de los Boosters y se inyecta a la línea de mezclado con el fluido en la proporción necesaria para formar el sistema bifásico que permitirá alcanzar el ECD requerido. Este fluido genera una presión de fondo (BHCP) ligeramente menor o igual a la presión del pozo para luego perforar y acarrear los ripios hacia la superficie, en donde los separadores en serie harán la segregación del gas hacia el quemador y la fase líquida y sólida se envía hacia el equipo de control de sólidos para que se efectúe la separación mecánica y se reutilize el fluido.

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