FRACTURAMIENTO ACIDO

CONGRESO MEXICANO DEL PETROLEO 2010 FACTORES DE ÉXITO EN OPERACIONES DE FRACTURAMIENTO  ÁCIDO A POZOS Autores: Ing. Yuri de Antuñano Muñoz/ Ing. Michael Lysandrou Costa Coautores: Dr. Jorge A. Arévalo Villagrán/ M. en I. Miguel A. Lozada Aguilar

Resumen Cada vez con mayor frecuencia, la explotación de yacimientos carbonatados de baja permeabilidad juega un papel importante para dar frente a las demandas energéticas a nivel mundial, requiriéndose para ello la aplicación de tratamientos de estimulación por fracturamiento ácido, para producir hidrocarburos a regímenes económicamente rentables. El éxito de este tipo de tratamiento, depende de la identificación y control de cada uno de los factores que intervienen en todo el proceso, antes, durante y después. En este trabajo se presentan el desarrollo de una metodología y procedimientos para la toma de decisiones en el diseño, implementación y evaluación de fracturamientos ácidos a pozos, basados en pruebas de laboratorio y experiencias de especialistas de diversas disciplinas, para asegurar la efectividad y el éxito de estas operaciones.

Introducción El Fracturamiento ácido en formaciones carbonatadas de baja permeabilidad (k 3 ó 5 veces Qoi?

Tratamiento Matricial

Reparación

No

Si No

Si

¿Máximo beneficio alcanzado por Tratamiento Matricial?

¿Permeabilidad menor a 10 md?

Si Tratamiento Matricial

Si

Fracturamiento  Ap un tal ad o

No

No

¿Solubilidad al HCl > al 80%?

Efectuar Fracturamiento  Ác id o Si

Determinar b en eficio s a obtener med iante un  An ális is No da l co ns ideran do tre s es ce nar io s: 1.- Reparación (redisparo, ampliación intervalo y/o sistema artificial). 2.- Tratamiento Matricial. 3.- Fracturamiento Ácido

Figura 5.- Proceso de toma de decisión

La utilización de los datos en forma oportuna posee diversos beneficios económicos, los cuales permiten minimizar los riesgos y maximizar las oportunidades de incremento de producción con la aplicación de este tipo de tratamientos de estimulación.

Pruebas de Laboratorio La base fundamental de un fracturamiento ácido es la conductividad creada por el ácido a lo largo de la fractura grabada en la roca y de esta depende del sistema ácido a emplear, las principales pruebas de laboratorio que se deben realizar para la selección óptima del sistema ácido son5: a) Caracterización Físico-Química de los fluidos producidos b) Pruebas de Solubilidad de la roca (núcleo de formación) con los sistemas ácidos a evaluar. c) Pruebas de compatibilidad por emulsión entre el aceite del pozo y los sistemas ácidos a evaluar. d) Pruebas de lodo asfáltico. 7

e) Pruebas de grabado de la roca con los sistemas ácidos a evaluar. f) Pruebas de velocidad de Reacción. Para el éxito de cualquier tratamiento con ácido es importante contar con información precisa sobre las reacciones químicas relacionadas con los minerales de la formación. La mayoría de los datos sobre la cinética de las reacciones químicas disponibles al público provienen de pruebas realizadas a temperaturas inferiores a las condiciones de acidificación de la matriz en el campo, de ahí la importancia de efectuar pruebas con núcleos de formación a condiciones de temperatura de yacimiento. La comprobación de nuevos tratamientos y técnicas en el laboratorio ofrecen numerosa ventajas, incluyendo la simplicidad, el costo y la prevención de posibles problemas en el campo. La disponibilidad de buenos datos de laboratorio permite seleccionar adecuadamente los sistemas de tratamiento óptimos a aplicar al pozo. El uso adecuado de las pruebas de laboratorio permite optimizar los volúmenes de los sistemas químicos a emplear en fracturamientos ácidos, así como, identificar los posibles problemas que se pueden dar durante el proceso de acidificación de la roca. En las figuras 6, 7, 8 y 9 se presentan los procesos de las pruebas de laboratorio antes descritos.

Caracterización de los fluid os producidos

 Aceit e (%)

•Densidad (ºAPI) •Contenido de Asfaltenos (%P) •Contenido Parafinas APM (%P) •Contenido Parafinas BPM (%P)

Sólidos (%)

Agu a (%)

•Densidad (g/cm3). • Asp ecto •Salinidad (ppm) •Dureza (Ca+Mg) (pp m) •pH

•Tipo de sólido (Orgánico/Inorgánico) •Solubilidad

Fig.6.- Caracterización Físic o-Química

8

Emulsión (%)

• Contenido de Fases • Fase continu a • Fase Discontinu a • Solubilidad

Estas pruebas permiten identificar el tipo y mecanismo de daño presente en el pozo y/o en el yacimiento, en caso de existir. Para determinar si la formación es susceptible a la aplicación de un fracturamiento ácido, la prueba de solubilidad de la roca con los sistemas ácidos a evaluar, permite definir si la roca es soluble al contacto con ácido y en qué proporción, figura 7. Procedimiento de Prueba de solubilidad de la roca con ácido Secarmuestra por 1 hora en unamufla Utilizar 100 ml del sistema ácido seleccionado, incluyendo todos sus aditivos Pesar 1.0 g de muestra de núcleo de formación (limpio no impregnado de aceite) Colocar en un vaso de precipitado los 100 ml del sistema ácido propuesto y 1.0 g de mu estra de núcleo (roca) Colocar en baño María a temperatura de180 ºF (82 ºC)por untiempode1 hr  Filtrar muestra con apoyo de una bomba de vacio y un papel filtro No 41 y lavar  residuos delsistema

Pesar muestra y determinar el porcen taje de peso disuelto por el sistemaácido evaluado

%CaCO3 soluble = Peso muestra ‐ Residuos

Nota.- para el caso de núcle os contaminados con aceite, el procedimiento es muy similar, únicamente se agregan 25 ml de crudo y 75 ml del sistema ácido . Cabe señalar, que en estas pruebas el poder de disolución se reduce considerablemente en comparación a núcleos limpios.

Fig.7.- Procedimiento de Prueba de solubilidad de la roca c on si stemas ácidos

Si al aplicar la prueba a la muestra de roca de formación a fracturar con ácido se obtienen porcentajes de solubilidad menores al 80%, es indicativo que la roca no es susceptible a la disolución del ácido y no es candidata a un fracturamiento ácido, ya que se obtendrá un grabado deficiente. En caso contrario, se seleccionarán aquellos sistemas ácidos que hayan obtenido el mayor porcentaje de solubilidad de la roca. Para definir si los sistemas ácidos y ácidos gastados en contacto con los fluidos del yacimiento no formarán y/o crearán un daño adicional en la fractura creada, la prueba de compatibilidad por emulsión

permite determinar el grado de

compatibilidad de los sistemas ácidos-gastado y el aceite del pozo. En la figura 8 se muestra el procedimiento.

9

Procedimiento de Prueba

Tomar 50 ml d el aceite crudo del pozo

Preparar 50 ml del Sistema ácido a probar 

Mezclar durante 35 seg en un frasco de prueba, 50 ml de aceite crudo y 50 ml del sistema ácido a probar  Colo car la mezcla a Baño María precalentado a la temperatura de fondo de pozo

Registrar tiempo y volumen de separación de fases (ácido/aceite)

Fig.8.- Prueba de Compatibilidad por emulsión

El tiempo de separación de las fases no deberá ser mayor a los 30 minutos, para garantizar que el sistema ácido reaccionará eficientemente con la roca y no ocasionará un daño adicional. Sistemas ácidos que no rompan en este intervalo de tiempo no deberán ser aceptados para su aplicación. La prueba de lodo asfáltico permite definir si el sistema ácido en contacto con el aceite del yacimiento no tiende a formar sludge o lodo asfáltico, que dañé a la formación de manera irreversible, en la figura 9 se muestra el procedimiento de prueba.

Procedimiento de Prueba

Una vez rota la emu lsión al 100% (Prueba de Compatibilidad por emulsión)

Observación

Trazas

Pocos sólidos retenidos en la malla

Moderado

Mayor cantidad de sólidos retenidos

Alto

Severa cantidad de sólidos retenidos

Lavar sólidos con agua caliente

Pasar sistema /crudo por un a malla 100 La probeta de prueba deberá estar limpia una vez vaciado por la malla 100

Precipitado

Material Orgánico (Parafinas)

Si

Material Orgánico (Asfaltenos)

No

Lavar sólidos con Xileno Hay presencia de sólidos?

Si

No

Si

Lodo Asfáltico

No

El sistema puede ser usado con confiabilidad, ya que n o genera nin gún precipitado ni lodo asfáltico

Sistema no compatible con el crudo, reacondicionar sistema

Fig.9.- Prueba de Lodo Asfáltico 10

En lo que se refiere a las pruebas de grabado de la roca y velocidad de reacción, estas pruebas en la mayoría de los casos no se realizan y son de vital importancia en la selección del sistema ácido, ya que éstas definen: el grado de grabado de la roca, la heterogeneidad de la disolución de la roca y el tiempo de reacción del sistema ácido. Considerando que un fracturamiento ácido requiere de una alta inversión, es justificable que este tipo de pruebas de laboratorio sean solicitadas a las compañías de servicio, con los sistemas ácidos aprobados en las pruebas de laboratorio anteriormente descritas. La prueba de grabado permite predecir la distancia que el ácido vivo penetrará a lo largo de la fractura ácida inducida y la cantidad de reacción que ocurrirá en cada segmento de la fractura, así mismo, mide la conductividad creada y la fractura ácida grabada. La composición mineralógica de la roca es el factor más importante para este tipo de prueba, ya que determinará el patrón de grabado heterogéneo. En la figura 10, se muestra el equipo y los resultados que se obtienen con los núcleos de formación.

Fig.10.- Equipo de laboratorio y muestras de roca grabada con ácido

La determinación del tiempo de velocidad de reacción del ácido con la roca, permite definir los parámetros de diseño del Fracturamiento Ácido, tales como: volúmenes del sistema ácido, gastos de inyección y patrones de flujo. Todas las pruebas de laboratorio deben realizarse usando como base, el sistema HCl al 15%, sin aditivos, a fin de que sirva como patrón de evaluación de los sistemas ácidos a evaluar. Los yacimientos carbonatados son, en su mayoría, solubles al ácido clorhídrico, el cual dentro de sus funciones principales es la de crear conductos altamente conductivos ramificados, denominados agujeros de gusano. La velocidad de 11

reacción es limitada principalmente por la difusión del HCl en la superficie de la formación. Los agujeros de gusano en formaciones de muy baja permeabilidad permiten mejorar en gran medida la producción de los pozos, no a través de la remoción del daño, sino mediante a la efectiva disolución de la roca y la creación ramificada de canales de flujo que la atraviesan.

Diseño Una vez definido el sistema ácido óptimo a utilizar en el tratamiento de fracturamiento ácido, se procede a realiza la simulación de las dimensiones de la fractura a crear (longitud de fractura grabada, ancho y altura), mediante la aplicación de herramientas de software y el empleo de toda la información recopilada y validada del yacimiento y del pozo. En este proceso se determinan los volúmenes de los sistemas a utilizar, los gastos de inyección y el programa de bombeo, figura 11.

Cédula de Bombeo

Sistemas

m3

gal

Gasto (bpm)

AQUAVIS 20

8

2000

15

Shut‐ in SOLVENTE

0 8

0 2000

0 15 15

AQUAVIS 20

8

2000

15%HCL+10%ACETICO

80

21134

15

20%HCL

10

2642

15

6

1600

10

15

4000

5

SOLVENTE AQUAVIS 20

Figura 11.- Diseño y simulación de la fractura

El diseño de fracturamiento y el pronóstico de producción deben realizarse en forma interactiva, considerando para la producción post-fractura: a) la contribución productiva con fracturamiento del espesor neto de la formación que estará conectada a la fractura diseñada y b) la contribución normal de otros intervalos abiertos.

Control de Calidad antes d el Fracturamiento Antes de efectuar el Fracturamiento Ácido en campo, es necesario establecer parámetros de control de calidad que permitan asegurar que la preparación de los sistemas químicos (fluido fracturante y ácido), cumplen con las características y 12

propiedades determinadas a nivel laboratorio, para ello, se deben recuperar muestras de los sistemas preparados y verificar en el laboratorio la efectividad de estos, en caso de que no pasen se deberán reacondicionar los sistemas hasta lograr el cumplimiento total de las pruebas de laboratorio. Por otra parte, se debe realizar una inspección de todos los equipos, tanto de trasportación de fluidos como de bombeo, tales como, líneas de conexión limpias, tanques de bombeo sin presencia de residuos de otros tratamientos y funcionamiento de instrumentación de medición, figura 12. Control de Calidad Antes del Fracturamiento ácido Revisar hoja de reporte técnico y químico

Cía. de servicios debe aju star el sistema

No

Inspección de sistemas y líneas de bombeo (se encu entren limpias) Recuperar de las pipas presentes en el pozo, mu estra de los sistemas a bombearse. Así también recuperar una muestra de aceite del pozo a fracturar, si no se tiene correlacion ar con un pozo vecino. Analizarlo siguiente: •Determinar concentración del ácido •Verificarque el sistema esté libre de sólidos •Realizar pruebas de compatibil idad por  emulsión

¿La calidad de los sistemas cumple?

Sí

Aplicar tratamiento de F racturamien to Ácido

Fig.12.- Proceso de Control de Calid ad antes de Fractur ar

Ejecución y Contro l de Calidad durante la Operación Durante la operación del fracturamiento, principalmente en la prueba de MiniFrac, se obtienen los parámetros operativos, información cualitativa de las propiedades mecánicas de la roca y la propagación de la fractura, así como, también indicadores cualitativos de la calidad de la roca del yacimiento. Esta información obtenida en tiempo real, son de gran ayuda para rediseñar el fracturamiento final a aplicar al pozo.

13

A fin de asegurar que la operación se ejecute de acuerdo a lo diseñado y planeado, de igual manera se deben establecer parámetros de control de calidad durante este proceso, figura 13. Control de Calidad Durante el Fracturamiento ácido Realizar análisis de bombeo de inyección previo al Fracturami ento

¿Diseño requiere ajuste?

Monitorear Presiones y Volúmenes de Flu idos

Verificar cambios de flu idos (gel, ácido, divergentes, etc)

Contin uar con programa de Fracturamiento Ácido

Adquisición en tiempo real del tratamiento de fractura

No

Si

Cerrar pozo y desconectar protector de árbol y líneas de bombeo

Ajustar Volúmenes de Sistemas Gel de Fractura y Sistemas Ácidos

Elaborar reporte de bombeo de Fractura

Sí

Entregar registros “ASCII” de la operación

Fig.13.- Proceso de Control de Calidad durante el fracturamiento

En la medida que se establezcan indicadores de control de calidad a lo largo de todo del proceso del fracturamiento, será el reflejo de los resultados que se obtendrán.

Consideraciones de éxito o fracaso El primer factor de éxito para obtener una fractura ácida es conseguir la creación de una longitud de grabado de la roca apropiada; sin embargo, el ácido posee características propias que hacen que no sea fácil alcanzar este objetivo. La primera de ellas es su viscosidad, básicamente la del agua, lo cual ocasiona que el ácido se filtre muy rápidamente a través de las paredes de la formación o peor aún, a través de las fracturas naturales propias de un carbonato; de esta manera es imposible generar geometría de fractura y menos aún poder extender la misma. La segunda característica del ácido que trabaja en contra de conseguir una longitud de fractura apropiada es la velocidad de reacción del mismo con las formaciones carbonatadas. Esta característica hace que el ácido se consuma rápidamente en las 14

cercanías del pozo perdiendo su capacidad de continuar grabando las paredes de las caras de la fractura a mayor distancia6. Para contrarrestar estos efectos existen tres tipos de formas para retardar la velocidad de reacción del ácido, la primera es mediante el uso de gelificantes, la segunda es mediante el uso de emulsiones y la tercera es mediante el uso de sistemas ácidos orgánicos (mezclas de ácidos orgánicos e inorgánicos)7. La segunda consideración de éxito es el grabado de las paredes de la roca; conforme el ácido es bombeado hacia lo largo de la fractura creada, porciones de las caras de la fractura son disueltas. A partir de que el ácido contacta a la roca tiende a grabarla de una manera no uniforme para crear canales de flujo conductivos, los cuales usualmente permanecerán abiertos hasta que la presión de bombeo sea liberada y la fractura se cierre. Para que esto se dé estará en función de la heterogeneidad

de la roca, es decir, minerales que reacciones con diferentes

velocidades al paso del ácido. La mayoría de los fracasos obtenidos de los fracturamientos ácidos se debió a que se tenían formaciones muy homogéneas y el grabado fue uniforme, es decir, se crearon canales en ambas caras de las fracturas paralelas, reduciendo con ello, en gran medida la conductividad de la fractura al liberarse la presión de inyección.

Evaluación Post-Fractura Los principales objetivos de la evaluación post-fractura son: 1) conocer lo que realmente se alcanzó con el fracturamiento: cómo es la fractura grabada generada, orientación y comportamiento de la producción del pozo y 2) comparar los resultados operativos, productivos y económicos con los pronósticos diseñados, a fin de mejorar el proceso de selección de candidatos, el diseño y la capacidad de pronósticos a fracturamientos futuros. Las dimensiones de la geometría de la fractura, es decir, su longitud, altura y conductividad, pueden ser obtenidas mediante el análisis de los perfiles de temperatura después del MiniFrac para determinar la altura, para la longitud y conductividad se pueden determinar a partir de las pruebas de incremento de presión y la aplicación de modelos de simulación de yacimiento con fractura de conductividad finita. El patrón de flujo bi-lineal y lineal impuesto por la fractura tiene 15

una expresión típica en el comportamiento de la derivada de presión, que la diferencia del flujo radial, previo al fracturamiento. La otra forma de dimensionar la geometría de la fractura es mediante el ajuste de los gastos y presiones registrados durante el tratamiento.

Control de Calidad después del Fracturamiento. Para establecer si los sistemas empleados durante es tratamiento de fracturamiento ácido lograron reaccionar totalmente con la formación y alcanzaron su objetivo, es necesario realizar una vez terminada la operación y abierto el pozo para su limpieza, tomar muestras de fluidos de reacción cada 3 horas, para su análisis a nivel laboratorio, así como, dar un seguimiento en el comportamiento de la presión del pozo y de los volúmenes de fluidos desalojados. En la figura 14 se muestra el proceso de control de calidad a aplicarse después de realizado el fracturamiento al pozo. Control de Calidad Después del tratamiento

 Abr ir p ozo inm edi atamen te después de la inyección de los fluidos bombeados

Recuperar muestras de fluidos de retorno, cada 3 hrs hasta que estabilice y limpie el pozo

Efectuar en Laboratorio análisis de los fluidos recuperados y determinar: • • • • • •

Concentración del ácido pH Contenido de fierro Presencia de emulsiones Cantidad, tamaño y tipo de sólidos Evidencia de alguna precipitación

Elaborar un reporte final d e evaluación, incluyendo informe post-fractura, y pruebas de fluidos de retorno

Fig. 14.- Proceso de control de calidad después de fracturar.

El administrar la energía del yacimiento será un factor clave para el desalojo de los fluidos de reacción y la limpieza del pozo.

Resultados Con base al análisis de la información obtenida de los 212 pozos fracturados con ácido en formaciones carbonatadas de baja permeabilidad, se logró: 1. Identificar las variables que afectan el éxito o fracaso de un fracturamiento ácido. 16

2. Desarrollar una metodología de análisis para este tipo de operaciones. 3. Establecer procedimientos de pruebas de laboratorio y procesos de análisis en base a resultados de pruebas de sistemas ácidos con aceites crudos y núcleos de formación representativos de las formaciones productoras en carbonatos y pruebas especiales (grabado y velocidad de reacción), permitiendo con ello definir los estándares de aceptación para la selección óptima de los sistemas químicos. 4. Para incrementar el éxito de las operaciones de fracturamientos ácidos en campo, se definieron procesos de control de calidad antes, durante y después, los cuales involucran una serie de actividades a realizar para minimizar el riesgo y/o fracaso de las operaciones. 5. Así mismo, se determinó que la utilización de datos de campo en forma oportuna permite obtener diversos beneficios económicos y aplicar rápidos procedimientos de toma de decisiones para minimizar las pérdidas y maximizar las oportunidades de incremento de producción. 6. Por otra parte, se estableció la importancia de dar un seguimiento a las actividades operativas que realizan las compañías de servicios vía convenios marco, con el objeto de correlacionar los costos operativos con los resultados y beneficios obtenidos en el sostenimiento y/o incremento de la producción.

Conclusiones El desarrollo de esta metodología, la elaboración de procedimientos de pruebas de laboratorio y los procesos de control de calidad servirán como guía para: 

Mejorar el porcentaje de éxito de operaciones de fracturamientos ácidos en México.



  Establecer toma de decisiones oportunas en las operaciones de fracturamientos ácidos.



Seleccionar si el pozo es candidato a este tipo de tratamiento.



Seleccionar óptimamente los sistemas ácidos con base a los resultados de pruebas de laboratorio con fluidos del pozo y núcleos de la formación, para crear una longitud de fractura grabada apropiada.



Generar fracturas grabadas no uniformes en la roca para crear canales de flujo altamente conductivos que permanezcan abiertos cuando la presión de bombeo sea liberada y la fractura se cierre. 17



Tener un control de calidad a lo largo de todo el proceso (antes, durante y después), que permita asegurar la ejecución de las operaciones de acuerdo a los programas de diseño.



Diseñar fracturamientos ácidos con una visión integrada.



Incrementar el factor de éxito en este tipo de tratamiento en yacimientos de baja permeabilidad.

Referencias 1.

Meng HZ “Design of propped Fracture Treatments” Economides MJ y Nolte KG (eds): Reservoir Stimulation.

2.

Al-Anzi E, Al-Mutawa M, Al-Habib N, Al- Mumen A, Nasr-El-Din, Alvarado O, Brady M, Davies S, Fredd C, FuD, Lungwite B, Huidobro E, Jemmali M, Samuel M y Sandhu D “Reacciones positivas en la estimulación de yacimientos carbonatados”, Oilfield Review 15, No. 4 (primavera de 2004):30-47 pag.

3.

Sierra José, Halliburton Energy Services, Ortega Luis, PDVS Exploración y Producción “Técnicas de Evaluación del Fracturamiento Hidráulico Oriente de Venezuela” INGEPET 99 Expl-5-JS-15.

4.

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5.

API Recommended Practices for Laboratory Testing of Surface Active Agents for Well Stimulation”, API-RP-42 second edition, January 1977. And Manual of petroleum Measurement Standards Chapter 10- Sediment an Water, first edition, April 1981.

6.

Juan C. Antoci, Luis A. Anaya “Experiencias de fracturas ácidas en el yacimiento Lindero atravesado, Neuquén, Argentina

7.

B.B. William & D.E. Nierode “Design of Acid Fracturing Treatments”- paper SPE No. 3720.

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