La predicción del comportamiento de la producción de arena comienza con el desarrollo de un modelo mecánico del subsuelo (MEM, por sus siglas en inglés) para comprender la geomecánica de un campo petrolero.
Estos modelos resultan particularmente importantes cuando se pretende evaluar el impacto de un método de terminación dado sobre las rocas débiles. En su forma más básica—unidimensional (1D) — un MEM contiene información sobre los esfuerzos verticales y horizontales, la presión de poro, la resistencia de la roca, las propiedades de las rocas y los datos geológicos, tales como el echado de la formación.
Un MEM puede utilizar datos de entrada adicionales de modelos geológicos y geofísicos que definen los rasgos tectónicos, tales como fallas y pliegues. Los modelos de yacimientos que describen las respuestas del agotamiento del campo o del mantenimiento de la presión también pueden ser ingresados en un MEM. Un MEM tridimensional (3D) bien construido permite a los ingenieros y geocientíficos determinar el estado de los esfuerzos presentes en un yacimiento y en los estratos adyacentes, en cualquier localización de un campo petrolero.
Los modelos de predicción de la producción de arena se centran en la falla de la roca del yacimiento y en la migración de los granos de arena desagregados, generados por las prácticas de terminación de pozos. La información sobre los mecanismos que rigen la producción de arena no es fácil de obtener a partir de observaciones de fondo de pozo; gran parte del conocimiento relacionado con la predicción de la producción de arena proviene de investigaciones de laboratorio.
Los científicos del Centro de Investigaciones de Schlumberger (SCR, por sus siglas en inglés) en Cambridge y del Centro de Tecnología de Terminaciones de Yacimientos de Schlumberger (SRC, por sus siglas en inglés) realizaron experimentos sobre la estabilidad de los disparos en muestras de rocas de diferentes resistencias, proporcionando datos para desarrollar programas de simulación que predicen la falla de la arenisca en rocas débiles, (Bradford, I., 1994).
Estos experimentos examinaron las tendencias a la producción de arena, con diferentes esfuerzos y velocidades de flujo, para estudiar los efectos del diámetro de los agujeros de los disparos, el tamaño de los granos de la formación y la geometría de la terminación — orientación de los disparos y de los pozos—en relación con los esfuerzos principales (ver figura 5.4).
Este trabajo ha mejorado considerablemente el modelado de la predicción de la producción de arena, que se basa en la resistencia máxima de una roca en un túnel dejado por los disparos o en un pozo. Esta información se utiliza para optimizar las terminaciones a fin de asegurar que los pozos produzcan a regímenes económicos, con un riesgo de producción de arena aceptable.
Si bien es similar al análisis de estabilidad de pozos, el análisis de producción de arena difiere en que la presión de los túneles de los disparos es menor que la presión del yacimiento, lo que permite el flujo de fluidos. O, en el caso de terminaciones con agujero descubierto, la presión del pozo es menor que la presión del yacimiento.
CAPÍTULO V
Los cálculos de los esfuerzos se realizan con la orientación y la distribución radial correctas de los disparos para determinar la caída de presión mínima que no promueva la ruptura por cizalladura, o la caída de presión máxima libre de arena. Esta caída de presión se utiliza luego para calcular los regímenes de producción y establecer si se logran los requisitos de producción mínimos.
La herramienta de predicción de la producción de arena calcula la caída de presión crítica para diferentes escenarios de terminación provistos por el usuario e identifica la ventana de producción libre de arena. Se utilizan dos modelos para el cálculo de la caída de presión crítica a la que fallará la formación.
En el pasado, se ha utilizado una amplia diversidad de métodos para la predicción de la producción de arena, entre otros, los modelos elastoplásticos.
La ventana de producción libre de arena define los límites de los diseños de terminación y extracción artificial, por ejemplo la caída de presión máxima admisible producida por una bomba electrosumergible (ESP, por sus siglas en inglés). La incertidumbre también puede tenerse en cuenta en base a seis parámetros de entrada: la relación de Poisson, la resistencia a la compresión no confinada, el esfuerzo horizontal mínimo, la relación de los esfuerzos horizontales mínimos y máximos, y el tamaño de los granos.
Para un escenario de terminación dado, esta ventana de producción libre de arena se muestra gráficamente representando la presión del yacimiento en función de la presión de flujo de fondo de pozo (BHFP, por sus siglas en inglés), resaltando la ventana de caída de presión para una producción libre de arena y los diversos niveles de incertidumbre. Ésta y otras herramientas también pueden utilizarse en la selección de los pozos candidatos a control de la producción de arena.
Para la prueba siguiente (figura 5.4), se coloca en un recipiente de presión una muestra de roca, que contiene un túnel de disparos simulado (extremo superior). Se utilizan una guía de luz y un espejo de aro, en combinación con un endoscopio, para observar el túnel mientras el kerosén circula a través del mismo. Cuando ha resultado posible, se han utilizado núcleos de afloramientos de yacimientos representativos para las pruebas de flujo axial, en las que el desplazamiento de las paredes del túnel fue documentado mediante la obtención de imágenes (extremo inferior). El trabajo extensivo realizado en el SCR permitió identificar diferentes mecanismos a través de una amplia gama de resistencias de la roca. Esta información se compara con los resultados del modelado de la producción de arena.
Figura 5.4 Pruebas de laboratorio diseñadas para visualizar mecanismos de desagregación y transporte de arena., (Oilfield review, 15, 1, 2004).