Manual de practicas ESTIMULACION DE POZOS.pdf

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura

Ciencias de la Tierra

Ingeniería Petrolera

Manual de prácticas de

Estimulación de Pozos

Petroleros

Ing. Alejo Jiménez Chong Julio 2011

2 Revisión: 22/XI/2011

CONTENIDO

PROLOGO .................................................................................................................................................... 3

MEDIDAS DE SEGURIDAD ............................................................................................................................. 4

REPORTES DE LAS PRÁCTICAS ...................................................................................................................... 5

PRÁCTICAS ................................................................................................................................................... 8

1. PRUEBAS DE INMERSIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE ARCILLAS .......................................................................................... 9

2. CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DE LOS FLUIDOS FRACTURANTES .............................................................................. 11

3. EVALUACIÓN DE AGENTES SUSTENTANTES .......................................................................................................... 13

4. PREPARACIÓN DE SOLUCIONES EMPLEADAS PARA VALORAR ÁCIDOS. ........................................................................ 17

5. PREPARACIÓN DE SISTEMAS ÁCIDOS. ................................................................................................................. 20

6. DETERMINACIÓN DE COEFICIENTE DE PÉRDIDA INSTANTÁNEA. ................................................................................ 23


Prologo

Este documento contiene en un manual de las prácticas que se realizan durante el curso de

Estimulación de Pozos Petroleros, impartido en la carrera de Ingeniería Petrolera en la

Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura unidad Ciencias de la Tierra que es parte del

Instituto Politécnico Nacional en México.

En la estimulación de pozos petroleros se involucran una serie de técnicas especiales que

requieren de un control de los materiales involucrados; como lo son los fluido fracturantes,

estabilizadores, agentes sustentantes, soluciones ácidas y el mismo material del yacimiento.

Por eso la necesidad del trabajo de laboratorio para poder valorar las propiedades de todo lo

anterior para poder predecir con mayor exactitud el comportamiento de una campaña de

estimulación.

Con este manual se busca que con este manual el alumno este preparado previamente al

desarrollo de cada una de las prácticas y así pueda aprovechar al máximo su tiempo en el

laboratorio. Para esto es necesario que el alumno tenga conocimiento de los aspectos

fundamentales del laboratorio, así como de cada una de las actividades que realizará y que

cuente con conocimientos teóricos que fundamentan los fenómenos que se observarán en

cada práctica.

Este manual no incluye todos los procedimientos de laboratorio necesarios para una

estimulación exitosa, ya que las limitaciones de tiempo, espacio y equipos obligo a

seleccionar las siguientes 7 prácticas con las que se pretende que el alumno amplié sus

conocimiento y criterio para fortalecer su formación profesional.


Medidas de seguridad

Prácticamente en cualquier laboratorio se tiene el riesgo de accidentes, la mayoría de poca

importancia, pero algunos de consecuencias graves. Por lo general los accidentes se deben a

descuidos o faltas de atención en el trabajo. Un cumplimiento riguroso del Reglamento y el

seguimiento de las Medidas de seguridad prevendrá directamente la mayoría de dichos

accidentes y ayudará indirectamente a los alumnos a adquirir aquellos hábitos de seguridad

que les serán de inestimable valor no sólo en el laboratorio, sino en cualquier sitio donde se

desarrolle como profesionista o en la vida cotidiana.


Reportes de las prácticas

Las prácticas que se ejecutarán están basadas en el plan de estudio de la materia, todas ellas

son pruebas ejecutadas periódicamente durante la perforación para verificar la calidad del

fluido de control; para realizar cada práctica el alumno debe conocer previamente los

siguientes puntos:

Objetivos

Antecedentes teóricos

Material y equipo a emplear

Procedimiento

Tipo de lecturas o registros que se obtendrán

Aplicación de las lecturas y registros

Posteriormente se debe presentar un reporte donde se desarrollará lo siguiente:

Portada

Introducción

Objetivos


Material

Equipo

Procedimiento

Resultados

Análisis de resultados

Conclusiones

Referencias

Se presenta a continuación lo que se requiere para cada uno de estos puntos.

Portada

Debe incluir los datos de la escuela y materia; nombre y número de práctica centrados en la

hoja, fecha, número de equipo de trabajo, grupo, y nombre del alumno empezando por


apellidos. Una sugerencia para la portada se muestra en el esquema siguiente, note que el

nombre y número de práctica así como nombre del alumno, grupo y equipo tienen posición

obligatoria.

Introducción

Cada práctica deberá contener una breve introducción donde se explique lo que se realiza y

observa en la práctica.

Objetivos

Los que se incluyen en este manual para cada práctica


Para los antecedentes teóricos el alumno desarrollará una serie de puntos que contienen el

conocimiento requerido previo a cada práctica.

Material

Lista de material empleado

Equipo

Lista de equipo empleado

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Ticomán

Ciencias de la tierra

Ingeniería Petrolera

Estimulación de pozos petroleros

Título de la práctica

No. de la práctica

Nombre empezando por apellidos

Grupo

Equipo

Fecha

Ubicación

obligatoria

Ubicación

y orden

obligatorio

s


Procedimiento

Este se detalla en este manual para cada práctica que se desarrollará.

Resultados

El alumno debe de incluir en el reporte lo observado en el desarrollo de la práctica en esta

sección donde se reportará lo obtenido siguiendo como guía lo referente a tipo de lecturas

o registros que se obtendrán.

Análisis de resultados

Para esta sección usar como guía lo explicado para cada práctica en lo referente a

aplicación de las lecturas y registros, Se auxiliará de comprobaciones matemáticas,

esquemas, tablas y gráficas.

Conclusiones

Como parte final del análisis se deberá concluir, buscando siempre estar en acuerdo con el

objetivo y lo que se estudió en los antecedentes teóricos, estas conclusiones deben ser

objetivas sin abarcar puntos generales ni intereses globales de la ingeniería petrolera.

Referencias

Todos los reportes deben incluir referencias bibliográficas veraces y comprobables.


Prácticas


1. Pruebas de inmersión y estabilización de arcillas

Objetivos

Evaluar el comportamiento de soluciones estabilizadoras de arcillas comúnmente utilizadas

en estimulación de pozos.


Inestabilidad de arcillas

Dispersión y expansión de arcillas

Características de un estabilizador de arcillas

Tratamiento de estabilización


Equipo Material

4 tubos de centrífuga (uno por equipo).

1 centrífuga.

1 Probeta graduada.

1 Báscula.

Salmuera 50,000 ppm de NaCl.

KCl

Al(OH)

Agua destilada

Bentonita

Procedimiento

1. Se vierte 50ml de salmuera (50,000 ppm de NaCl) en un tubo de centrífuga, después

agregar 1.5g de bentonita al tubo a continuación aforar hasta 100ml con salmuera,

agitar el tubo manualmente hasta lograr una completa dispersión de la arcilla.

Centrifugar durante 15min a 1400rpm y tomar lectura del material asentado.

2. Decantar la salmuera del tubo y aforar hasta 100ml con la solución estabilizadora

(según la tabla siguiente), agitar manualmente hasta lograr la completa dispersión de la

arcilla. Centrifugar durante 15min a 1400rpm y tomar lectura del material asentado

(para las soluciones estabilizadoras de todos los equipos).


Equipo Solución estabilizadora

1 Agua destilada 2 Solución al 7% de KCl 3 Solución al 7% de Al(OH) 4 Solución al 9% de Al(OH)

3. Decantar la solución estabilizadora del tubo y aforar hasta 100ml con agua destilada,

agitar manualmente hasta lograr la completa dispersión de la arcilla. Centrifugar

durante 15min a 1400rpm y tomar lectura del material asentado (para las muestras de

todos los equipos).

4. Decantar el agua destilada del tubo y aforar hasta 100ml con salmuera de NaCl, agitar

manualmente hasta lograr la completa dispersión de la arcilla. Centrifugar durante

15min a 1400rpm y tomar lectura del material asentado (para las muestras de todos los

equipos).

5. Decantar la solución estabilizadora del tubo y aforar hasta 100ml con agua destilada,

agitar manualmente hasta lograr la completa dispersión de la arcilla. Centrifugar

durante 15min a 1400rpm y tomar lectura del material asentado (para las muestras de

todos los equipos).

Repetir consecutivamente los pasos 4 y 5 dos veces.


Se observará y tomará nota del comportamiento de la prueba realizada por todos los

equipos, tomando nota de los comportamientos que se tienen en cada paso de la prueba para

cada agente estabilizador.


Elaborar tablas con las lecturas, registros y lo observado durante todas las etapas; presentar

una serie de fotografías ordenadas de tal forma que se pueda observar el comportamiento

para cada etapa y para cada solución estabilizadora. Con lo anterior se podrá analizar el

comportamiento de la arcilla para cada solución estabilizadora.

Tomar nota de la posibilidad de cometer errores durante las determinaciones y analizar

como se pueden evitar.


2. Caracterización reológica de los fluidos fracturantes

Objetivos

Preparar un fluido fracturante básico y obtener sus parámetros reológicos


Clasificación mecánica de los fluidos

Viscosidad

Variación de la viscosidad con la temperatura

Ley de potencia de los fluidos


Equipo Material

Viscosímetro Fann 35

Dispersor

Cronómetro

Agua Destilada

Cloruro de potasio

Carboximetilcelulosa

Harina Sílica

Sulfato básico de cromo

Procedimiento

1. Elaboración del fluido fracturante

1.1. En el vaso del dispersor colocar 600cm³ de agua y comenzar la dispersión.

1.2. Agregar lentamente 7,5g de carboximetilcelusosa (CMC).

1.3. Verter lentamente 12g de cloruro de potasio (KCl).

1.4. Mantener el fluido en el dispersar encendido por 30min.

1.5. Agregar 0.3g de harina sílica.

1.6. Agregar 0.6g de sulfato básico de cromo.

1.7. Mantener el fluido en el dispersar encendido por al menos 2min antes de probarlo

con el viscosímetro.

2. Determinación de parámetros mecánicos

2.1. Se calientan previamente el vaso metálico, el cilindro fijo, el rotor y el fluido a la

temperatura programada.


2.2. Secar rápidamente las partes calentadas y montarlas en el viscosímetro.

2.3. La muestra se vierte inmediatamente en el vaso metálico con el rotor girando a 3

RPM hasta que el nivel alcance la línea indicadora del rotor cuidando que el

espacio anular quede invadido por el fluido, se prolonga la velocidad de 3 RPM por

2 minutos más.

2.4. Encender el viscosímetro y variar la velocidad de corte en 600, 300, 200, 100, 6 y 3

RPM tomando lecturas de la deflexión del dial.


Se tomarán lecturas consecutivas a las velocidades de en 600, 300, 200, 100, 6 y 3 RPM,

esperando 60seg para la primera velocidad (600RPM) y 20seg para las demás velocidades

antes de tomar la lectura

Las lecturas que se obtendrán son velocidad de corte () en RPM y deflexión del dial ()

en °. Presentar tablas y gráficas con los resultados


Para la configuración del viscosímetro la velocidad de deformación y el esfuerzo cortante

se calculan a partir de la velocidad de corte y la deflexión del dial según las fórmulas

siguientes:

= 1.067 para en ° y en lb/100pie²

= 5.110 para en ° y en dina/cm²

= 1.703 para en RPM y en s-1

Graficar y calcular los índices de consistencia y de comportamiento para el fluido

fracturante.

Observar los resultados obtenidos por los otros equipos de trabajo e interpretar las

variaciones de los resultados analizando las posibles causa de estos. Así como los errores o

fallas que se cometen durante las determinaciones.


3. Evaluación de agentes sustentantes

Objetivos

Determinar las principales propiedades de los agentes sustentantes empleados en el

fracturamiento hidráulico.


Agentes sustentantes

Granulometría y curva granulométrica

Características principales de los agentes sustentantes

o Densidad de las arenas

o Redondez y esfericidad de arenas

o Granulometría

o Solubilidad de la arena


Equipo Material

1 Juego de mallas granulométricas

1 Agitador mecánico

1 Lente de aumento

1 Balanza

1 Probeta

1 Botella Babcock

1 Crisol de porcelana

1 Vaso de precipitados de 100 ml

1 Baño de control de temperatura

1 Parrilla

1 Piceta

1 Cucharilla para muestras

Papel filtro

Ácido clorhídrico

Muestra de agente sustentante

Agua destilada


Procedimiento

1. Distribución granulométrica.

1.1. Apilar los tamices en una columna descendente según su número identificador (los

de mayor abertura sobre los de menor abertura), dejando la charola debajo de la

columna de tamices.

1.2. Pesar una muestra representativa del material sustentante.

1.3. Colocar la muestra en el tamiz superior de la columna y taparla.

1.4. Montar la columna en el agitador mecánico y activarlo por 30 minutos.

1.5. Desmontar la columna de tamices y pesar el porcentaje acumulado en cada uno.

2. Esfericidad y redondez

2.1. Tomar una muestra representativa de 50 partículas de material sustentante.

2.2. Comparar visualmente con ayuda del lente de aumento cada partícula con el

diagrama de Krumbein y tomar lectura de la esfericidad y redondez aproximada de

cada partícula.

3. Densidad

3.1. Aforar la botella de Babcock con agua destilada hasta 0 cm³ y determinar la masa

de la botella con agua destilada³ y determinar la masa de la botella con agua.

3.2. Agregar agente sustentante de una muestra representativa a la botella hasta que el

nivel del agua desplazada alcance entre 4 y 5 cm³ y determinar la masa de la botella

con agua destilada y determinar la masa de la botella con agua y agente.

3.3. En la probeta vacía de masa conocida agregar agente hasta que se llegue al final de

la escala de volumen y se determina la masa de la probeta con el agente.

4. Solubilidad en HCl

4.1. En un vaso de precipitados de 100ml colocar una muestra representativa de agente

sustentante con masa conocida (10g)

4.2. Agregar lentamente HCl concentrado de manera que cubra la totalidad de la

muestra de agente.

4.3. En la campana extractora calentar el vaso con el ácido y el agente hasta lograr una

descomposición completa de los carbonatos, mientras se agita frecuentemente.

4.4. Enjuagar el ácido con agua en el vaso de precipitados con ayuda de una piceta y

otro vaso de precipitados decantando el ácido repetidamente.

4.5. Agregar una solución de HCl al 10% y colocarlo en el baño de control de

temperatura a 80°C por 30 min.

4.6. Repetir el enjuague del paso 4.4

4.7. Se filtra con el papel filtro hacia el crisol de porcelana.

4.8. Calentar a 110°C por 24hr.

4.9. Pesar el agente sustentante después de que se enfrié.



1. Distribución granulométrica.

1.1. Masa del total de la muestra representativa del material sustentante.

1.2. Tiempo de agitación.

1.3. Masa acumulada en cada tamiz.

2. Esfericidad y redondez

2.1. Valores de esfericidad de redondez de cada una de las 50 partículas de la muestra.

3. Densidad

3.1. Aforo y masa de la botella de Babcock con agua destilada y de la botella con agua

y agente.

3.2. Masa de la probeta vacía y masa de la probeta con agente sustentante.

4. Solubilidad en HCl

4.1. Masa de la muestra representativa de agente sustentante antes y después de la

prueba


Trazar la curva granulométrica del material sustentante y determinar: densidad verdadera,

densidad bruta, esfericidad y redondez representativas, porcentaje de solubilidad en HCl.

Observar los resultados obtenidos por los otros equipos de trabajo e interpretar las

variaciones de los resultados analizando las posibles causa de estos. Así como los errores o

fallas que se cometen durante las determinaciones.


Diagrama de Krumbein

Abertura

(mm)

Denominación Abertura

(mm)

Denominación Abertura

(mm)

Denominación

4.750 4 0.710 25 0.125 120

3.350 6 0.599 30 0.104 140

2.810 7 0.500 35 0.089 170

2.380 8 0.422 40 0.075 200

2.000 10 0.354 45 0.066 230

1.680 12 0.297 50 0.053 270

1.400 14 0.251 60 0.044 325

1.200 16 0.211 70 0.037 400

1.000 18 0.178 80 0.025 500

0.853 20 0.152 100 0.020 635

Abertura estandar en tamices de laboratorio

para determinaciones granulométricas


4. Preparación de soluciones empleadas para valorar ácidos.

Objetivos

Preparar soluciones de hidróxido de sodio y ácido clorhídrico estableciendo su normalidad,

lo que se empleará para determinar la concentración de ácidos durante las estimulaciones


Normalidad

Peso equivalente

Titulación

Punto de equivalencia


Equipo Material


6 matraces Erlenmeyer

2 probetas graduadas de 100 ml

2 buretas

2 pipetas

1 varillas de vidrio

1 Cuchara de plástico

1 Soporte universal

Espátula

Carbonato de sodio

Rojo de metilo

Agua destilada

Hidróxido de sodio

Ácido clorhídrico

Procedimiento

− Preparación de indicador de rojo de metilo

o Agregar 0.1g de rojo de metilo en 100ml de agua destilada.

o Guardar en frasco de vidrio color ambar

− Preparación de una solución de NaOH 0.5N


o Pese 1g de NaOH, disuelva con el mínimo de agua destilada en el vaso de

100ml vierta a la probeta de 50ml afore hasta 50 ml.

− Preparación de HCl 0.2N

o Mida en una probeta de 20ml 0.8ml de HCl y afore hasta 50ml

− Valoración de HCl o.2N

o Pese por triplicado 150mg de Na2CO3 previamente secado a 100°C.

o Disuelva en agua destilada (aproximadamente en 50ml) en el interior de 3

matraz Erlenmeyer.

o Adicione tres gotas del indicador.

o Titule con la solución de HCl 0.2N hasta el vire del indicador.

− Valoración del NaOH

o Mida 5ml por triplicado de la solución de HCl 0.2N y vierta en 3 matraces

Erlenmeyer

o Agregue agua destilada (hasta aproximadamente 50ml)

o Adicione tres gotas del indicador.

o Titule con la solución de NaOH 0.5N hasta llegar al vire del indicador.


Volumenes necesarios para titular las soluciones de HCl y de NaOH


Determine el título de la solución de HCl mediante la siguiente expresión.

T →Título [mg/ml]

W → Peso del Na2CO3 agregado a cada matraz [mg]

V → Volumen de la solución de HCl para llegar al vire

La normalidad del ácido se calcula con la siguiente expresión

NHCl → Normalidad del ácido


Peq → Peso equivalente del ácido

La normalidad del NaOH se calcula de la siguiente manera

VHCl → Volumen de HCl colocado en los matraces

VNaOH → Promedio de los voluménes de NaOH para llegar al punto final


5. Preparación de sistemas ácidos.

Objetivos

Determinar la concentración de ácidos y preparar sistemas de ácidos que comúnmente se

emplean en estimulación de pozos.


o Sustancias ácidas

o Escala Baumé

o Preparación de soluciones ácidas

o Ácidos empleados en la acidificación de estimulaciones


Equipo Material

1 Probeta de 500ml


1 Probeta de 100ml

1 Varilla de vidrio

1 Termómetro

1 Densímetro

1 Balanza granataría

Bifluoruro de amonio

Ácido Clorhídrico

Agua destilada

Procedimiento

− Determinación de la concentración de la muestra

o Con el densímetro se determina la densidad del ácido concentrado

o Registrar la temperatura a la que se registra la densidad


o Corregir el valor de la densidad para normalizarla a 60ºF a partir de la tabla

de corrección.

o Utilizando las siguientes relaciones estime el porciento en peso de HCl

concentrado (PHCl)

Para: ºBe<19: ºBe = 0.644 PHCl + 0.632

Para: ºBe>19: ºBe = 0.600 PHCl + 1.2

− Prepare una solución de HCl a un determinado porcentaje con ayuda de la Carta

para diluir ácido.

− Prepare una solución de ácido clorhídrico y de bifluoruro de amonio a partir de

balance de materia de acuerdo a la tabla correspondiente.


Densidad del ácido concentrado

Temperatura del ácido al determinar la densidad


Determinación de valores de corrección de concentración por temperatura

Densidad corregida

Determinación de la concentración del ácido concentrado

Volumen para preparación de una solución de ácido a menor concentración

Balance de materia para preparación de soluciones.


Cantidades para preparar soluciones de ácido clorhídrico y bifluoruro de amonio

Concentración HCl al 28% NH4HF2 H2O

[%-%] [ml] [g] [ml]

12-3 492.00 45.70 418.00

11-4 488.70 61.00 391.70

10-5 486.00 76.00 365.50

17-3 658.90 45.70 227.00

16-4 655.60 61.00 200.70

15-5 652.00 76.00 174.00

Tabla de corrección por temperatura para determinar la densidad de una solución de HCl a 60ºF

Densidad Factor de corrección

Densidad Factor de corrección

[ºBe] [ºBe] [g/cm²] [g/cm²]

2 0.01 1.014 0.0001

4 0.02 1.028 0.0001

6 0.02 1.043 0.0002

8 0.02 1.058 0.0002

10 0.03 1.074 0.0002

12 0.03 1.090 0.0002

14 0.03 1.107 0.0003

16 0.03 1.124 0.0003

18 0.04 1.142 0.0003

20 0.04 1.160 0.0003

22 0.04 1.179 0.0004

24 0.04 1.198 0.0004

INDICACIONES

Seleccionar el valor más cercano a la densidad determinada (ºBe o g/cm²)

Si la temperatura a la cual se tomó la densidad es mayor a 60ºF sumar al valor de la densidad el factor de corrección correspondiente por cada grado de temperatura arriba de 60 ºF

Si la temperatura a la cual se tomó la densidad es menor a 60ºF restar al valor de la densidad el factor de corrección correspondiente por cada grado de temperatura arriba de 60 ºF


6. Determinación de coeficiente de pérdida instantánea.

Objetivos

A partir de una prueba de filtración obtener el coeficiente de perdida instantánea y la

pendiente de la recta V vs √


o Coeficiente de pérdida instantánea

o Coeficiente de pérdida paulatina

o Filtro prensa API

o Efectos de los coeficientes de pérdida en el fracturamiento


Equipo Material

1 Probeta de 50ml


1 cronómetro

1 filtro prensa API

Muestras de fluido fracturante

Procedimiento

− Ensamblar la celda del filtro según el esquema

− Regular la salida del tanque de nitrógeno que abastece la celda a 100 libras/pulg2 de

presión mientras que las válvulas que abastecen de presión la celda permanecen

cerradas

− Verter fluido fracturante en la celda del filtro prensa dejando un bordo libre de un

cuarto de pulgada

− Colocar la celda en su soporte así como la tapa presionando el tornillo T que se

encuentra sobre la celda


− Colocar la probeta bajo la celda

− Abrir la válvula que abastece de presión a la celda, tome las primeras 3 o 4 lecturas

y verifique que la presión sea de 100 lb/pulg²

− Continúe tomando lecturas.

− Una vez tomadas las lecturas desmonte la celda, ANTES DE DESMONTAR LA

CELDA LIBERE LA PRESIÓN A TRAVÉS DE LA VÁVULA DE ALIVIO.


Volumen filtrado acumulado a los siguientes tiempos: 5s, 15s, 30s, 1min, 5 min,

7.5min, 15min, 30min, 60min, 90min, 120min (si la probeta se llena antes de tomar las

lecturas termine la prueba).


Obtener las gráficas V vs t en escala raíz cuadrada en el eje horizontal (t) para

cada fluido.

De cada gráfica obtener la pendiente de la recta (m) y el coeficiente de pérdida

paulatina.

Comparar y analizar los comportamientos observados.


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