IntroduccinLa perforacin direccional se ha convertido en una herramienta muy importante para el desarrollo de los depsitos de aceite y gas.

Probablemente el aspecto ms importante de la perforacin direccional controlada es que le permite a los productores de todo el mundo desarrollar depsitos que nunca podran ser alcanzados econmicamente de otra manera.

Concepto Perforacin Direccional: La perforacin direccional controlada es la ciencia y arte de desviar un agujero a lo largo de un curso planeado, desde una localizacin de partida, hasta un objetivo, ambos, definidos por un sistema de coordenadas.

Un pozo direccional tpico, comienza con un pozo vertical, de donde en algn punto se desva de manera que la localizacin del fondo puede terminar a cientos de pies de distancia del punto de partida.

Con el uso de la perforacin direccional, se pueden perforar varios pozos desde una misma localizacin/plataforma.

Concepto

Desarrollo histrico de la perforacin direccional

Desarrollo histrico de la perforacin direccionalLa perforacin direccional inicialmente fue usada como operacin correctiva, ya fuera para librar pescados, verticalizar agujeros desviados accidentalmente o para perforar pozos vecinos de alivio para controlar reventones.

El inters en la perforacin direccional controlada comenz alrededor de 1929, despus de la introduccin de sistemas precisos de medicin en los campos de Seminole, en Oklahoma.

El primer pozo direccional se perfor en 1930 en Huntington Beach, California, pero no recibi reconocimiento favorable hasta 1934, donde se perfor un pozo direccional para intersecar un pozo descontrolado.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?

Desvo (Sidetrack)Locaciones inaccesiblesPerforacin en domos salinosControl de fallasPozos mltiples desde una estructura artificialPerforacin terrestre hacia localizaciones marinasPerforacin costa afuera de pozos mltiplesPozos de alivioPozos de alcance extendidoPozos de radio corto, mediano y largoExploracin desde un pozoPerforacin horizontalPor qu Perforar Pozos Direccionales?

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Desvo (Sidetrack)

El sidetrack fue la primera tcnica de perforacin direccional para librar obstrucciones (pescados).

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Locaciones inaccesiblesLas localizaciones inaccesibles, tal como objetivos localizados bajo ciudades, ros, o reas sensitivamente ambientales hacen necesario localizar el equipo de perforacin lejos del objetivo.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Perforacin de domos salinos

Se ha encontrado que los domos salinos son excelentes trampas naturales de hidrocarburos acumulados debajo de la tapa superior del domo. Se perfora un pozo direccional para alcanzar el yacimiento atrapado y as prevenir los problemas asociados con la perforacin a travs de estas estructuras.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Control de fallas

El control de fallas es una aplicacin para perforar un pozo direccional en formaciones subterrneas donde exista una falla sin cruzar la lnea de sta.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Pozos mltiples desde una estructura artificialLos pozos multilaterales tiene varios agujeros que corren lateralmente saliendo desde un solo pozo original.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Perforacin terrestre hacia localizaciones marinasEste tipo de perforacin se desarrolla cuando un yacimiento que est localizado bajo grandes volmenes de agua se encuentra dentro del alcance de un equipo terrestre. La cabeza del pozo est en tierra mientras que el agujero se perfora direccionalmente bajo el agua para alcanzar el yacimiento. Esta tcnica ahorra dinero por que los equipos terrestres son mucho ms econmicos que las plataformas marinas.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Perforacin costa afuera de pozos mltiplesEl uso de esta tcnica es el modo ms econmico para desarrollar campos costa afuera. Se perforan varios pozos direccionales desde una sola plataforma.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Pozos de alivioLos pozos de alivio son usados para matar pozos descontrolados interceptndolos. Se debe planear cuidadosamente un pozo direccional para localizar e interceptar el pozo fuera de control.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Pozos de alcance extendidoLos pozos de alcance extendido se perforan para alcanzar yacimientos que tienen un desplazamiento horizontal mayor a 5000 metros.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Pozos de radio corto, mediano y largoLos pozos de radio corto, normalmente reentradas de pozos verticales viejos, tienen curvas con un radio de 44 m. o menos, que no pueden perforarse con motores convencionales. Se utilizan para aislar zonas de produccin con alta/baja presin o arenas con agua sin la necesidad de asentar/cementar un liner. Este tipo de perforacin es deseable cuando el inicio de desviacin se realiza abajo de formaciones problemticas.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Exploracin desde un pozoEn este caso se perforan varios pozos exploratorios desde un solo agujero desvindose del pozo original a diferentes profundidades. Permite la exploracin de localizaciones estructurales sin la necesidad de perforar otro pozo.

Por qu Perforar Pozos Direccionales?Perforacin horizontalLos pozos horizontales sirven para interceptar horizontalmente una formacin productora para mejorar su produccin. Esta tcnica incrementa el rea superficial de una formacin productora, especialmente cuando la permeabilidad efectiva del yacimiento es vertical.

Ventajas de Perforar Pozos DireccionalesIncremento de produccin desde un nico pozo.

Reduccin de los problemas de conificacin, producida por la mayor movilidad del agua no deseada con respecto al aceite.

Interseccin de fracturas verticales, quedando lo ms perpendicularmente posible a las fracturas, captando a un mismo tiempo la produccin de una gran cantidad de ellas.

Aumento de recobro de hidrocarburos (Enhanced Oil Recovery).

Planeacin de Pozos DireccionalesTarea que involucra mltiples disciplinasSoftware de planeacin disponibleVariables fundamentales:Coordenadas de superficieCoordenadas de fondoPozos vecinos

Terminologa

TerminologaKick Off Point (KOP): Punto de desvo. Es el comienzo de la seccin de construccin.

End of Build (EOB): Es el final de la seccin de construccin.

Build Up Rate (BUR): El BUR se expresa normalmente en /100 pies o 30 m, es simplemente el cambio medido en ngulo dividido por la profundidad perforada.

TerminologaSeccin tangencial: La seccin tangencial ocurre despus de una construccin donde la inclinacin del ngulo se mantiene constante durante una cierta distancia. Puede haber un incremento o decremento adicional antes de alcanzar el objetivo.

Start of drop: Comienzo del decremento. El comienzo del decremento es el punto donde el pozo empieza a disminuir su inclinacin.

End of drop: Fin del decremento. El fin de decremento es el punto en donde el pozo termina de disminuir su inclinacin.

Inclinacin: Angulo medido en grados desde la vertical hasta la posicin del pozo.

Azimuth: Es la direccin del pozo en un punto, medido con respecto a un norte conocido.

Survey: Conjunto de datos que se usan para describir la posicin del pozo. Contiene inclinacin, azimuth y profundidad.

Profundidad medida: Measure Depth. Es la distancia a lo largo del pozo medida desde la cabeza siguiendo la trayectoria.

Profundidad vertical: True Vertical Depth. Es la profundidad vertical desde superficie hasta determinado punto de la trayectoria. Puede ser subsea, en caso de tomar como datum el nivel del mar.Terminologa

TerminologaVertical Section. Seccin vertical: Es la distancia horizontal medida desde la vertical terica hasta determinado punto de la trayectoria y en una proyeccin determinada por la direccin de la seccin vertical.

Departure: Variacin de la posicin de un pozo en la direccin este-oeste.

Toolface: Posicin de la parte superior del motor respecto al hueco. Puede ser magntico o gravimetrico dependiendo de la inclinacin del pozo.

Dogleg-Dogleg severity: El dogleg es la cuantificacin de la tortuosidad de un hueco segn la variacin de su direccin e inclinacin. Si se toma esta variacin en una longitud determinada, entonces se habla de la severidad de dogleg y esta distancia es normalmente 100ft (30mt).

TerminologaSidetrack: Es el procedimiento de perforacin direccional por medio del cual a partir de un pozo perforado se inicia una nueva trayectoria a cierta profundidad por diferentes motivos como un re-entry, abandono, pesca sin xito, etc.

TerminologaKOPEOBSeccin TangencialInicio de CadaEODDesplazamiento

Mtodos Matemticos para Calculo de TrayectoriasTangencial: Una recta entre surveys inclinada al ngulo inicial

Mtodos Matemticos para Calculo de Trayectorias Angulo promedio:

Asume que el pozo es paralelo al promedio simple de los ngulos de inclinacin y direccin y realiza el clculo entre dos estaciones localizadoras. Este mtodo es bastante preciso y los clculos son lo suficientemente simples como para ser hechos en campo con una calculadora cientfica no programable; pero la justificacin terica del mtodo, conocido tambin como mtodo del promedio angular, es bastante difcil.

Mtodos Matemticos para Calculo de Trayectorias

Mtodos Matemticos para Calculo de TrayectoriasTangencial balanceado: dos rectas entre surveys inclinadas al ngulo final e inicial.

Mtodos Matemticos para Calculo de Trayectorias Radio Curvatura:

Es uno de los ms aceptados. Usa los ngulos medidos en los extremos de las secciones a lo largo de la longitud sondeada. El mtodo del radio de curvatura genera una curva en el espacio que representa la trayectoria del pozo. Para cada intervalo de registros direccionales, el mtodo asume que las proyecciones vertical y horizontal de la curva tienen radio de curvatura constante. Estos clculos suelen hacerse en una calculadora programable o en una computadora.

Mtodos Matemticos para Calculo de Trayectorias

Mtodos Matemticos para Calculo de Trayectorias Curvatura Mnima:

Tambin conocido como el mtodo del arco de circunferencia, asume que el pozo es un arco de circunferencia con mnima curvatura (mximo radio de curvatura) entre dos estaciones de registros direccionales. Este mtodo es el ms preciso para la mayora de las trayectorias de pozos y tiene una mejor justificacin terica que todos los otros mtodos. Sin embargo, el mtodo conlleva clculos complejos que usualmente se hacen en una calculadora programable o en una computadora.

Mtodos Matemticos para Calculo de Trayectorias

Tipos de perfiles de pozos direccionalesEn general, existen cuatro tipos de pozos direccionales. Estos son:

Rectos (Verticales) Tipo S Tipo J Horizontales

Tipos de perfiles de pozos direccionales Pozos Rectos (Verticales) Los pozos rectos tiene un agujero sin desviacin planeada de la vertical.

Tipos de perfiles de pozos direccionales Perfil tipo J

Perfil tipo J Los pozos tipo J tienen una seccin recta o vertical, una seccin de construccin y una seccin tangencial dirigida hacia el objetivo. Conocido como Slant Hole.

Los pozos tipo J se perforan donde no es deseable o posible asentar el equipo de perforacin directamente arriba del objetivo o en una plataforma que perfora varios pozos.

Tipos de perfiles de pozos direccionales

Perfil tipo STipos de perfiles de pozos direccionales

Perfil tipo S Es un hueco en S. Los pozos tipo S tienen una seccin recta, una seccin de construccin, una seccin tangencial y una seccin de decremento.

Este tipo de pozos se perforan para mejorar la eficiencia del pozo y para ayudar a la localizacin de un pozo descontrolado. En perforacin marina los pozos tipo S pueden asegurar la precisin del espaciamiento entre pozos cuando se perforan varios pozos desde una misma plataforma.Tipos de perfiles de pozos direccionales

HorizontalTipos de perfiles de pozos direccionales

Horizontal Los pozos horizontales tienen un agujero con una seccin recta, una seccin de construccin, una seccin tangencial, una segunda seccin de construccin y una seccin horizontal.

El pozo se perfora hasta un punto arriba del yacimiento entonces se desva y se incrementa el ngulo hasta que alcanza los 90 grados o ms.

Cuando se aplica apropiadamente, un pozo horizontal puede producir un yacimiento mejor que varios pozos perforados verticalmente.Tipos de perfiles de pozos direccionales

Diseo de pozos

Diseo de pozosPozos de Radio Largo: Se caracteriza por tener tasas de construccin de 2 a 8 grados por 100 pies lo que resulta en radios de 2865 a 716 pies. Este perfil se perfora con herramientas de perforacin direccional convencionales. Se han perforado secciones horizontales de hasta 8000 pies.

Radio Medio e Intermedio: Los pozos de radio medio alcanzan tasas de construccin de ngulo de 8 a 30 /100ft con radios de 716 a 191 pies y con curvas de 30 a 60 ft con radios de 191 a 65 pies y secciones laterales de hasta 8000 pies de desplazamiento. Estas curvas se alcanzan con motores convencionales y especiales en ciertas aplicaciones. Se usa generalmente para pozos tipo re-entry.

Diseo de pozosRadio Corto y Ultra Corto: Tienen curvas de 60 hasta 200/100 pies y se alcanzan radios desde 95 a 28 pies en los casos ms extremos. Las aplicaciones de los pozos radio corto y ultra corto son escasas y se hacen con motores y MWD articulados usualmente para pozos tipo re-entry evitando zonas superiores problemticas en pozos someros.

Diseo de BHABHA (Bottom Hole Assembly).Es otro factor clave en el diseo del pozo:Respuesta del BHA a cambios en los parmetros de operacin o tendencias de formacinDimetro de los estabilizadoresAngulo del pozoAngulo del motor de fondoDistancias de los estabilizadores

Diseo de BHA

PesoPeso Construir nguloDiseo de BHA

Bajar nguloDiseo de BHA

Ensamblajes DireccionalesRotarios: Liso (slick): Tendencia a construir principalmente. Manejo arbitrario de la direccin.

Fulcrum: Cualquier ensamblaje que contenga un estabilizador full gage a menos de 5ft de la broca. Puede contener o no un estabilizador de sarta a unos 30-60ft. Se utiliza para levantar ngulo. El estabilizador de sarta ayuda a controlar direccin.

Pndulo: Ensamblajes con estabilizadores full gage o under gage a ms de 15ft de la broca. El pndulo mas agresivo es aquel con un estabilizador full gage a unos 30-45ft de la broca y otro a 60-75ft. De nuevo el estabilizador de sarta se usa para controlar direccin. Su tendencia es a tumbar inclinacin.

Ensamblajes DireccionalesRotarios:

Pndulo Restringido: Utiliza un estabilizador under gage a menos de 15ft de la broca. Se puede combinar con un estabilizador de sarta a unos 30-45ft.

Sarta Empacada: No se utiliza mucho en Colombia por problemas de hueco especialmente geomtricos debido al alto nmero de estabilizadores que requiere. Se utiliza para mantener inclinacin y direccin. Se usa un estabilizador full gage cerca de la broca, otro a unos 30ft y otro a 30ft ms. Incluso se pueden agregar ms estabilizadores.

Ensamblajes Direccionales

Ensamblajes DireccionalesDirigibles (Steerables):

Cualquier ensamblaje que contenga un motor de fondo con bend ajustado a cierto ngulo. A menudo los ensamblajes dirigibles se disean de cierta forma para lograr efectos determinados en modo rotario. As, un ensamblaje dirigible puede comportarse como pndulo en modo rotario, o como fulcro. Los ngulos a los que se ajusta el bend del motor van desde 0.39 grados hasta 1.83 para aplicaciones normales, y hasta 3 grados para aplicaciones de radio intermedio.

Dos tipos bsicos:Motores de FondoEnsamblajes RotariosTcnicas OpcionalesJettingWhipstocksAdicionalesMWD (registros de desviacin en tiempo real)LWD (sensores de registros )Herramientas de Perforacin Direccional

Herramientas de Perforacin DireccionalMotores de Fondo: Son herramientas que se valen de la potencia hidrulica del fluido de perforacin para transmitir rotacin a la broca sin que la sarta gire. La potencia del motor es generada por la combinacin rotor/estator segn el principio de Monieau inverso. Adems van normalmente doblados para permitir control direccional de la trayectoria. Se clasifican en baja, media y alta velocidad segn la aplicacin a la que se sometan, la cual tiene que ver directamente con el tipo de broca y la litologa a perforar. Normalmente la capacidad de torque esta inversamente relacionada a la velocidad. Sin embargo, para aplicaciones especiales, se pueden correr motores de media velocidad con alto torque denominados performance. Esta mejora se logra aumentando el nmero de etapas en la seccin de potencia.

Herramientas de Perforacin Direccional

Herramientas de Perforacin DireccionalSeccin de potencia:

Esta seccin consta de un rotor, fabricado en acero inoxidable y un estator, que consiste en un tubo de acero con un elastmetro (hule) moldeado dentro de l. El rotor y el estator tienen perfiles helicoidales similares llamados lbulos, pero el rotor tiene un lbulo menos que el estator. Hay diferentes combinaciones de rotor-estator. A esta combinacin se le llama relacin. Las relaciones ms comunes son 3:4, 4:5 y 7:8. Normalmente, entre mas grande es el nmero de lbulos, mayor es el torque generado por el motor. Al hacer pasar un fluido a travs de la seccin de potencia, el rotor gira y a su vez, hace girar la barrena.

Configuracin de los PDM:

Herramientas de Perforacin Direccional

Configuraciones Rotor / StatorRelaciones Rotor / Stator de Motores de FondoHerramientas de Perforacin DireccionalConfiguracin de los PDM:

Configuracin de los PDM: Herramientas de Perforacin Direccional

Herramientas de Perforacin DireccionalConfiguracin de los PDM:

Configuracin de los PDM: Herramientas de Perforacin Direccional

Herramientas de Perforacin DireccionalSeccin de transmisin:

Esta seccin est acoplada a la parte inferior del rotor. Transmite la velocidad rotacional y torque generado por la seccin de potencia hacia los baleros y la flecha impulsora. La rotacin es transmitida a travs de la flecha impulsora. La seccin transmisora contiene la junta ajustable, que es donde se grada la deflexin del motor de fondo. Esta vara desde 0 hasta 3.

Herramientas de Perforacin DireccionalSeccin de transmisin:

Herramientas de Perforacin DireccionalSeccin de baleros:

Esta seccin transmite el impulso de perforacin y la potencia rotacional de la flecha impulsora hasta la barrena. Consiste en una flecha de acero forjado soportada por baleros que absorben las cargas axiales y radiales. Los baleros axiales tienen mltiples pistas para balines lubricados por lodo.

Herramientas de Perforacin DireccionalSeccin de baleros:

Drill CollarsLos drill collars son herramientas tubulares rgidas y pesadas. Se utilizan en la parte inferior de la sarta de perforacin para proveer de peso y rigidez a la barrena. Los hay lisos y espirales. Se fabrican en diferentes materiales, pero los ms comunes son de acero. Los hay tambin de una aleacin de metales, que los hacen antimagnticos.

Drill Collars CortosLos drill collars cortos son una versin ms pequea de los drill collars normales. Se pueden fabricar de cortes de estos ltimos. La utilidad mas comn con fines direccionales es la de aportar mayor longitud entre los dos puntos de contacto de la geometra de la sarta de perforacin (como se ver mas adelante) y cuando el drill collar es antimagntico, se usa para aislar las herramientas magnticas de fuentes de interferencia de la misma ndole.

Vlvula Contra PresinEsta herramienta es un sustituto normalmente corto (60 a 90 cm.), que sirve para alojar un cartucho con una vlvula tipo check, que permite el flujo hacia abajo, pero no de regreso (flujo a la inversa). Esto es de suma importancia cuando el pozo aporta fluidos y la vlvula les impide el paso hacia el interior de la sarta de perforacin.

Portabarrena Lisa y estabilizadaEste es un sustituto con caja en los dos extremos que normalmente se conecta a la barrena. Est fabricada de tal manera que se puede alojar un cartucho de vlvula contra presin.

Tubera de Perforacin Pesada (HWDP)Este es un miembro de la sarta de perforacin con mediano peso y dimensiones similares a la tubera de perforacin para un manejo ms fcil. El tubo de pared pesada est acoplada a juntas de herramienta extra-largas. La HWDP es menos rgida que los drill collars y la superficie de contacto con las paredes del pozo, es mucho menor, reduciendo as el riesgo de una pegadura. Tambin permite la perforacin con altas revoluciones y puede correrse en pozos con cambios en inclinacin y direccin reduciendo los problemas de conexiones y fatiga. Hoy en da, la tendencia en el diseo de las sartas de perforacin apunta hacia la utilizacin de menos Drill Collars y ms HWDP, para darle peso a la barrena .

EstabilizadoresLos estabilizadores son una parte indispensable en la mayora de las sartas direccionales, con y sin motor de fondo. Los principales objetivos del uso de los estabilizadores, es el control de la desviacin del pozo, la reduccin del riesgo de una pegadura por diferencial y la estabilizacin del agujero, rimando ojos de llave y severidades causadas por los cambios en inclinacin y rumbo del pozo.

Estabilizadores y estabilizadores ajustables: Los estabilizadores son componentes de la sarta de perforacin que tienen como funcin crear puntos de apoyo de la misma en sitios controlados para suministrar una flexibilidad determinada y as controlar el desempeo direccional de un ensamblaje. Su correcta combinacin gracias a programas de modelamiento matemtico, hacen que se pueda controlar un pozo de acuerdo a la trayectoria predeterminada. Actualmente se tienen estabilizadores ajustables que permiten una gran versatilidad de combinaciones en fondo para lograr objetivos diferentes sin necesidad de viajes a superficie. Estos estabilizadores trabajan hidrulicamente y pueden cambiar su calibre hasta en de pulgada.Estabilizadores

Tambin llamado sustituto de orientacin. El UBHO (Universal Bore Hole Orientator) es un sustituto recto con un pin y caja en los extremos. Est fabricado para alojar en su interior una camisa llamada pata de mula, la cual tiene acoplada una cua donde asienta una herramienta medidora (MWD, giroscpico, singleshot, etc.). Esta cua se alinea con la direccin de la deflexin del motor de fondo y se ajusta con opresores para impedir su giro, una vez que se est perforando.Orientador (OBHO)

Las herramientas MWD (Measurement While Drilling), Medicin Mientras se Perfora, se utilizan para obtener informacin del pozo en tiempo real, tal como la inclinacin, rumbo, temperatura del lodo y orientacin de la cara de herramienta (del motor de fondo). Por ser una herramienta magntica, se debe alojar dentro de un drill collar antimagntico. Se compone de mdulos mecnicos y electrnicos y normalmente se sita arriba del motor de fondo. La herramienta se compone de tres principales secciones, que son:Herramienta MWD

Pulser:

Este mdulo tiene componentes mecnicos que mediante la obstruccin y liberacin parcial del flujo del lodo, transmite hasta la superficie la informacin del pozo.

Herramienta MWD

Mdulo electrnico:

Este mdulo tiene componentes electrnicos que con la ayuda de acelermetros y magnetmetros se encargan de medir la inclinacin y rumbo del pozo, as como la orientacin de la cara de herramienta.

Herramienta MWD

Mdulo de bateras:

Este mdulo contiene las bateras para proveer de energa a la herramienta completa. Las bateras normalmente son de Litio y pueden trabajar durante periodos prolongados, (hasta 240 Hrs.) a altas temperaturas (hasta 130 C).

Herramienta MWD

Motores Dirigibles

Motores Dirigibles

Motores Dirigibles

Desempeo de los PDM

Herramientas de Perforacin DireccionalSistemas rotarios direccionales: Es un sistema que es capaz de direccionar un pozo aun aplicando rotacin a la sarta mediante la deflexin de la misma gracias a sistemas hidrulicos que mueven su eje sacndolo de la concentricidad un par de milmetros suficientes para lograr doglegs medios en la trayectoria de un pozo. Las ventajas obvias de este sistema son los largos alcances en secciones horizontales al evitar colgamientos y arrastres propios de la perforacin orientada.