Fracturamiento

FRACTURAMIENTO HIDRULICO Por:ALEJANDRA NAVASDIANA RAMREZ CARLOS ROZO CESAR BERNALDIEGO TRUJILLO

DEFINICIN DE FRACTURAFracturaes la separacin bajopresin en dos o ms piezas de un cuerpo slido. La palabra se suele aplicar tanto a loscristaleso materiales cristalinos como a los cuerpos rocosos o simplemente a la superficie tectnica de un terreno.

En la industria petrolera, se busca inducir fracturas a las formaciones de inters, para alterar caractersticas fsicas, como la permeabilidad, buscando as mejorar las tasas de recobro, dentro del proceso de explotacin de un yacimiento determinado.

ESQUEMA DE FRACTURAS.

QUE ES FRACTURAMIENTO HIDRULICO?El fracturamiento hidrulico consiste en la inyeccin de un fluido fracturante, altamente viscoso, por encima de la presin de fractura de una formacin, con el objeto de generar en ella canales de flujo (fracturas) y colocar un elemento de empaque (arena) que permita incrementar la conductividad de la formacin y, por ende, el flujo de fluidos hacia el pozo.FRACTURAMIENTO HIDRULICOEs la propagacin de fracturas en una roca a causa de un fluido presurizado. Estas fracturas hidrulicas son utilizadas para mejorar o posibilitar la extraccion de petroleo o gas desde el subsuelo.Este tipo de trabajo es realizado desde el pozo perforado en los puntos o profundidades deseadas.La energia de la inyeccion del fluido a altas presiones, crea nuevos canales en la roca, la cual mejora su permeabilidad y se hace mas suceptible a la extraccion de hidrocarburos.

Esta tcnica se utiliza bsicamente para lograr el incremento de la conductividad del petrleo o gas y para reducir o eliminar el efecto de dao en los pozos. Tambin se utiliza para controlar la produccin de arena en formaciones poco consolidadas y para atenuar la velocidad de deposicin de materiales que daan la formacin (asfltenos, parafinas y arcillas migratorias).

FRACTURAMIENTO HIDRULICOEs la propagacin de fracturas en una roca a causa de un fluido presurizado. Estas fracturas hidrulicas son utilizadas para mejorar o posibilitar la extraccion de petroleo o gas desde el subsuelo.Este tipo de trabajo es realizado desde el pozo perforado en los puntos o profundidades deseadas.La energia de la inyeccion del fluido a altas presiones, crea nuevos canales en la roca, la cual mejora su permeabilidad y se hace mas suceptible a la extraccion de hidrocarburos.

FRACTURAMIENTO HIDRULICOEl fracturamiento hidraulico es tambien considerada una herramienta para realizar una adecuada administracion del yacimiento, que en estos ultimos tiempos ha dado resultados satisfactorios.

Un fracturamiento selectivo, con buena planeacion optimiza la recuperacion de reservas y controla la produccion en los yacimientos de hidrocarburos, tanto de petroleo como de gas.FRACTURAMIENTO HIDRULICOBREVE HISTORIA DEL FRACTURAMIENTO HIDRAULICO.El primer fracturamiento fue realizado en Kansas, a finales de 1940 y el propsito fue incrementar la produccin de un pozo marginal.En la dcada de 1950 realizar este tipo de tratamientos tiene gran impacto tanto en pozos de petrleo como de gas.A mediados de los 1980 incrementa, nuevamente la aplicacin del fracturamiento hidrulico como resultado del conocimiento cientfico de los modelos de comportamiento de la fractura en la formacin productora, adems ayudo el hecho de realizar el fracturamiento hidrulico masivo (mhf). La tendencia consista en fracturar formaciones con permeabilidades muy bajasCon las capacidades modernas del fracturamiento mejorado, como es el caso de fracturar formaciones con permeabilidades entre moderadas y altas, con la tcnica conocida como Frac & pack y el hecho de disminuir los costos han permitido considerar al tratamiento hidrulico como un tipo de terminacin para los pozos petroleros .En la actualidad tcnicas como tratamientos sucesivos, o mtodos combinados de estimulacin y control de arenas son realizados usando como base el fracturamiento de las formaciones utilizando la fuerza hidrulica.BREVE HISTORIA DEL FRACTURAMIENTO HIDRAULICO.EVOLUCION DEL FRACTURAMIENTO Inicialmente los primeros tratamientos se mantuvieron dentro de limites muy conservadores. Inyeccion de volumenes de 200 a 400 galoners de fluido con media libra de arena por galon. Con velocidades de 2 a 4 barriles por minuto era considerado como un tratamiento promedio, y el doble de esas cantidades era ya un trabajo grande. En ocasiones un operador se arriesgaba a realizar un tratamiento con 1,500 o 2000 galones por minuto y se le consideraba muy arriesgado.Estos trabajos de inyeccion y fracking dieron como resultado el aumento paulatino de las tazas y presiones de fracturamiento.EVOLUCIN DEL FRACTURAMIENTOA medida que las tasas aumentaban se experimenta con fluidos de menor viscosidad, lo que reduce los costos y da muy buenos resultados.A finales de 1952 se popularizo el uso del metodo de fracturamiento hidraulico y comenzaron a desarrollarse nuevas tecnicas.Los tratamientos realizados en 1975 mostraron en promedio 37000 a 45000 libras de arena, en un promedio de 1,25 libras por galon.En el presente los tratamientos difieren mucho a los de hace 25 aos, se bombean 200,000 a 500,000 galones de fluido y 500,000 o 1000,000 de libras de arena.

OBJETIVOS DEL FRACTURAMIENTO HIDRAULICO.Por que fracturar?El proceso de fracturamiento hidrulico de un pozo, debe reunir una o mas de las siguientes razones.Desviar el flujo: Normalmente se desea desviar el flujo de produccion normal, cuando existe algun tipo de dao en las vecindades del pozo, este dao conocido como skin damage evita que se desarrolle una explotacion adecuada del reservorio por lo que el objetivo es retornar el pozo a su productividad normal.Extender una ruta: Existen rutas preferenciales dentro del reservorio que aportan gran cantidad de flujo al pozo, el objetivo al fracturar la formacion es hacer que estos canales extiendan su alcance dentro del yacimiento, para llegar a lugares con alta saturacion y poca permeabilidad.OBJETIVOS DEL FRACTURAMIENTO HIDRAULICOAlterar el flujo: se buscaalterar el tipo de flujo quese lleva a cabo en elpozo. Esto permite que serealice una adecuadagestion en la administraciondel yacimiento.

BENEFICIOS DEL FRACTURAMIENTOHIDRAULICOFACORES QUE AFECTAN EL FRACTURAMIENTO HIDRAULICO

ORIENTACIN DE LA FRACTURALa orientacin de la fractura est ntimamente ligada al estado original de esfuerzos in-situ y al mecanismo que la genera.

ORIENTACIN DE LA FRACTURAEl caso que aqu nos ocupa es donde el estado original de esfuerzos cumple la siguiente condicin:

Bajo esta condicin y para el caso particular donde la fractura hidrulica es generada por tensin, la orientacin de la fractura estar en direccin perpendicular a, como lo ilustra laFigura 1, independientemente de las condiciones de terminacin incluyendo la orientacin preferencial de los disparos.

Figura 1. Orientacin de la fractura creada por tensin.ORIENTACIN DE LA FRACTURA.La fractura de una roca se realiza perpendicularmente al mnimo esfuerzo y por lo tanto en la mayora de pozos, la fractura es vertical. Si la tasa de bombeo se mantiene superior a la tasa de prdida de fluido en la fractura, entonces la fractura se propaga y crece, como se observa en la Figura.

ORIENTACIN DE LA FRACTURALa perdida de fluido en la fractura es el resultado de un balance volumtrico.Una parte del volumen del fluido abre la fractura y otra invade las vecindades de la misma.Inicialmente se inyecta solo fluido pues se espera a que se abra la fractura para comenzar a adicionar el material soportante.

ORIENTACIN DE LA FRACTURASi la formacin es homognea, el crecimiento tiende a ser radial.Rara vez crece ms de 300 pies en longitud.El ancho es independiente de la reologa, depende de la elasticidad.Se inicia en la roca permeable y crece a la impermeable.

ORIENTACION DE LAS FRACTURAS

FACTORES QUE AFECTAN EL FRACTURAMIENTO.Factores en el sistema roca fluido:-Fluido de inyeccin y fluido a producir- Compatibilidad de los fluidos- Humectabilidad- Gravedad API- Composicin del Agua- Profundidad- Gradiente de Fractura (variacin pe la presin de fractura con la profundidad y tasa de inyeccin)- Porosidad- Saturaciones- Permeabilidad- Presin de Yacimiento-Contactos Gas-Petrleo y Petrleo-Agua- Litologa- Mineraloga- Espesor- Temperatura

FACTORES QUE AFECTAN EL FRACTURAMIENTODatos del PozoIntegridad del revestidor y del CementoIntervalos abiertos a ProduccinProfundidadRegistros disponiblesConfiguracin mecnicaCaractersticas del CaoneoTrabajos anteriores en el pozo y en pozos vecinosGeometra de la FracturaEsfuerzo mnimo en sitio.Relacin de PoissonMdulo de YoungPresin de Poro (yacimiento)

GEOMETRIA DE LA FRACTURADeterminar la geometria de la fractura antes, durante y despues es importante para evaluar el comportamiento y propagacion del fracturamiento, ademas de evaluar la viabilidad del proyecto. para lo anterior se utilizan modelos de simulacion que nos permitan caracterizar la geometria del fracturamiento.Para estudiar la geometria de las fracturas se tienen las siguientes consideraciones:Material isotrpico y homogneo.Comportamiento elstico lineal.Reologa conocida.

MODELOS GEOMETRICOSModelos 2-d

Son aproximaciones analiticas que suponen altura constante y conocida.Para longitudes de fractura mucho mayores que la altura modelo (Perkins & Kern) PKNPara longitudes mucho mayores a la altura modelo KGDModelo radial 2xf=hf. Crecen tanto altura como longitud.

MODELOS GEOMETRICOSMODELOS 3-DLos modelos 3D solventan las limitaciones impuestas en el desarrollo de los modelos de dos dimensiones.Un modelos 3D completo es complejo por que requiere de una cantidad significativa de datos para justificar su uso y un analisis mucho mas detallado.Existen modelos KGD y PKN

HIDRULICA DEL FRACTURAMIENTOPara hablar acerca de la hidraulica del fracturamiento debemos introducir algunos terminos relacionados con la mecanica de esfuerzos:

Modulo de elasticidad de young:es un tipo deconstante elasticaque relaciona una medida relacionada con la tensin y una medida relacionada con la deformacin.El coeficiente de Poisson: corresponde a la razn entre la elongacin longitudinal y a la deformacin transversal en un ensayo de traccin. Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir de los mdulos de elasticidad longitudinal y transversal.Deformacin y esfuerzos: La roca al someterse a una carga se deformar cumpliendo la ecuacin de elasticidad: W=EIW=esfuerzoE = Mdulo de elasticidad de YoungI=deformacinLos esfuerzos en una direccin generan deformaciones en otras direcciones

FACTORES QUE LO INFLUENCIA Presiones de Estimulacin Clculos de friccin Friccin en los tubulares Friccin en los punzados Tortuosidad (FNWB) Friccin del fluido de fractura viajando a travs de la misma ( Far-Field) Entrada limitada Nmero de perforaciones Tamao de las perforaciones Caudal de InyeccinPRESION DE ESTIMULACION: Presin de FracturaLa presin de fractura en fondo de pozo (BHFP) es igual al gradiente de fractura por la profundidad.

BHFP = Gradiente de fractura X Profundidad

BHFP es igual a la presin instantanea al cierre (ISIP) en la superficie + la presin hidrosttica (Ph) en la cara de la formacin.

BHFP = Presion instantanea al cierre + Presion hidrostaticaLa presin de fractura en fondo ( BHFP) es igual a la presin de tratamiento en superficie (STP) + la presin hidrosttica (Ph) -menos la cada de friccin total (Pf) BHFP = Presion de Tratamiento en Superficie + Presion hidrostatica Caida de la Friccion totalLa cada de presin total es igual a las perdidas en las tuberias(Pfpipe) + perdidas de friccin en los punzados (Pfperf) + las perdidas de friccin cerca del pozo (near-wellbore friction /Pfnwb) Pf= Perdidas Tubulares + Perdidas de friccion en los punzados + Perdidas de friccion cerca del pozoPRESION DE ESTIMULACION: Presin de FracturaLa presin hidrosttica (psi) es igual a un factor de conversin (0,052) multiplicado por la profundidad vertical (LF / en ft) y multiplicado por la densidad de fluido (en lb/gal).

PH = Densidad del Fluido lb/gal. X Profundidad vertical X 0.052PRESION DE ESTIMULACION: Presin de FracturaPERDIDAS DE PRESION POR FRICCIONLas perdidas de presin por friccin en los tubulares es usualmente determinada de cartas obtenidas en pruebas delaboratorio.

Las perdidas de presin por friccin en los punzados esusualmente determinada de cartas obtenidas en pruebas delaboratorio.

La presin de tratamiento en fondo (BHTP) es igual a la presin de tratamiento en superficie + la presin hidrosttica las perdidas de friccin totales.BHTP = STP + Ph - Pf

RESUMEN DE LAS FORMULASSTP = BHFP - Ph + PfPf = Pfpipe + Pfperfs + PfnwbBHFP = ISIP + PhBHFP = Frac Gradient X DepthBHFP = STP + Ph - Pfpipe - Pfperf- Pfnwb

STP = Presion de tratamiento SuperficieBHFP = Presion de Fractura en el PozoPh = Presion HidrostaticaPfpipe = Perdidas en los TubularesPfperf = Presion por Friccion en los punzadosPfnwb = Perdidas de Presion cerca del PozoISIP = presin instantanea al cierre Gradientes de Fractura0 - 4,000 ft 0.90 psi/ft4,000 - 6,000 ft 0.80 psi/ft6,000 - Deeper 0.70 psi/ftPROCESO DE FRACTURAMIENTO HIGRULICO PRESION TIPO DE FLUIDO(bombeo) Aplica presin mayor a la P de fractura de la roca.Contina aplicando presin para extender la fractura. Precolchn (salmuera o gelatina lineal) Colchn de gelatina bombeo del tratamiento CONTROL DE LA OPERACIN Presin Gasto Dosificacin del apuntalanteDosificacin de aditivos Condiciones del fluido fracturante

Presin de ruptura.Presin de bombeo Presin de cierre instantnea PRESIONES DE ESTIMULACINFRICCION EN TUBULARES

Regmenes de Flujo Flujo Tapn Flujo Laminar Flujo Turbulento Flujo transicionalNmero de ReynoldsNmero de friccin de Fanning

NMERO DE REYNOLDSNmero de Reynolds - Fluidos Newtonianos

Donde: Q =Caudal, bpm = densidad, lb/gal d= dimetro interno de la tubera, inch = viscosidad, centipoise (cp)

NR 4000 flujo turbulento.

NMERO DE REYNOLDSFACTOR DE FRICCION FANNING: FLUIDOS NEWTONIANOS

FRICCIN EN TUBULARESFluidos Newtonianos

Pf = Friccin en Tubulares, psiL = Longitud del tubular, feet = Densidad, lb/galQ=caudal , bpm d = Dimetro interno del tubular, inchf = Factor de friccin de FanningEl factor de friccin de Fanning depende del Nmero de Reynolds (NR)

NUMERO DE REYNOLDSFluidos no- Newtonianos

d = Dimetro interno del tubular, inchV = Velocidad del fluido, ft/sec = Densidad del fluido, lb/galK = Indice de consistencia, lb-secn/sq ftn = Indice de comportamiento de flujoQ = Caudal, bpm

Re entre 2100 y 3500 que dependen del ndice de comportamiento de flujo nFRICCION EN TUBULARESPf =prdida de presin, lpcL = longitudde la tubera, pies= densidad,lb / galV =velocidad del fluido,m / sD= dimetro interiordel tubo,pulgadasf =factor de friccin deFanningFactor defriccin de Fanningdepende delnmero de Reynolds(NR)

FRICCIN EN PERFORADOSRate = caudal en BPMPerf= perdida porfriccin psi ID=dimetro interno en pulgadas

Es una constante que concentra una variable conocida como coeficiente de descarga la cul esta basada en los efectos del tnel perforado.

FRICCION EN PERFORADOSQ = caudal, lpmD =densidad del fluido,lb / galC =coeficiente de descargade perforacinH =dimetro dela perforacin,pulgadas

FRICCION EN PERFORADOSEcuacin Modificada de CramerCompensa por efectos de la erosin de la perforacin

K es conocida como coeficiente de descarga esta basado en los efectos del tunel de la perforacin. Los valores varan entre 0.6 al inicio del tratamiento hasta 0.9 al final del mismo.

FRICCION EN PERFORADOS

Q = caudal, lpmD =densidad del fluido,lb / galC =coeficiente de descargade perforacinH =dimetro dela perforacin,pulgadasPfperf=presin por friccinde perforacin, psi

TORTUOSIDADDefinida como la restriccin en las cercanias del pozo para iniciar y orientar la fractura.

FAR FIELD FRICCTIONDefinida como la friccin del fluido mientras viaja a lo largo de la fractura

PRESION DE CIERREDefinida como la presin a la cul la fractura se cierra Cabe destacar que no es: Presin de cierre instantaneo (ISIP) Esfuerzo mnimo horizontal (hmin) Menor esfuerzo principal (min) Gradiente de Fractura Presin de Propagacin de la fractura Es usualmente obtenida del anlisis de la declinacin de presin durante el minifrac. Una vez que se conoce la presin de cierre, esta puede ser usada para determinar el tiempo de cierre el cual es usado para determinar la eficiencia del fluido. La presin de cierre es requerida para definir la presin neta durante la inyeccin del tratamiento principal.PRESION NETAEs una variable que nos ayuda a determinar la geometra de lafractura durante la operacin.

pnet = pfracture - pclosure

pnet = psurface gauge +phydrostatic - pfrictiontotal - pclosure

pfrictiontotal= pfriction pipe+pfrictionperforations+ pnwbGRACIAS