Principios de la presión en el control de un pozo de petróleo y/o gas natural

La ciencia y la ingeniería han aportado mucho hacia el conocimiento de modelos matemáticos que ayuden a predecir el comportamiento de las presiones encontradas en un yacimiento petrolífero. Es por ello que en la actualidad podemos controlar esas presiones en el fondo del pozo, el perforar un pozo de petróleo es una actividad bastante riesgosa si no se conocen los valores de presión en el fondo, sin embargo no basta con conocer los valores de presión en el fondo del pozo, hay que contar con las prácticas operacionales correctas para poder prevenir una arremetida de fluidos como petróleo y gas a la superficie, todo esto con la intención de que no ocurra un reventón de fluidos en el pozo, pudiendo ocasionar pérdidas materiales y humanas.

Nota: Imagen editada utilizando las herramientas de Microsoft Power Point. La imagen de fondo es el taladro PDV-07, la fotografía fue tomada por mí en mi periodo de pasantías para optar al título de ingeniero de petróleo.

En el presente artículo explicare algunos aspectos relevantes en lo que a presiones se refiere, sobre todo a las presiones que actúan mientras se está perforando un pozo de petróleo. Entender la presión y las relaciones que tiene la presión con la perforación de un pozo es muy importante si queremos comprender todo lo referente al control del pozo. Las presiones con las que se trabaja en la perforación de un pozo de petróleo son las de los fluidos, estos fluidos generalmente tienen varios orígenes, parte de estos fluidos vienen de la formación (yacimiento productor) como pueden ser petróleo y/o gas, otra parte de estos fluidos son los correspondientes a los de perforación, denominado también fluido de perforación (lodo de perforación), la presión que se genera no solamente es de los fluidos, pueden existir presiones por fricción y por origen mecánico. En conclusión gran parte de las actividades realizadas para la perforación de un pozo involucra presiones, y cuando se exceden los límites de presión de muchos de estos procesos, pueden resultar consecuencias desastrosas, incluso descontroles y/o la pérdida de vidas.

¿Qué es la presión de un fluido?

Nota: Imagen elaborada utilizando las herramientas de Microsoft power point

Antes de que me adentre a poder hablar netamente de lo que es la presión de un fluido es necesario que conceptualice sobre lo que es un fluido, puedo decir entonces que un fluido es simplemente algo que no es sólido y puede fluir. El agua y el petróleo por ejemplo son fluidos, el gas también es un fluido, estos tipos de fluidos y otros dentro de su extensa variedad se comportan de manera diferente bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, ahora bien para la explicación y estudio de lo que se desarrollara en este artículo tomaré en cuenta los fluidos utilizados en la perforación de un pozo de petróleo, y no solamente los fluidos que se emplean en la perforación de un pozo de petróleo sino también los fluidos contenidos en los yacimientos de petróleo y/o gas natural. Entre estos fluidos empleados en la industria petrolera se pueden mencionar los siguientes: petróleo, gas, agua, fluidos de perforación, los fluidos de empaque, las salmueras, los fluidos de terminación de pozos entre otros.

La intención con la que hago mención de los fluidos empleados en la perforación de un pozo, es que todos estos fluidos de alguna forma u otra ejercen algún tipo de presión, en el caso del fluido de perforación, este ejerce una presión sobre las paredes del pozo y del yacimiento productor mediante la densidad que posee este fluido y la altura de la columna de fluido.

La fuerza o presión que un fluido ejerce en cualquier punto dado es normalmente medida en libras por pulgada cuadrada (psi) o en el sistema métrico (bar). Dentro de este universo de presiones encontradas en la perforación de un pozo podemos hablar del gradiente de presión, es un término muy empleado para saber cuánta presión puede ejercer un fluido de una densidad dada por cada unidad de longitud.

El gradiente de presión normalmente se expresa como la fuerza que el fluido ejerce por pie de profundidad, es medido en libras por pulgada cuadrada por pie (psi/ft).

Factor de Conversión de densidad

En este punto quiero estudiar los elementos que influyen en que la presión hidrostática del fluido de perforación en la industria petrolera se calcule con la siguiente fórmula:

Donde:

• = presión hidrostática del fluido de perforación, medida en psi.
• =Factor de conversión de densidad.
• =densidad del fluido de perforación, medida en libras por galón.(lbs⁄gal)
• = Profundidad vertical verdadera, medida en pies (ft).

La finalidad de que este factor de conversión sea usado en la industria petrolera, es que generalmente la densidad es medida en campo en libras por galón, y que la única manera de que la presión hidrostática del fluido de perforación de en libras por pulgada cuadrada (psi) es que se use el factor 0.052 en dicha ecuación.

También es importante mencionar que este factor es usado para convertir la densidad en gradiente de presión en psi/pie, siempre teniendo presente que el gradiente de presión es el aumento de presión por unidad de profundidad.

La manera como el factor 0.052 se deriva es usando un pie cúbico (un pie de ancho por un pie de largo por un pie de alto). Se necesita aproximadamente 7.48 galones para llenar ese cubo con fluido. Si el fluido pesa una libra por galón, y se tienen 7.48 galones, entonces el peso total del cubo es de 7.48 libras, o 7.48 libras por pie cúbico. El peso de cada una de las pulgadas cuadradas, por un pie de altura, puede encontrarse dividiendo el peso total del cubo por 144:

Es así como el llegamos al factor de conversión 0.052 que normalmente se usa para los cálculos en el campo petrolero.

Otro análisis necesario bajo este punto es que explicando los elementos necesarios que se mezclan con este factor de conversión, podemos decir que dentro de las presiones encontradas en la perforación de un pozo está la presión que ejerce el fluido de perforación sobre las paredes del pozo, esta presión se manifiesta de dos modos:

• Condición estática: Esta es la condición en la que el fluido de perforación ejerce presión en el fondo del pozo de manera estática, es decir sin que exista una circulación del fluido de perforación, para esto es necesario que estén apagadas las bombas de lodo.

• Condición dinámica: Para esta condición es necesario que el fluido de perforación esté circulando y cumpliendo el circuito en la perforación, la presión dinámica es un poco mayor que la estática, esto es debido a las pérdidas por fricción generadas en todo el circuito del lodo.

La importancia de estas dos condiciones de presión del fluido de perforación es que logre crear en el fondo del pozo una contra presión a favor del fluido de perforación que logre aguantar la presión que ejercen los fluidos que están contenidos en la formación. Por la experiencia que tuve en campo, específicamente en los campos de la Ceiba estado Trujillo, trabajamos con sobre balance de 500 psi a favor del fluido de perforación, con esto nos aseguramos de que no existiera una arremetida de los fluidos de formación hacia el pozo, en donde pudiera ocurrir un reventón que ya es el evento menos deseado en la perforación de un pozo.

Como nos podemos dar cuenta existen otras presiones encontradas en la perforación de un pozo de petróleo, entra las que están la presión de formación y presión de fractura, de estas dos presiones hablaré a continuación, ya que son muy importantes para el control de un pozo mientras estamos perforando.

Antes de adentrarnos al estudio de la presión de formación es necesario que estudiemos también las características que poseen las formaciones que nos encontramos a medida que perforamos un pozo de petróleo.

Características de las formaciones

La porosidad y la permeabilidad, junto con las presiones diferenciales, deben ser consideradas si queremos entender el control de pozos. Una roca reservorio parece sólida a simple vista. Un examen microscópico revela la existencia de aberturas diminuta en las rocas. Estas aberturas se llaman poros. La porosidad de la roca se expresa en porcentaje. Esta es la relación de los espacios (poros) y el volumen sólido. Otra característica de la roca reservorio (llamado también yacimiento) es que debe ser permeable, esto es, que los poros de la roca deben estar conectados de tal manera que los hidrocarburos se muevan entre ellos, de otra manera los hidrocarburos quedarían presos en el yacimiento sin poder fluir a través de ella.

Fuente de imagen. Wikimedia Commons. En la imagen podemos ver la migración de los hidrocarburos dentro del yacimiento. Autor de la imagen: Miguelsierra. Licencia de documentación libre de GNU.

Esta características de porosidad y permeabilidad del yacimiento es el que permite una migración de fluidos como petróleo y gas natural al pozo mientras este es perforado, en la experiencia obtenido en los años que labore en perforación me di cuenta que mis compañeros y colegas de ingeniería de yacimientos y exploración realizaban un tarea ardua y minuciosa por medio de software que simulaban el comportamiento de los yacimiento en estudio, todo con la intención de que en la elaboración de los programas de perforación estuviera bien claro y calculado el valor de la presión de yacimiento, ya que en base al valor de la presión de yacimiento es que se diseña el fluido de perforación, es decir en base al valor de la presión de yacimiento es que podemos saber con qué valor de densidad del fluido de perforación podemos perforar en las diferentes etapas en la perforación y construcción de un pozo de petróleo y /o gas natural.

Tampoco podemos dejar de lado la labor tan importante de los geólogos en la contribución que puedan aportar para los cálculos de la presión de yacimiento, es el estudio de la petrofísica la indicada para estos aspectos que involucran a las formaciones productoras de petróleo y gas natural, y no es que los ingenieros de petróleo no cuenten con herramientas académicas necesarias, ya que la ingeniería de yacimiento es una herramienta con la que contamos los ingenieros de petróleo que también ayuda a predecir el comportamiento de producción de los yacimientos petrolíferos, pero como todo en la industria petrolera necesita de grupos interdisciplinarios, pues no podemos dejar de lado a los geólogos en este proceso de estudio de las presiones encontradas en la perforación de un pozo para su control.

Fuente de imagen: Wikimedia Commons. Equipo multidisciplinario en el estudio de la petrofísica. Autor de la imagen: ISREFEL. Licenciamiento: bajo el dominio público

Presión de Formación

La presión de formación es la que encontramos dentro de los espacios porosos de la roca reservorio. Esta presión puede ser afectada por el peso la sobrecarga (capas de rocas) por encima de la formación, la cual ejerce presión en los granos y los poros con fluidos del yacimiento. Los granos son el elemento sólido o roca, y los poros son los espacios entre granos. Si los fluidos tienen libertad para moverse y pueden escapar, los granos pierden parte de su soporte y se aproximan entre sí. Este proceso se denomina compactación.

Fuente de imagen: Wikimedia Commons. Un claro ejemplo de la deposición de los estratos de un yacimiento petrolífero. Autor de la imagen: Kizar. Licencia de documentación libre de GNU

Las formaciones con presión normal, ejercen una presión igual a la columna del fluido nativo de dicha formación hasta la superficie, es decir la presión con la que se puede encontrar el petróleo y/o gas natural en el yacimiento siempre y cuando lo consideremos un yacimiento con presión normal tiene que estar en el siguiente rango de gradientes presiones: desde 0,433 psi/pie hasta 0.465 psi/pie, siempre tomando en cuenta que puede variar de acuerdo a la región geológica. En las formaciones con presión normal la mayor parte de la sobrecarga es soportada por los granos que conforman el yacimiento. Cuando la sobrecarga aumenta con la profundidad, los fluidos porales se mueven libremente reduciéndose el espacio poral debido a la compactación.

Otros tipos de formaciones de las que debemos hablar, son las llamadas formaciones con presión anormal, y es que son llamadas anormales, ya que su comportamiento de presión supera a los de las formaciones con presiones normales, es decir las formaciones con presiones anormales están dentro de los rangos mayores a los 0.465 psi/pie, estas son formaciones que se formaron en un proceso donde durante la fase de compactación el movimiento de los fluidos de los poros fue paralizado, teniendo esto como resultado que la presión en los poros aumente logrando exceder el gradiente de presión antes mencionado de 0.465 psi/pie. Cabe destacar que son muchas las causas que pueden originar una presión anormal en las formaciones productoras, pero eso es algo en lo que no podemos influir, ya que el proceso de formación y deposición del petróleo y gas natural fue hace millones de años, y ya lo que esta no puede ser manipulado, ahora bien lo que sí nos importa es saber cómo lidiar con estas presiones, generalmente con una buena supervisión en las actividades de perforación, y una buena comunicación con el perforador podemos prevenir de que estas presiones anormales nos vayan a penetrar en el pozo pudiendo ocasionar un reventón, lo ideal es que si supervisamos de manera correcta las actividades de perforación nos podemos dar cuenta que el pozo habla por sí solo, y antes de que los fluidos como el petróleo más gas natural lleguen a la superficie el pozo bajo diversos parámetros que maneja el perforador en el panel de controlador nos avisa de que algo anda mal, y es donde debemos hacer las correcciones que amerite el caso.

El último tipo de formación de la que podemos hablar es cuando el gradiente de presión de formación es menor a 0.433 psi/pie, en este punto nos estamos encontrando con una formación subnormal, en este caso no existe peligro ni ningún riesgo de que la presión de los fluidos del yacimiento nos sorprenda, sin embargo no debemos confiarnos y estar atentos, ya que por ejemplo el gas de formación nos puede cortar la densidad del fluido de perforación, es decir puede lograr de que la densidad del fluido de perforación baje paulatinamente hasta que los fluidos de la formación puedan migrar hasta la superficie ocasionando un reventón.

Es importante mencionar que cuando se perfora en la condición sobre balance, es decir cuando la presión hidrostática del fluido de perforación supera a la presión de la formación se está controlando la perforación, sin embargo la presión hidrostática del fluido de perforación no debe superar la presión de fractura de la formación, por lo que resulta conveniente que nos adentramos entonces a conocer lo qué es la presión de fractura.

Presión de fractura

La presión de fractura es la cantidad de presión necesaria para deformar permanentemente la estructura rocosa de la formación. Superar la presión de formación generalmente no es suficiente para causar una fractura. Si el fluido poral no está libre de movimiento entonces una fractura o deformación permanente pueden ocurrir. En conclusión para controlar un pozo mientras se perfora es conveniente que se perfore con una presión del fluido de perforación mayor a la presión de formación pero sin que se supere la presión de fractura.

Conclusiones y consideraciones

• Podemos resumir el estudio de las presiones en la perforación de un pozo como la guerra entre dos fuerzas que trabajan en forma opuesta, estas son la presión de la columna hidrostática del fluido de perforación y la presión de formación.

• Bajo el control de un pozo surge una gran pregunta de análisis, y no es más que nos preguntemos: ¿Qué pasa si una de las presiones supera a la otra? Para responder a esta pregunta es necesario plantearnos dos escenarios:

Si la presión de formación supera a la presión del fluido de perforación: bajo esta circunstancia puede ocurrir una entrada de fluidos como petróleo y/o gas natural al pozo y migrar hasta la superficie pudiendo ocasionar un incendio (mejor conocido como reventón ) donde se puede perder la perforación y construcción del pozo, y en el peor de los escenarios perder vidas humanas.

Si la presión del fluido de perforación en sus dos vertientes, en condición dinámica (en circulación) y estáticamente (con las bombas de lodo apagadas) supera a la presión de formación: bajo esta escenario pudiera decir que también existe un peligro eminente de un posible reventón, ya que si se supera la presión de fractura, el fluido de perforación entra a la formación, haciendo que se pierda fluido de perforación, por concerniente la columna de fluido irá bajando paulatinamente, con lo que se va perdiendo presión hidrostática del fluido de perforación, por ende va llegar un punto donde la presión de formación va superar la presión del fluido de perforación, ocasionando esto un influjo de fluidos de la formación hacia el pozo.

• Existe una relación estrecha entre la densidad del fluido de perforación y la presión hidrostática, por lo que si la densidad baja la presión del fluido de perforación baja, si la densidad sube la presión del fluido de perforación sube, es por ello que es necesario que exista una estricta supervisión en lo que a controlar los valores de densidad del fluido de perforación se refiere.

• Por mi pequeña y humilde experiencia en la rama de perforación, puedo concluir que el estudio y comprensión de las presiones en la perforación de un pozo petrolero sea de vital importancia para prevenir las arremetidas de fluidos de la formación hacia el pozo y que se ocasione un reventón, situación que hace que el control del pozo tiene que ser supervisado por personas que sean capaces de trabajar en forma rápida y decidida bajo situaciones de estrés y bajo presión.

• Para aquellas personas que tienen un conocimiento básico de la perforación de un pozo, y para quienes no lo tienen también, es importante decirles que para cualquier curso sobre control de pozo es necesario entender los conceptos de presión y contar con la habilidad para realizar cálculos matemáticos exactos.

• En próximos artículos estaré complementando esta serie referida al control de pozos, donde los aspectos técnicos y matemáticos serán de vital importancia para ir entendiendo los aspectos de más relevancia de esta temática de la ingeniería de petróleo.

Bibliografía consultada

Manual de Control de pozos. Well control School. Harvey, Louisiana.

---

"Para toda aquella persona que le apasiona la matemática, física, química, biología, educación e ingeniería, le recomiendo la etiqueta de #stem-spanol, es una comunidad que valora el contenido intelectual y académico de calidad, conservando siempre la originalidad de las publicaciones, por lo que se recomienda a todos aquellos amigos de steemit que deseen publicar utilizando esta etiqueta a no cometer plagio."