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8/18/2019 PRODUCCION CAPITULO 16
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FUNDAMENTOS DE
ÁCIDO ESTIMULACIÓN
16-1 INTRODUCCIÓN
Estimulación de la matriz es una técnica en la que se inyecta un disolvente en la
formación para disolver algunos de los materiales presentes y por lo tanto, recuperar oincrementar la permeabilidad en la región cercana al pozo. Estos tratamientos se
denominan tratamientos de "matriz" porque el disolvente es inyectado a presiones
inferiores a la presión de separación de la formación para que las fracturas no se
crean. El objetivo es mejorar o recuperar la permeabilidad cerca del pozo en gran
medida, en lugar de afectar a una gran porción del depósito. El tratamiento más común
estimulación de la matriz es acidificación, en el que se inyecta una solución ácida para
disolver los minerales en la formación. in embargo, también se utilizan otros
disolventes. !os siguientes fluidos más comunes son disolventes orgánicos destinados
a la disolución de ceras, parafinas, asfaltenos u otros materiales orgánicos
perjudiciales. . Estimulación de la matriz no ácido se aborda en el captulo #$ de este
captulo se centra en la acidificación de la matriz% sin embargo, el lector debe tener en
cuenta que muc&as de las teoras y procedimientos de cálculo que se presentan aqu
también se puede aplicar a tratamientos disolventes no ácidos.
!os ácidos más comunes son el ácido clor&drico '()l*, que se utiliza principalmente
para disolver los minerales de carbonato, y mezclas de ()l y ácido fluor&drico '(+*,
utilizado para atacar minerales de silicato tales como arcillas y feldespatos.
tros ácidos, en particular algunos ácidos orgánicos débiles, se utilizan en
aplicaciones especiales, tales como pozos de alta temperatura. -cidificación atri/ es
un tratamiento cerca del pozo, donde todo el ácido reacciona dentro de
apro/imadamente # pie de pozo en formaciones de arenisca y dentro de unos pocos
centmetros &asta quizás tanto como #0 pies desde el pozo en carbonatos.
-cidificación de la matriz puede mejorar significativamente la productividad de un pozo
cuando la formación cerca del pozo el da1o está presente y, por el contrario, es de
beneficio limitado en un pozo en buen estado, como se muestra en el captulo #. 2or lo
tanto, la acidificación de la matriz generalmente se debe aplicar sólo cuando un bien
tiene un alto factor s3in que no puede ser atribuido a la penetración parcial, la
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eficiencia de la perforación u otros aspectos mecánicos de la finalización. 4os pueden
producirse e/cepciones a esta regla. En primer lugar, en altamente productiva pozos,
la mejora de la productividad de apro/imadamente 506 que es posible con
estimulación de la matriz de un bien en buen estado puede ser económica. En
segundo lugar, en forma natural yacimientos carbonatados fracturados o altamente
vugular, ácido vivo puede penetrar a una distancia suficiente para producir un aumento
de la productividad mayor que la normalmente se espera de un tratamiento matriz.
7n tratamiento ideal de matriz restaura la permeabilidad en la región cercana al pozo a
un valor al menos tan alta como la permeabilidad original. Esto se logra sobre todo el
intervalo completado y deja la formación en la región tratada con alta permeabilidad
relativa al aceite y 8 o fase gaseosa. El dise1o de un tratamiento debe esforzarse por
alcanzar este ideal al costo más bajo posible, lo que requiere la consideración de las
múltiples interacciones fsicas y qumicas que tienen lugar entre los fluidos inyectadosy los minerales del yacimiento y fluidos. !os más importantes de estos fenómenos son
los siguientes9
: !a transferencia de masa de las moléculas de ácido a la superficie del mineral y la
posterior reacción en la superficie;Esta proceso fundamental de la acidificación se
ilustra en la. !a figura. #
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mineral por convección o difusión. !a reacción completa 'es decir, la velocidad de
cambio de la concentración de un componente en la fase de lquido a granel* puede
depender tanto de la tasa de transferencia de masa y la tasa de reacción en la
superficie. uc&as veces, sin embargo, uno de estos procesos es muc&o más lento
que el otro y controla la tasa, en cuyo caso el proceso más rápido puede ser ignorado.
: El cambio de estructura de poro El cambio fsico en la estructura de los poros
causada por la disolución de algunos de los minerales por ácido es el mecanismo por
el cual aumenta la permeabilidad. !a manera en que la estructura de poro cambia es
fundamentalmente diferente en areniscas y carbonatos, lo que lleva a radicalmente
diferentes enfoques para modelar el proceso de acidificación en estas dos
mineralogas.
: 2recipitación de reacciones productos;secundarias de reacción ocurrir en la
acidificación, especialmente en areniscas, Esto puede resultar en la precipitación de
productos de reacción de la fase de lquido a granel. bviamente, precipitado de
sólidos pueden bloquear los espacios de poros y el trabajo en contra del objetivo de la
acidificación de la matriz.
: +luido >cido ; interacciones de fluidos del yacimiento. !a solución de ácido se inyecta
en la acidificación de la matriz puede interactuar fsicamente y 8 o qumicamente con
los fluidos del yacimiento, as como con los minerales. Estas interacciones pueden dar
lugar a cambios en la &umectabilidad, la saturación de la fase distribución,
precipitación de sólidos o emulsificación.
: !as variaciones en la permeabilidad del yacimiento o la distribución de un da1o
tratamiento acidificación e/itosa requiere contacto con todas las regiones da1adas
alrededor del pozo con ácido. Esto normalmente se complica por las variaciones en la
inyectividad al ácido a lo largo del pozo, lo que conduce a la utilización de técnicas
para afectar la cobertura de ácido bueno 'desviación ácido*.
-l considerar los muc&os aspectos del proceso de acidificación de la matriz, la
atención se centra en las variables fundamentales de dise1o% para ser útil, cualquier
modelo del proceso debe ayudar en la optimización del dise1o. !as consideraciones
de dise1o principales son9
: !a selección del fluido, tipo de ácido, concentración y volumen
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: programa de inyecciones, programa de tasas previsto y secuencia de fluidos
inyectados
: !a cobertura de ácido y de desvo, medidas especiales adoptadas para mejorar el
contacto del ácido con la formación
: onitoreo en tiempo real, los métodos para evaluar el proceso de acidificación comose produce
: -ditivos de otras sustancias qumicas incluidas en el ácido solución para mejorar el
proceso o para proteger tubulares
Interacciones Mineral-Ácido
Estequiometra, reacción ácido mineral
!a cantidad de mineral se determina por la estequiometra de la reacción qumica, que
describe el número de moles de cada especie que participan en la reacción. 2or
ejemplo, la simple reacción entre ()l y calcita ')a)?* se puede escribir como
5()l @ )a)? A )a)l5 @ )5 @ (5
!o que demuestra que se requieren 5 moles de ()l para disolver # mol de )a)?. !a
multiplicación de los números 5 y # las especies de ()l y )a)? son la
estequiométrica coeficientes B()l y B)a)? para ()l y )a)?, respectivamente.
)uando (+ reacciona con los minerales de silicato, numerosos reaccionessecundarias pueden ocurrir que la influencia del general estequiometra de la reacción.
2or ejemplo, cuando (+ reacciona con cuarzo 'i5*, la reacción primaria es
$(+ @ i5 ↔ i+$ @ 5(5
producción de tetrafluoruro de silicio 'i+$* y agua. !a estequiometra de esta reacción
muestra que $ moles de (+ están obligados a consumir # mol de i5. in embargo,
la i+$ producido también puede reaccionar con (+ para formar fluosilcico ácido
'(5i+
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poder de disolución gravimétrico C, que es la masa de mineral consumida por una
masa dada de ácido, se define como '#
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s*. 7n tipo de reacción en la superficie depende de la cantidad de superficie e/puesta
a la reacción, por lo que estas reacciones se e/presan por unidad de área de
superficie. En general, la velocidad de reacción superficie de una especie acuosa - de
ácido que reacciona con un mineral F es
4onde =- es la tasa de aparición de ácido - en mol 8 s, la -= es la velocidad de
reacción;área especfica de superficie - en mol8s;m5, y F es el área de superficie del
mineral F. )uando - está siendo consumida, la velocidades de reacción r- y =- son
negativos. Gelocidades de reacción ácido;minerales se e/presan tpicamente como la
tasa de disolución de la =F de minerales, que se relaciona con la tasa de consumo de
ácido a través de la estequiometra de la reacción
4onde B- y BF son los coeficientes estequiométricos para el ácido - y F. mineral
!a velocidad de reacción r- generalmente depende de las concentraciones de las
especies reaccionantes. in embargo, en la reacción entre una especie acuosas y un
sólido, la concentración del sólido puede ser ignorado, ya que permaneceesencialmente constante. 2or ejemplo, un grano de cuarzo tiene un número fijo de
moles de cuarzo por unidad de volumen de cuarzo, independientemente de reacciones
que pueden estar ocurriendo en la superficie del grano. !a incorporación de
dependencia de la concentración en la e/presión de tasa nos da
4onde E+ es una constante de velocidad de reacción en moles de - 8 Hm5;s;'moles -8m?* IJ, )- es la concentración de la especie - en la superficie reactiva, y I es el
orden de la reacción 'es decir, una medida de la fuerza con la velocidad de reacción
depende de la concentración de -*. !a constante de velocidad de reacción depende de
la temperatura y, a veces en la concentración de especies qumicas distintas de -. 2or
último, la ecuación. #
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ácido que se está consumiendo de la solución, mediante la colocación de un signo
menos con -= de manera que E+ es un número positivo.
Medici"n de la#oratorio de la cintica de reacci"n
2ara medir la velocidad de reacción en superficie de reacciones ácido;minerales, es
necesario para mantener un área de superficie mineral constante o medir su cambiodurante la reacción y para garantizar que la tasa de transporte de ácido a la superficie
del mineral es rápido con relación a la velocidad de reacción. !os dos métodos más
comunes de la obtención de estas condiciones son con una suspensión bien agitada
de partculas minerales suspendidas en una solución de ácido 'un reactor agitado* o
con un aparato de disco rotativo '+ogler y col., #LK
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ácido! se puede determinar mediante el cálculo de las "elocidades de
reacción de todas las especies minerales principales presentes con el ácido
inyectado.
onsidere la posi#ilidad de una ormación de piedra arenisca que $a sido
dañada por la in"asión de #entonita %montmorillonita& partículas de lodo de
peroración.
'espu(s de que los minerales car#onatados se $an eliminado por una pre)
limpieza de *l, esta arenisca limpia contiene +- de cuarzo, - al#ita
%sodio eldespato& y - en peso de montmorillonita. /as áreas superfciales
de reacti"os de los minerales son 0 m123g para el cuarzo y al#ita y 4
m123g para la montmorillonita. %Un cu#o de cuarzo con un lado de 0 mm
tiene una superfcie de 1,1 m123g5 si es ,0 mm en un lado, su superfcie es
de 11 m123g. /as arcillas tienen una superfcie muc$o más grande que los
granos detríticos de cuarzo o eldespato.& 6sumir estequiom(tricamente
proporciones de 7 moles de *8 2 cuarzo mole, 1 moles de *8 2 eldespato
mole y 9 moles de *8 2 moles montmorillonita.
:i esta roca se pone en contacto con una solución de *l)*8 ;- al 01- en
01 = 8, ¿qu( proporción de la *8 inicialmente será consumido por
cada uno de los tres minerales! ¿uáles son las proporciones de minerales
disueltas en la roca!
Solución
?or unidad de masa de roca, el área de superfcie de cada mineral es sus
tiempos de la zona de superfcie reacti"a la racción de masa del mineral
presente en la piedra arenisca. ?or e@emplo, el área de superfcie reacti"a decuarzo por masa de piedra arenisca :A es %0 m123g& %,+& B + m123g roca.
'el mismo modo, las áreas de superfcie de eldespato y montmorillonita
son , y 9 m123g roca, respecti"amente. /as concentraciones de ácido
en la ecuación. 07)00 se encuentran en unidades de 3g)mol2m; solución
%equi"alente a gmol 2 /&5 las concentraciones dadas como racciones de
masa se con"ierten a estas unidades de multiplicar por la densidad de la
solución y el peso molecular del ácido, o#teni(ndose 0,70 3g)mol solución
*82m; y solución *l2m; ;,; 3g)mol. cuarzo se usa para ilustrar la
secuencia de cálculo para determinar las "elocidades de reacción para cadamineral.
Cn primer lugar, la constante de "elocidad se calcula con los datos de la
Da#la 07)E
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Cntonces, la "elocidad de reacción específca para el cuarzo de la ecuación.
07)00 es
/a "elocidad de reacción glo#al para el cuarzo es la "elocidad de reacción
específca multiplicado por el área de superfcie reacti"aE
Aue se multiplica por el peso molecular del cuarzo para ponerlo en una #asede masasE
?or Fltimo, la tasa de consumo de *8 en la reacción de cuarzo se o#tiene
con la ecuación. 07)+, suponiendo 7 moles de *8 se consumen para
cada mol de cuarzo disueltoE
/os resultados de estos cálculos para todos los tres minerales se resumen
en la Da#la 07G)0.
/a racción de *8 gastado en una reacción particular es la "elocidad de
reacción glo#al para el mineral di"idido por la suma de la reacción de las
tasas, lo que demuestra que el 0,0- de la *8 está reaccionando con cuarzo,
,H- está reaccionando con eldespato y el +;,1- está reaccionando con
montmorillonita.:o#re la #ase de la masa de mineral que se disuel"e, +,0- de la roca
disuelto es la arcilla, 9,;- es el eldespato, y menos de ,7- es cuarzo.
Csto es de#ido a la gran área superfcial de las arcillas aut$ogenic
%incluyendo, sin em#argo, las partículas de arcilla de los lodos de
peroración& y el #a@a reacti"idad del cuarzo. 'e#ido a que la arcilla y
eldespato tienen tasas relati"amente altas de reacción y generalmente
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orman una pequeña porción del total de la masa de la roca, se disuel"en
primero en acidifcación de arenisca. /a reacción de cuarzo es importante en
regiones donde la mayoría de la arcilla, ecepto las arcillas clásticas, y
eldespato ya se $an retirado
/as reacciones de ácido Juorosilícico con minerales de la piedra arenisca
como se discutió en la :ección 07 a 1,0, ácido Juorosilícico es producido
cuando *8 disuel"e minerales de silicato, y
el propio ácido Juosilícico puede entonces reaccionar con aluminosilicatos.
6 partir de modelos de eperimentos oreJood, Gryant %0++0& y da Kotta et
al. %0++1a, 0++1#& sugerido que la reacción entre el ácido Juorosilícico y
arcillas y eldespatos es lento a temperatura am#iente, pero que es del
mismo orden de magnitud como las reacciones de *8 con estos minerales a
temperaturas por encima de 01 = 8 . Cstas conclusiones tienen
sido sustentada por la eperimentación más directa %"er :$uc$art y
Ldans3i, 0++7&.
/a precipitación de productos de reacción una preocupación importante en
la acidifcación, en particular la acidifcación de areniscas, los daños
producidos por la precipitación de productos de reacción ácido)minerales.
Cn la acidifcación de la areniscas con I, la ormación de algunos
precipitados es pro#a#lemente ine"ita#le. :in em#argo, la cantidad del daño
que causan a la producti"idad de los pozos depende de la cantidad y
u#icación de los precipitados. Cstos actores se pueden controlar $asta
cierto punto con adecuada diseño del tra#a@o.
/os precipitados dañinos más comunes que pueden ocurrir en la
acidifcación de la piedra arenisca son el Juoruro de calcio %a81&, sílice
coloidal %:i %M*& 9&, $idróido (rrico %8e %M*& ;& y lodos de asaltenos.
8luoruro de calcio suele ser el resultado de la reacción de la calcita con *8,segFn
aM; N 1*))))))) a81 N *1M N M1
Cl Juoruro de calcio es muy insolu#le, por lo que la precipitación de a81 es
pro#a#le si cualquier calcita está disponi#le para reaccionar con el *8. /a
inclusión de una pre)limpieza adecuada *l por delante de la etapa de *l)
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*8 pre"iene la ormación
de a81.
?roducción de algo de precipitado de sílice coloidal es pro#a#lemente
ine"ita#le en la acidifcación de arenisca. los cálculos de equili#rio de Oals$
et al. %0+41& muestran que no $ay prácticamente siempre regiones donde
pasaron solución de ácido tiene la tendencia a precipitar coloidal sílice. :in
em#argo, coreJoods de la#oratorio sugieren que el la precipitación no esinstantánea y de $ec$o puede producirse a un ritmo #astante lento
%:$aug$nessy y Punze, 0+40& que, sin em#argo, aumenta con la
temperatura para minimizar el daño causado por la sílice coloidal, es
pro#a#lemente "enta@oso inyectar relati"amente alta tarias, de modo que
el potencial zona de precipitación es rápidamente desplazada le@os de la
#oca del pozo. 6demás, el ácido gastado de#e ser producido
inmediatamente despu(s de la fnalización de la inyección, porque el cierre
en el pozo para incluso un tiempo relati"amente corto puede permitir sílice
signifcati"a, precipitaciones que se producen en las inmediaciones pocillos.
uando los iones (rricos %8e; N& están presentes, pueden precipitar a partirde soluciones ácidas gastadas como 8e %M*& ;, cuando el p* es mayor que
aproimadamente 1. /os iones (rricos pueden resultar de la disolución de
minerales de $ierro en un medio am#iente oidati"o o se pudieran deri"ar
de la disolución
de óido en la tu#ería por la solución de ácido. uando un alto ni"el de
planc$a (rricos es pro#a#le que en la solución de ácido gastado, agentes
secuestrantes se pueden añadir a la solución de ácido para impedir la
precipitación de 8e %M*& ;. :in em#argo, :mit$ et al. %0+7+& sugirieron el
uso de estos secuestrantes con precaución, ya que pueden causar más dañoa tra"(s su propia precipitación que $a#ría sido causado por el $ierro.
?or Fltimo, en algunos em#alses, el contacto del crudo aceite por el ácido
puede causar la ormación de asalt(nico lodos. Gotellas de prue#a simple
en el que una muestra de aceite #ruto se mezcla con el ácido puede indicar
si el crudo tiene una tendencia a la ormación de lodos cuando es
contactado por el ácido. uando la ormación de lodos es un pro#lema,
emulsiones de ácido en disol"entes aromáticos o superfcie)aditi"os acti"os
$an sido utilizados para pre"enir
la precipitación de asaltenos %Koore et al., 0+7&.
/a tendencia de las reacciones de precipitación que se produzcan
enacidifcación se predice con geoquímica integral, modelos de las
reacciones químicas entre acuosa
especies y la gran cantidad de minerales presentes. Cl más comFn tipo de
modelo geoquímico utilizado para estudiar acidifcación piedra arenisca es
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el modelo de equili#rio local,tal como se descri#e por Oals$ et al. %0+41& y
8a#er et al. %0++9&. Cste tipo de modelo asume que todas las reacciones
están en equili#rio local5 es decir, todas las "elocidades de reacción son
infnitamente rápido. Cs un resultado típico de este modelo se muestra en la
fgura. 07)1, un diagrama de tiempo)distancia para la
inyección de 00- de *l 9- de *8 en una ormación que contiene calcita,
caolinita y cuarzo. Cste gráfco muestra regiones donde la sílice amora yJuoruro de aluminio
tenderá a precipitar. Una línea "ertical en el gráfco representa las especies
minerales presentes como una unción de la distancia :i todas las
reacciones están en equili#rio local. ?or acoplamiento de este modelo con
un modelo de la permea#ilidad de la ormación respuesta a la disolución y la
precipitación, predicciones de la me@ora de la producti"idad.
Qecientemente, :e"ougian et al. %0++1& y Auinn %0++9& presentado un
modelo geoquímico que incluye la cin(tica para las reacciones tanto de
disolución y precipitación %"er 07 :ide#ar&. Cste modelo predice menospermea#ilidad daño que un modelo de equili#rio local porque la tasa fnita
de las reacciones permite desplazar el precipitado más le@os de la #oca del
pozo.
Acidi(icaci"n AreniscaIntrod)cci"n97n tratamiento ácido tpica en areniscas consiste en la inyección de una pre;limpiezade ()l, con M0 gal 8 pie de la formación , un volumen de pre;limpieza común, seguidopor el inyección de M0 a 500 gal 8 pie de la mezcla de ()l;(+. la de pos;limpieza del
diesel, salmuera o ()l a continuación, desplaza el ()l;(+ de la tubera o del pozo.7na vez que el tratamiento se &a completado, el ácido usado debe serinmediatamente producido de nuevo a minimizar los da1os por laprecipitación deproductos de reacción.
7n dise1o de tratamiento de acidificación de arenisca comienza con la selección deltipo y la concentración de ácido a ser utilizado. !os volúmenes de pre;limpieza, mezclade ()l;(+ , pos;limpieza requerida y la velocidad de inyección deseada 's* vaconsiderándolo siguiente. En prácticamente todos los tratamientos con ácido, lacolocación del ácido es un problema % una importante estrategia para asegurar que los
volúmenes suficientes de contacto con el ácido de todas partes productivas de laformación es que tiene que ser cuidadosamente planeado. !a correcta ejecución deltratamiento es fundamental para acidificar , por lo que la conducta del tratamiento,incluyendo las disposiciones mecánicas para introducir el ácido a la formación y losmétodos de tratamiento monitoreo, se debe planificar en detalle. 2or último,numerosos aditivos se incorporan con soluciones de ácido para diversos fines. !os
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tipos y cantidades de aditivos para ser utilizado en el tratamiento debe ser determinada sobre la base de la realización, la formación y los fluidos del yacimiento.
Selecci"n Ácido
Cl tipo y la uerza es decir, concentración de ácido utilizado en areniscas seseleccionará principalmente so#re la #ase de eperiencia de campo con
particulares ormaciones. 'urante años, la ormulación acidifcación arenisca
estándar consistía de un 01- de *l);- de mezcla de *8, precedido por un
0- 'e pre)limpieza de *l. 'e $ec$o, el 01- de *l);- de mezcla de *8
$a sido tan comFn que se $ace reerencia de orma gen(rica como ácido
#arro. Cn los Fltimos años, sin em#argo, la tendencia $a
sido $acia el uso de soluciones de *8 de resistencia más #a@os %Grannon et
al., 0+4H&. /os #enefcios de la concentración más #a@a de soluciones de *8
son la reducción de precipitados per@udiciales a partir del ácido gastado y
riesgo reducido de una consolidación de la ormación alrededor del pozo.
/a selección de los Juidos de acidifcación siempre de#e comenzar con una
e"aluación de los daños a la ormación , en general, el material solu#le en
los Juidos de tratamiento de#e ser per@udicial. /os modelos geoquímicos
pueden ser utilizado para guiar la selección de ácido, una "ez que la
composición de la ormación dañada se determina.
Modelos de acidifcación Arenisca • Modelo de dos mineralesRumerosos esuerzos se $an $ec$o en los Fltimos años para desarrollar un
modelo integral de la piedra arenisca proceso de acidifcación que entonces
podría ser utilizado como una ayuda a diseñarla. Cl modelo más comFn en
uso $oy en día es
el modelo de dos minerales %*ill et al, 0+HH5. *e3im et al, 0+41.5 Da$a y col.,
0+4+& que di"ide todos los minerales en dos categorías)de reacción rápida y
de reacción lenta
especies. :c$ec$ter %0++1& clasifca los eldespatos, arcillas aut$ogenic y
sílice amora reaccionar tan rápido, y partículas de arcilla detríticos y granos
de cuarzo son
los minerales de reacción lenta primarios. Cl modelo consiste en el #alancede materia aplicando al ácido *8 y minerales reacti"os, que para el Ju@o
lineal, tal como en un
oreJood, son Cn estas ecuaciones,
*8 es la concentración de *8 en solución y KO*8 es su peso molecular, u
es el Ju@o de ácidos, s es la distancia, :8 S y S son :: las áreas de superfcie
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específcas por unidad de "olumen de sólidos, T8 y T: son las racciones de
"olumen, C8, 8 y C, : son las constantes de "elocidad de reacción %en #ase
a la tasa de consumo de *8&, KO8 y KO: son el peso molecular, #8 y #eta:
son los poderes de disolución de 0- de *8, y 8 y : son las densidades
del minerales rápidos y de reacción lenta, respecti"amente,
denotado por el su#índice 8 y :. uando un $ec$o adimensional, suponiendo
porosidad permanece constante, estas ecuaciones se con"ierten donde V esla concentración de *8 adimensional, W es la composición mineral
adimensional, X es distancia adimensional, Y es el tiempo adimensional
%"olFmenes de poro&, y Z es la porosidad. Cl superíndice o denota "alores
iniciales antes del tratamiento ácido. ?ara una oreJood, / es la longitud del
nFcleo. en /as ecuaciones. 07)0 a tra"(s de 07)0H, dos adimensional
grupos aparecen para cada mineralE el 'am3o$ler 'a nFmero y el nFmero
de la capacidad del ácido 6c. estos dos grupos descri#en la cin(tica y la
estequiometria de las reacciones de *8)minerales. Cl 'am3o$ler nFmero es
la relación de la "elocidad de consumo de ácido
a la tasa de con"ección ácido
Cl nFmero capacidad ácida es la relación de la cantidad de minerales
disueltos por el ácido ocupando una unidad de "olumen de espacio de los
poros de roca a la cantidad de minerales presentes en la unidad de "olumen
de roca,
Cl 'am3o$ler y nFmeros de capacidad ácida para los minerales de reacción
lenta se defnen de manera similar. 6 medida que se inyecta el ácido en una
piedra arenisca, una reacción delante se esta#lece por la reacción entre el
*8 y los minerales de reacción rápida. /a orma de esta rontal depende de'a %8&. ?ara "alores #a@os de 'a, la tasa de con"ección es alta con relación a
la "elocidad de reacción y el rente es diusa. on un alto 'a, la reacción
rente es relati"amente uerte, porque la "elocidad de reacción es alta en
comparación con la tasa de con"ección.
/as ecuaciones 07)0 07)0H sólo pueden resol"erse num(ricamente en su
orma general. /os modelos num(ricos proporcionar soluciones a estas
ecuaciones, tales como que presentado por Da$a y col. %0+4+&, se utilizan
con recuencia para el diseño de la acidifcación. :in em#argo, las
soluciones analíticas son posi#les para ciertas situaciones simplifcadas.:c$ec$ter %0++1& presentó una solución aproimada
esto es "álido para una relati"amente alta 'a %'a %8&[ 0&. Csta solución se
aproima a la *8 2 ast)reactingmineral como un rente uerte, detrás de la
cual todo se $an eliminado los minerales de reacción rápida. ?or el
contrario, por delante de la parte rontal, no se $a producido la disolución. la
reacción entre reacción lenta minerales y *8
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16 D* COM+ARACIÓN DE ,OLMENES DE ÁCIDO +ARA RADIAL . EL FLU/O DELA +ERFORACIÓN!a cantidad de ácido necesaria para eliminar da1os más allá de la punta de unaperforación es generalmente más grande que la cantidad requerida para eliminar elda1o a la misma distancia en flujo radial. e trata de ilustrado por usar modelo '#LL5*de c&ec&ter para encontrar el volumen de ácido necesario para penetrar una
distancia determinada para estas dos geometras. )onsidere una formación con 506de porosidad que contenga #06 minerales de reacción rápida 'feldespato, arcilla oambos*, carbonato de calcio M6 y NM6 de cuarzo. 7na región de da1os e/tiende <pulgadas en la formación 'una región radial o < pulgadas más allá de la punta de unaperforación*, y el efecto inicial de la piel como resultado del da1o es de #0. El radio delpozo es 0,?5N ft. En el perforado caso, &ay $ tiros por pie 'spf* y las perforaciones son< pulgadas largo con un diámetro en el pozo de 0,M. 7O #56 olución de ácidoclor&drico P ?6 (+ se inyecta en 0,# bbl8min8m después de la inyección de suficientepreflus& del #M6 ()l para quitar los carbonatos de la región para contactarse con vivo4etermine (+. el volumen de ácido requerido en función de la distancia de penetración
el ácido y la evolución del efecto de piel para radial y geometras de perforación. Elpozo del tratamiento de la temperatura es de #5MQ + HM0Q )J. 2ara estas condiciones,el número de 4am3R&ler 4a para el mineral de reacción lenta de flujo radial es 0.0#?.
Sol)ci"nEcuación #
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4onde 2+ es la densidad de perforación en spf. 4a para el sloSmineralla reacción se calcula como 0.#5 para el flujo de la perforación. -) para la reacciónrápida y minerales es 0.05#. '!os valores de 4a y )orriente alterna utilizada en esteejemplo se obtuvieron de laboratorio coreflood pruebas descritas por Economides et
al., #LL$*.7tilizando estos valores en la ecuación #
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4os modelos para la inyección de #56 ()l P ?6 (+ en una formación da1adacompuesta inicialmente por un #K6 arcillas y feldespatos 'reacción rápida* y N?6 de
cuarzo 'velocidad de reacción*. En esta figura, mineral # es arcilla y feldespato,minerales 5 cuarzo y minerales ? es slice el gel. 4espués de #00 gal8ft de lainyección, los feldespatos y las arcillas &an sido disueltos en una región que see/tiende apro/imadamente < pulgadas más allá del pozo según la modelo ácido;dos,tres y minerales, mientras que sólo 5 de. de disolución es predic&o por el ácido uno,dos y minerales modelo. -demás, una importante zona de slice la precipitación espredic&a por el ácido dos, tres y minerales modelo. 7tilizando un modelo de lapermeabilidad respuesta a la disolución de minerales y laprecipitación, lapermeabilidad y la respuesta del efecto de piel son previsto para cada modelo y secompara en las figuras #
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minerales. -l mismo tiempo, las partculas peque1as se lanzan como material decementación disuelto, y algunas de estas partculas 'quizás poro temporalmente* enlas gargantas, reduciendo la permeabilidad. )ualquiera precipitados formados tambiéntienden a disminuir la permeabilidad. !a formación de dió/ido de carbono ')5* comocarbonato de minerales se disuelven también pueden causar un temporal reducción dela permeabilidad relativa a los lquidos. El resultado de estos efectos competidoras es
la permeabilidad en corefloods generalmente disminuye inicialmente% concontinuó la inyección de ácido, la permeabilidad al final aumenta a valoressignificativamente más altos que el original permeabilidad. !a naturaleza compleja dela respuesta de permeabilidad &a &ec&o su predicción teórica de verdad areniscaspráctico, aunque se &a logrado cierto é/ito para sistemas más ideales como discossinterizados 'Uuin et al., #LK#*. )omo resultado, correlaciones empricas relacionadasel aumento de la permeabilidad al cambio durante la porosidad la acidificación seutilizan. !as correlaciones más comunes son los de !abrid '#LKM*, !und y +ogler'#LK
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complicada por una tendencia para los precipitados formar, como es el caso de
acidificación de piedra arenisca. )omo lo demuestran las reacciones tpicas en la tabla
#
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forman. X en tercer lugar, la tasa en la cual e/tenderlos es un tema de considerable
importancia práctica.
16-*4*A5U/EROS
Oo se sabe quién describió por primera vez el ácido camino como un "agujero", pero
esta denominación es comúnmente aceptado por aquellos familiarizados con el
complejo patrón producido por núcleos de carbonato en la acidificación
el laboratorio. Yal vez fue -. =. (endric3son de 4oSell. +igura #
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y la segunda se ocupa de su crecimiento o propagación. 4os de estos estudios
proporcionan información necesaria para el dise1o de tratamientos ácidos
decarbonato.
16-*0* INICIACIÓN DE A5U/EROS
El fractal, o auto;similar, topologa de un agujero de gusano estructura implica que el
mecanismo para la iniciación de los agujeros de gusano es un fenómeno "local" que se
produce continuamente a lo largo de sus superficies limitadoras, as como en su punta.
-s, los peque1os agujeros de gusano pueden ser iniciada cuando ácido vivo entra en
los poros de la roca Girgen independientemente del patrón de etc ya en e/istencia.
E/perimentos &an demostrado que en casos donde el ácido flujo entrando en la matriz
es bastante peque1o, iniciación de agujero de gusano Oo es prolfica, indicando un
caudal dependencia del proceso de iniciación. 2rueba de ello afirmación se basa
2rincipalmente en moldes de metal de agujeros ,como se muestra en la figura #
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implicando por convección, difusión y qumica reacciones dentro de cada uno de los
invadieron los poros. Oo &a quedado demostrado práctico a considerar estos procesos
en un solo poro y luego intentar considerar el comportamiento colectivo para derivar un
macroscópico patrón de grabado. c&ec&ter y Uidley '#L
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donde l es la longitud de un poro se defne como la distancia del ácido en un poro
"ia@a antes de la mezcla con ácido emergentes de otros poros. /a concentración de
ácido es la concentración en la entrada de los poros. /a "elocidad media en un
poro T ) depende del Ju@o local de 'arcy u y el área de sección trans"ersal de los
poros. Cl Ju@o dentro de un solo poro es laminar, de manera que
Ccuación 07);1 parece ormida#le, pero la meta es reducir esta epresión a una
orma que re"ela el eponente n. ?ara lograr este o#@eti"o, se consideran dos
condiciones etremas. Cn primer lugar, eaminar el límite
lo que implica que sólo una pequeña racción del ácido reacciona dentro del poro.
Cn este límite, que se aplica para la gran T ), la tasa de la ampliación de los poros
se reduce a
?or lo tanto, en este límite el eponente n es 021 %n \0& y los poros con un área desección trans"ersal tal que la desigualdad de la ecuación. 07);9 se satisace no
orman agu@eros de gusano. /os poros se agrandan en lugar de manera uniorme, y
la parte delantera de ácido permanecerán agudo, progresando a tra"(s de la
matriz porosa tam#i(n en lugar de manera uniorme. Ro todos los poros, sin
em#argo, satisacen la desigualdad. Un segundo límite para algunos de los poros
puede ser posi#le. Cste segundo límite se produce cuando los poros son de un
tamaño tal que la desigualdad de la ecuación. 07);9 se in"ierte, lo que implica la
reacción de ácido casi completa dentro de estos poros. Cn este segundo límite, que
se aplica a las pequeñas " ), se puede encontrar
?or lo tanto, las zonas de poro que cumplan el segundo límite son inesta#les %n[
0&. Cllos crecen más rápidamente que los poros "ecinos. :e con"ierten en
pequeños agu@eros de gusano y continFan e"olucionando en los patrones de
gra#ado macroscópicas mostradas por los moldes metálicos. ?ara una "elocidad de
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reacción dada y el Ju@o de ácido, $ay poros que son esencialmente demasiado
pequeño para con"ertirse en los agu@eros de gusano y tal "ez otros que son de
tamaño sufciente para e$i#ir un crecimiento incontrolado y e"entualmente
con"ertirse macroscópica. 6sí, para un Ju@o de ácidos dado, los poros nati"os
pueden caer en dos categorías dierentesE los candidatos para la ormación del
agu@ero de gusano incipiente y no candidatos. Ro es, por lo tanto, un tamaño
crítico %o de transición& de poro de 6D que puede estimarse como el "alor donde las
dos tasas de crecimiento limitantes se $acen igualesE
Qesol"iendo esta epresión para un 6t rendimiento
donde 'a B C m ) 0 2 u y 3 es la permea#ilidad de la ormación %Oang, 0++;5
Oang et al, 0++;.&. ?or lo tanto, si todos los poros en la roca nati"a tienen áreas desección trans"ersal de menos de 6D, la iniciación agu@ero de gusano puede no
ocurrir $asta que al menos uno de los poros $a sido ampliada por reacción de ácido
a un tamaño sufciente para permitir el desarrollo agu@ero de gusano. Cl crítico, o
de transición, área depende tanto de la "elocidad de reacción y el Ju@o de ácido.
Csta condición tiene, como se discute posteriormente en este capítulo, una
considera#le importancia práctica. /a longitud promedio de un poro es una
cantidad #astante impreciso que, so#re la #ase de una serie de eperimentos de
la#oratorio utilizando dos dierentes calizas y una dolomita, parece ser
aproimadamente ,0 mm. :i utilizamos este "alor, el criterio de la dimensión
crítica de poro se "uel"e
donde tanto 3 como 6D de#en epresarse en cm1. ] Csta ecuación es muy simple
en apariencia, pero sus implicaciones son proundas y (stas pueden ser pro#ado
eperimentalmente. /os resultados de la#oratorio que son aparentemente
contradictorio pueden eplicarse satisactoriamente mediante la in"ocación del
concepto encarnado por Cq. 07);+.
!"#$#$ E%&erimen'os de acidifcación
Csencialmente dos tipos dierentes de los resultados se encuentran en la #ase de
acidifcación nFcleos de car#onato en el la#oratorio. Uno de ellos es el metal
undido de un agu@ero de gusano y la otra es la caída de presión medida, mientras
que la acidifcación a una "elocidad de inyección constante. 6m#os tipos de
eperimentos $an demostrado ser instructi"a. /a zona de transición defnido por la
ecuación. 07);+ depende de la tasa de Ju@o y la reacción de ácido, que a su "ez es
una unción de la concentración de ácido, temperatura de reacción y la
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composición de la roca. Cl Ju@o de ácido es el más ácil de controlar y es la "aria#le
más estudiada.
^ 8lu@o de ácido
:e espera que la tasa de Ju@o de inJuir en el patrón de gra#ado ácido por razones
que pueden ser me@or entendidos por considerar la representación idealizada de un
agu@ero de gusano se muestra en la fgura. 07)0. :e trata de un cilindro con la
p(rdida de Juido en torno al perímetro, así como en la punta. 'ependiendo del
campo de presión eterna que rodea el agu@ero de gusano, el Ju@o de p(rdida de
Juido puede "ariar de punto a punto so#re la superfcie del cilindro. :i el Ju@o en la
roca es pequeña en algunos puntos, 6D segFn lo determinado por la ecuación. 07)
;4 puede eceder el área de la sección trans"ersal total.
Cn resumen, se espera que para tasas de inyección que son muy lento, los
agu@eros de gusano no se orman y la cara del nFcleo se disol"erán en lugar de
manera uniorme. Cn las tasas de inyección modestos, lo sufcientemente grande
como para iniciar los agu@eros de gusano en el etremo del agu@ero de gusano
primaria, se espera un patrón de gra#ado para desarrollar eso demuestra poca
ramifcación del agu@ero de gusano primaria. /a mayor parte del ácido se gasta a
continuación, en que se etiende el agu@ero de gusano primaria. :i se aumenta
entonces la tasa de inyección de ácido, el Ju@o de p(rdida de Juido ácido en la
matriz de la roca puede ser lo sufcientemente grande en todas partes, o por lo
menos en muc$os puntos)para permitir la iniciación de los agu@eros de gusano lolargo del límite de la primaria.
'e inter(s práctico primaria son los agu@eros de gusano creados en las tasas de
inyección intermedios. Cllos desarrollan un mínimo de ramas laterales que se
etienden desde el perímetro del canal principal, de acuerdo con el patrón de
gra#ado pre"isto por la consideración de un área crítica de poro. 'e $ec$o, la serie
de moldes en la fgura. 07)00 confrma la eistencia de una zona de transición.
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6unque los modelos proporcionan una uerte e"idencia que apoya la $ipótesis
esta#lecida en el apartado anterior, tam#i(n sugieren un medio para su posterior
"erifcación. ?arece e"idente al considerar la serie de moldes que un agu@ero de
gusano ormado con un mínimo de ramifcación lateral se penetrar a tra"(s del
nFcleo utilizando una menor cantidad de ácido que se requeriría de otro modo.
(i)ura !"$ Koldes metálicos de los agu@eros de gusano que se desarrollaron enlos nFcleos de calcita en "arios tipos de inyección se disponen de izquierda a
derec$a para corresponder al aumento de la tasa de Ju@o %*oener y 8ogler, 0+44&.
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(i)ura !"*$ Qesultados oreJood para Indiana y Llen Qose calizas.
Oang et al. %0++;& midieron el "olumen de ácido necesario para lograr la
penetración agu@ero de gusano a tra"(s de un nFcleo %de detección&. 8igura 07)01
es un gráfco de los "olFmenes de poro de ácido a la penetración como una unción
de la "elocidad de inyección. omo era de esperar, eiste una "elocidad de
inyección óptima. alculando los Ju@os de ácido so#re el agu@ero de gusano que se
desarrollan durante el eperimento para encontrar el Ju@o en la punta, así como alo largo de los lados del agu@ero de gusano. :e calculan para el caso óptimo %es
decir, el eperimento que requiere el menor "olumen de ácido& que el Ju@o en la
punta está #ien predic$o por la ecuación. 07);+. Cl tamaño crítico de 6D ue
determinada por la presión capilar de entrada y la "elocidad de reacción se
determinó por la ecuación. 07)4.
^ /a temperatura de reacción
Cl aumento de la temperatura de reacción aumenta de manera eponencial C %"er
la ecuación. 07)+&. 'e acuerdo con la ecuación. 07);+, esto de#e resultar en un
aumento correspondiente en 6D. ?or lo tanto, la tasa de inyección óptimacorrespondiente de#e ser aumentada %"er #arra lateral 7C&. Csta tendencia
predic$a se muestra en la fgura. 07)0;. /a rata de inyección óptima a una
temperatura de 01 = 8 es casi dos "eces tan grande como la óptima a
temperatura am#iente. 'e acuerdo con Oang et al. %0++;&, el aumento de la tasa
se predice por la ecuación. 07);+. Una implicación de este resultado es que, si es
posi#le, los pozos proundos de#en 6cidifcar a tasas superiores a las de poca
proundidad5 pero en cualquier caso, el aumento de la tasa durante el curso del
tratamiento es apto para ser #enefcioso en la ampliación de los agu@eros de
gusano. Inicialmente, sin em#argo, el Ju@o de ácido de#e ser restringido por el
"alor determinado con la ecuación. 07);+ si esta tasa es posi#le sin racturar la
ormación.
omo se muestra en las 8igs. 07)01 y 07)0;, el "olumen de ácido necesario para
lograr a"ance no aumenta rápidamente para "elocidades de inyección superiores a
la óptima, por lo que el mantenimiento de la tasa de inyección óptima no se piensa
que es crítico. Cstímulos a ca#o a tasas algo superiores a los eigidos por la
ecuación. 07);+ pueden no dierir muc$o de los o#tenidos en condiciones óptimas.
?or otro lado, la cantidad de ácido para lograr a"ance no aumentar
sustancialmente para las tasas de menos que la óptima, por lo que mantener una
"elocidad sufciente si se recomienda posi#le.
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(i)ura !"+$ Indiana caliza resultados oreJood a dierentes temperaturas.
/a implicación es que el campo de acidifcación en ormaciones poco proundas
dolomita de#e lle"arse a ca#o a tarias #a@as. /as altas tasas de resultado un
patrón de agu@ero de gusano mFltiple que no penetra muy le@os en la ormación y
aparece como in"asión ácido uniorme disol"iendo la cara del pozo, que es inefcaz
para la eliminación de daños eecto de piel en comparación con la producción de
un par de agu@eros de gusano dominantes que penetran en la ormación . Cn
ormaciones más proundas de la dolomía, la tasa puede aumentar en cierta
medida de#ido a que la temperatura de reacción aumenta con la proundidad. Cl
aumento de la tasa óptima con el aumento de temperatura que se muestra en lafgura. 07)09 confrma las predicciones #asadas en la ecuación. 07);+.
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(i)ura !"#$ Cecto de la temperatura so#re la "ariación de los "olFmenes dea"ance con la "elocidad de inyección para la dolomita.
!"#$,$ Pro&a)ación de los a)u-eros de )usano
Una "ez que se inician los agu@eros de gusano en la roca que rodea la cara de la
#oca del pozo o peroración, es desea#le etender ellos en la ormación en la
medida de lo posi#le con un "olumen dado de ácido. Cl eecto de la piel de#e ser
reducida en las regiones penetradas por los agu@eros de gusano. ?romo"er la
comprensión de los actores que regulan la "elocidad de etensión de un agu@ero
de gusano, *ung et al. %0+4+& recimiento del agu@ero de gusano modelado por
considerar que se trata de un cilindro con la p(rdida de Juido como se representa
en la fgura. 07)0. *ung et al. Du"o en cuenta una serie de actores, incluyendo las
contri#uciones de tanto la diusión del ácido y la con"ección que resulta de la
p(rdida de líquidos a las paredes del agu@ero de gusano donde reacciona el ácido.
Cstos son actores importantes de#ido a que las reacciones de ácido en un agu@ero
de gusano son, en general, limitada por la transerencia de masa, en contraste con
aquellos en los poros naturales, que son controlados por la "elocidad de reacción.
/a tasa de etensión de agu@ero de gusano se determina por la cantidad del ácido
de llegar a la puntaE
'onde el su#índice e se refere a las condiciones e"aluadas en el etremo o punta
del agu@ero de gusano, roc3 es la densidad de la roca, y / es la longitud del
agu@ero de gusano. Csta ecuación muestra la importancia de la diusión, la
con"ección ácido y la p(rdida de Juido en la propagación de agu@ero de gusano.
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uanto mayor sea la "elocidad de diusión de ácido $acia la pared, la más #a@a es
la concentración de ácido en la punta del agu@ero de gusano y el más lento su
"elocidad de propagación. 6umento de las tasas de p(rdida de Juido sir"en para
con"ección ácido a la pared y al mismo tiempo reducen el Ju@o de ácidos de llegar
a la punta, disminuyendo de ese modo la "elocidad de propagación. Deniendo en
cuenta tanto la p(rdida de Juido y la diusión, *ung %0+4H& encontró que para una
"elocidad de inyección constante, la tasa de etensión de un agu@ero de gusano
comienza a disminuir a medida que la longitud del agu@ero de gusano aumenta. /alongitud parece alcanzar en Fltima instancia, una meseta, como se muestra en la
fgura. 07)0 %*ung, 0+4H&, pero en realidad nunca de@a de crecer. *ung atri#uyó la
tasa de crecimiento disminuye por completo a la p(rdida de líquidos. ?or lo tanto,
se pre"( que la penetración de agu@ero de gusano esencialmente cesar al ca#o de
una cierta longitud se $a alcanzado el tiempo que la "elocidad de inyección se f@a.
Cn eperimentos /ongcore, una longitud máima se o#ser"ó por Gazin et al.
%0++&.
(i)ura !",$ ?redicción de longitud agu@ero de gusano %*ung, 0+4H&.
/a epresión de 'accord de la "elocidad de propagación de agu@ero de gusano en
los sistemas lineales esE
'onde a es una constante determinada eperimentalmente, ' es el coefciente de
diusión molecular, y 6 es el área de la sección trans"ersal del agu@ero de gusano. .
'accord et al _s modelo considera la inJuencia de la diusión de ácido, pero no
tiene en cuenta la p(rdida de líquidos5 ?or lo tanto, esta ecuación no indica un
"alor meseta como el agu@ero de gusano se alarga. ?or lo tanto, la ecuación es
aplica#le a agu@eros de gusano cortas donde la p(rdida de Juido no es un actor,
pero no de#e ser utilizado para la predicción de la longitud de penetración agu@ero
de gusano.
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