Taller de Geomecánica en las Cuencas de MéxicoTaller de Geomecánica en las Cuencas de México

Geomecánica para el Yacimiento: Solución de Manejo de Arenamiento

(SMS)Anna Paula Lougon

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Indíce

1. Definición del problema - Introducción al tema

2. Estudios de Arenamiento y sus parámetros necesarios

3. Casos reales de estudios de arenamiento en yacimientos Mexicanos.

4. Comentarios Finales y Conclusiones.

1- Definición del Problema•Problema en NGCMuchos de los pozos en el Golfo de México comienzan a producir arena una vez que han sido completados o cuando recién han comenzado a producir. La mayoría de ellos son completados con Gravel Pack o Frack & Pack, derivando en un alto costo de completación y dificultando intervenciones futuras en el pozo o toma de registros. Un mejor entendimiento de la mecánica de rocas, así como de la dirección y magnitud de los esfuerzos mediante el uso de nuevas tecnologías (Hardware y Software) proporcionará la solución más adecuada para el control o prevención de arenamiento. •“Most of the wells at Gulf of Mexico start producing sanding once have been completed or early start producing. The majority are completed with gravel pack or Frac & Pack representing a high cost for the completion and reducing the successful for the future wellbore interventions or logging.”•“A better understanding of rock mechanics, stress direction and magnitude and by the use of recent technology (Hardware and Software) will provide the right

solution for sanding control or prevention.” Mario ArdilaConsulting Services NGC

(a) (b)(a) (b)

La producción de arena es un problema serio en muchos de los camposproductores de gas y petróleo. Este fenómeno afecta drásticamente los gastos de producción, causa daño en los equipos dentro del pozo y en superficie, incrementa el riesgo de falla catastrófica, cuesta a compañías productoras 10 mil millones de dólares anualmente. El control de arenamiento es un asunto complicado que no puede ser resuelto del todo con una sola implementación técnica. De esta manera, las operadoras han adoptado diversas aproximaciones, aprovechando una gran cantidad de tecnologías y facilitando aquellas utilizadas para controlar este problema

1- Definición del Problema - Predicciones de Arenamiento

Objetivos

– Identificar las zonas potenciales de arenamiento dentro del intervalo productivo

– Determinar en qué condiciones se da el arenamiento (caída de presión crítica)

– Recomendaciones para optimizar las técnicas de perforación, terminación y producción para reducir los problemas de arenamiento.

Cero resistencia Muy muy débil Muy débil Consolidada

Arena Pobre mente cementada Cementada

Manejo de la producción de arena

Tipos de rocas que producen arena y sus mecanismos

Puede la predicción en base a un estudio de arenami ento hacer la diferencia?

•Para arenas no consolidadas - no. Ya se sabe de antemano que estas arenas van a necesitar procedimientos de exclusión o consolidación.

•Para Rocas Muy resistentes - tampoco. Ya se sabe que estas arenas no van a producir arenas.

•Para rocas débiles – si. Es exactamente aquí donde la incertidumbre puede ser reducida, y donde se pueden disminuir los gastos y aumentar la vida útil del pozo.

Clasificación de las formaciones arenosas

Cero resistencia – Arena seca

(UCS 0)

E < 100,000 psi Porosidad < 35%

Mucho muy débil – Arena saturada

(UCS < 200 psi)

E < 300,000 psi Porosidad < 30%

Muy débil – Arena pobremente

cementada (UCS <500)

E < 500,000 psi Porosidad < 25%

Débil – Arena con cementación más

fuerte

(UCS < 1000 psi)

E < 1,000,000 psi Porosidad < 22%

Arena gris

(UCS < 4000 psi)

E < 2,500,000 psi Porosidad < 20%

Roca consolidada E< 4,000,000 psi Porosidad < 18%

Hasta aquí se aplica control de arenas

Resistencia de Arenas de México

Roca muy débil190000 - 270000300 - 450Ek Balam

Roca Consolidada9400005900Enlace

Roca Consolidada199000012400CUI

Roca Consolidada496500020381Coapechaca

Roca Consolidada1400000- 22000005500 - 8500BACAL-1001

Roca débil/Consolidada450000 - 9200002600 - 7000RABASA-101

2310000 -3774700NELASH-1

Roca débil172000-4400001341-3300Santuario-208

Roca débil a muy débil40000 - 45000600 - 700Narvaez-16

Roca débil250000 - 6000001500 - 2600Narvaez-12

Roca mucho muy débil110000180 - 200Lakach-1

Roca débil/ Consolidada530000 - 7000001000 - 2700Yaxche-2

422000-4800001640-2800Samaria-803

E (Modulo de Young)psi

UCS (Resistencia a la Compresión) psi

Mecanismos de Arenamiento

En formaciones débiles pero consolidadas:

Si se puede predecir y prevenir el Estado 1, no será necesario preocupar se por el

Estado 2

Estado 1Ruptura, falla de la roca

Estado 1Ruptura, falla de la roca

Estado 2Transporte

Estado 2Transporte

Falla de la roca del yacimiento debido a tensiones cizallantes(falla de los contactos entre los granos)

Transporte del material que ha fallado debido el flujo

Uso de disparos orientados en formaciones débiles

El arenamiento ocurre cuando la producción de aceite/gas transporta partículas hacia el interior del pozo

Este fenómeno puede aumentar cuando ocurre un corte de agua

Predicción de Arenamiento (Sand Management Advisor - SM A)

• Los algoritmos de SMA están basado a la teoría Poro-Elástico 3-D

• El Criterio de Falla de Mohr-Coulomb fue modificado con resistencia aparente de la roca tomando en cuenta la plasticidad de la roca y validado con modelo numérico (ABAQUS)

• SMA toma en cuenta la influencia del tamaño del disparo y del tamaño del grano de arena

• SMA predice la caída de presión segura que no va inducir ruptura del disparo

•Aquí colocar una ventana con SMA y los datos de entrada-

2- Estudios de Arenamiento

Datos de entrada:

1) Relación de Poisson

2) UCS

3) Perfil de Presión de Poro

4) Perfil de los Esfuerzos Mínimo y Máximo

5) Sobrecarga

6) Dirección del Esfuerzo Mínimo

7) Coeficiente de Biot

8) Diámetros medio de los granos

9) Trayectoria y TRs

MEM

•Terminación en agujero descubierto o en Pozo Revestido y Disparado, con las pistolas y direcciones de los disparos

2.1 - Parámetros Necesarios

2- Estudios de Arenamiento2.1 - Parámetros Necesarios

Es primordial que en el modelo geomecánico del yacimento se encuentren muy bien calibrados:

� Perfil de Presión de Poro

� Parámetros de Resistencia y Deformación

� Esfuerzos Máximos y Mínimos actuantes

� Dirección del Esfuerzo Mínimo

�Perfil de Sobrecarga

�Pruebas de Laboratorio válidas y calibradas con las respectivas correlaciones

�Modelos de UCS validados

Datos de Núcleos para la calibración del modelo� FUNDAMENTAL �NuevasTecnologías de Pruebas en Laboratorio

Perfil de Resistencia� Medición continua de UCS� Evaluación cuantitativa de la

heterogeneidad (fracturas, estratificación zonas de debilidad)

� Selección de la muestra� Mejora de la predicción del registro y

de la prueba misma.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

12552.0 12552.1 12552.2 12552.3 12552.4 12552.5 12552.6 12552.7 12552.8 12552.9 12553.0

Measured Depth, ft

Unc

onfin

ed C

ompr

essi

ve S

tren

gth,

psi

Arenas del Yacimiento presentan una sección uniforme de resistencia (Izquierda) y una fractura abierta. Sección laminada con heterogeneidad de resistencia (Derecha)

Scratch Test: Perfil de Resistencia

Núcleo

Resistencia IndenterU

CS

Est

ima

ted

Análisis “Cluster” de Registros

¿Qué información proporciona?-Indica variaciones a escala del registro y su

heterogeneidad.-Discriminación de zonas de contenido de arcilla y

su comportamiento dentro de la secuencia. -Provee una información a escala de la variabilidad

de la prueba.

¿Para que es utilizado?-Selección de Intervalos para la muestra-Selección de las muestras que permitan medir la

heterogeneidad del núcleo-Selección de la localización de las pruebas de

pared

Las relaciones de Poisson (PR) fueron calibradas con los datos de laboratorio

Los datos de laboratorio del Modulo de Young (YME) fueron utilizados para la validación delMEM

Ensayos (UCS) para la calibración del MEM

Los esfuerzos horizontalesmínimos fueron calibradosCon datos de Mini Frac

MecMecMecMecáááánicanicanicanica de de de de RocasRocasRocasRocas

3572m 120 º

3605m 120 º

KI

KI

3606

Sh SH

Sh SH

Direcion de los Esfuerzos: Perfil de Imagenes y Calipe r Orientados

1. Análisis de imágenes FMI

Disponibildad de Registros de Imágenes

Pozo Intervalo FormaciónDirección

ShAA 23 4220-4454 Yacimento 120AA 13 4839-4519 Yacimento 150B 23 4170-4670 Yacimento -B 91 4442-4505 Yacimento -

B 31 3030-4090 4484-4619 todas -

BTPKS 150KI 120JSK 150

B 11 3040-4045

Derrumbes / Breakouts

XRMI. Lodo Base Agua

Direcion de los Esfuerzos: Perfil de Imagenes y Calipe r Orientados

Pozo B1 B31 AA-33 AA-101Datos en

LASsi si si si

Caliper Orientado

si si si si

Registros completos

para análisissi si si si

Terciario CretacicoJurasico

Direccion de sh

120, 150 120-150 150 120, 150

Profundidad de los

registros (m)

1390-2506 3161-4561 4273-4515 4228-4597

Tabla. Resumen Dirección de Esfuerzo Horizontal mínimo

En calibre Derrumbe

2. Estudio de Caliper Orientados

KM

Caliper

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

3161 3361 3561 3761 3961 4161 4361 4561

MD

Cal

iper

(in)

C1

C2

Sh=120- 150 º

Sh SH

XRMI. Lodo Base Agua

Toma de Registros recomendables

Curvas de Caída de Presión Crítica (drawdown crítico) para diferentes niveles de depletación del

Yacimiento

2. Estudios de Arenamiento, soluciones:

Caída de Presión crítica

Caída de presiónsegura

Falla

No flujo(sobrebalance)

Envolvente de estabilidad de producción para determinada profundidad

2. Estudios de Arenamiento, soluciones:

3- Casos Reales: estudios de arenamiento en los yacim ientos mexicanos

Dos casos de estudio:

- Campo en descubrimiento, otro campo productor de más de 10 años

- Yacimiento de gas, Yacimiento de aceite

- Ambos campos son de la región Marina

Los estudios fueron destinados para saber si la formación produce arena y con que propensión.

¿La formaciónproduce arena?

3.1 – Campo Exploratorio , estudio de los pozosdelimitadores del campo:

GR-LK1(gAPI)30 100

Sand

Shale

3090

3100

3110

3120

3130

3140

3150

3160

3170

3180

3190

3200

3210

3220

3230

3090

3100

3110

3120

3130

3140

3150

3160

3170

3180

3190

3200

3210

3220

3230

MD(m)TVD(m)VCL-LK1(m3/m3)0 0.5

1:446

PHIE-LK1(m3/m3)0.3 0

• Los estudios son prelimares, una vez que no existen registros para el pozo estudiado, basados en el Modelo Geomecánico (MEM).

• Pruebas de Laboratorio válidas

•Modelos de UCS válido

•Trayectoria Vertical

•Profundidad de las TRs

• Estudios de sensibilidad para Pozo Abierto o Pozo Revestido y Disparado

27 Initials

Retroanálisis de datos de Laboratorio - Ensayos Triaxiales

¿Los dos últimos círculos están mal?

Parece que la muestra sometida a alto confinamiento pierde su estructura, disminuyendo su probable resistencia.

Este fue el mismo comportamiento para los otros núcleos

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 2 0 0

1 4 0 0

0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0

( S 1 + S 3 ) / 2 : p ( p s i)

(S1

-S3

)/2

: q

(p

si)

p / q S l o p e = 0 . 0 5 3

p / q I n te r c e p t = 7 1 3 . 9 p s i

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 2 0 0

1 4 0 0

0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0

N o r m a l S t r e s s ( p s i)

Sh

ea

r S

tre

ss

(p

si) F r i c t i o n A n g l e = 3 . 0 D e g

C o h e s i o n = 7 1 4 . 9 p s i

28 Initials

Núcleos de Ensayos Triaxiales – Retroanálisis

pxq slope 0.272pxq assintota 123.5

Angulo de Friction Cohesionq/cos (fi) UCS

124.1 psi 123.54 psi

855.0 kPa15.8

y = 0.2724x + 123.54R2 = 0.9886

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

q

p

pxq slope 0.4343pxq assintota 240.73

Angulo de Friction Cohesion UCSq/cos (fi)

293.3m ft

Profundidad de la mostra 3108 10196

25.7

y = 0.4343x + 240.73R2 = 0.9822

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

q

p

Goodman:Arenisca Berea 27.2 MPa e 27.8ºArenisca Bartlesville 8 MPa e 37.2ºArenisca Pottsville 14.9 MPa e 45.2º

29 Initials

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

E (MPa)P

rofu

ndid

ad (

m)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

E (MPa)

Pre

sion

de

Con

finam

inet

o (p

si)

Análisis Comparativo con otros ensayos en areniscas similares

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Poison (-)

Pro

fund

idad

(m

)

NC Sandstone TerraTek-1

NC Sand TerraTek

Sandstone Lakach

NC Sandstone TerraTeck 2

Pozo Descubridor – calibración de los parámetros de mecánica de rocas

ParámetrosElásticos

Parámetros de Resistencia

No existe zona de drawdown seguro,

Profundidad Media del Yacimento

POZO Revestido y disparado con pistola HSD

Análisis de sensibilidad

•Total colapso de las arenas para cualquier trayectoria, independientemente de la inclinación y el azimuth del pozo.

UCS mínimo que se debería tener es de aprox. 7MPa, para permitir un mínimodrawdown seguro – tenemos UCS aprox. 2.5 MPa en estas arenas

UCSPore Presure

Miminum Stress

Overburden

Max caída de presión para diferentes

escenarios de depletación

Yacimento 1

Yacimento 2

3100

Conclusiones:•Total colapso de las arenas para cualquier trayectoria Producción de arenas ocurrirá para cualquier drawdown•En el caso de pozo abierto la situación es la misma, producción total de arena, sin caída de presión segura•Se recomienda una SOLUCIÓN EFECTIVA DE EXCLUSIÓN DE ARENA

Producción de

arena ocurrirá

para cualquer

drawdown

Nota: Depletación está

basada en la

profundidad de la

presión de poro

UCS

0 (Psi) 145

25% depletación

50% depletación

75% depletación

0% depletación o

presión inicial de

yacimiento

POZO Revestido y disparado con pistola HSD

Recomendaciones:• Propiedades de mecánica de rocas deben ser tomadas para mejorar la calibración del MEM:

- UCS de registro continuo -“Scratch Analysis”• Es recomendable tener registros continuos , Sonic Scanner• Imágenes OBMI (Oil Base MudImaging) para la determinación de las direcciones de esfuerzos, así como ensayos de Mini-Frac.

Producción de

arena ocurrirá

para cualquer

drawdown

4- Comentarios Finales y Conclusiones

• El uso de un Modelo Geomecánico bien calibrado es fundamental en los estudios de arenamiento

• Con estos estudios es posible hacer la caracterización mecánica de la roca• Es posible identificar los intervalos débiles, más propensos al arenamiento.

• Es posible seleccionar los mejores intervalos a ser disparados

• Hacer estudios de sensibilidad para conocer las mejores direcciones de disparo

• Conocimiento de las presiones máximas que pueden ser aplicadas para una caída de presión segura (drawdown)

• Conocimiento y modelado del campo/yacimento

• Análisis de sensibilidad de los parámetros que pueden reducir el arenamientoy optimizar de la producción del pozo

• Requisito para una buena decisión de la terminación del pozo

Estudios de Arenamiento, al final cuáles son sus beneficios?

¿Cómo la predicción de la producción de arena ayud a en el proceso de terminación?

¿La formaciónproduce arena?

Si o NoSi o NoSi o NoSi o No

4- Comentarios Finales y Conclusiones

Métodos para exclusión y/o control de la Arena producida

In Situ Consolidation

4%

Stand Alone Screens

18%

Gravel Packing43%

Oriented and Selective Perforating

6%

Fracpacking29%

Sand Control Methods

Insitu Consolidation MechanicalBorehole Stability

Maintenance

• Disparos

• Disparos

• Stand Alone Screens

• Gravel Packing

• Fracpacking

Exclusión o Prevensión

Consolidación In-situ MecánicaEstabilidad del pozo

Mantenimiento

•selecionados

•orientados

• Stand Alone Screens

• Gravel Packing

• Fracpacking

• Epóxicos

• Resinas

Evolución del Estado de Esfuerzos con la producción – 4D

� Producción o Inyección alterará el

yacimiento y el estado de

esfuerzos. Poden ocurrir cambios

en la porosidad y permeabilidad

Modelo de flujo y geomecanico

acoplados

� El arenamiento se puede predecir

considerando los cambios de

esfuerzos en el Yacimiento.

� El constante cambio del estado de

esfuerzos a lo largo del campo.

FIN

GRACIAS