APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE REGISTRO LWD EN OPERACIONES DE PERFORACIÓN DE POZOS GUILLERMO ALEJANDRO GENEY RONCALLO

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1 APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE REGISTRO LWD EN OPERACIONES DE PERFORACIÓN DE POZOS GUILLERMO ALEJANDRO GENEY RONCALLO UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLIN FACULTAD DE MINAS INGENIERÍA DE PETRÓLEOS MEDELLÍN 2000

2 APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE REGISTRO LWD EN OPERACIONES DE PERFORACIÓN DE POZOS GUILLERMO ALEJANDRO GENEY RONCALLO Trabajo dirigido de Grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Petróleos Directora: CARMEN ELENA ZAPATA SÁNCHEZ M. Sc. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLIN FACULTAD DE MINAS INGENIERÍA DE PETRÓLEOS MEDELLÍN 2000 ii

3 DEDICATORIA En especial a Dios y a mi Madre y Padre, por la fortaleza que me han brindado para enfrentar uno a uno todos los retos que ha implicado llevar a buen y feliz término todo este proceso iii

4 AGRADECIMIENTOS El autor expresa su agradecimiento: A CARMEN ELENA ZAPATA SÁNCHEZ, directora del trabajo de grado por su invaluable ayuda para el feliz termino de este trabajo. A JOSÉ JOAQUÍN DUEÑAS y EDUARDO JUNCA por su valiosa contribución a mi formación profesional, con su consejo y guía. A mi familia por los años compartidos y porque gracias a ellos he logrado culminar esta etapa de mi vida. A mis amigos y compañeros universitarios, por compartir juntos tantas alegrías y tristezas. A todos los que he conocido en mi paso por este templo del saber, que a todos nos brinda la oportunidad de crecer como personas y como profesionales. Y a Dios por su ayuda y guía... iv

5 TABLA DE CONTENIDO LISTA DE TABLAS...ix Pág. LISTA DE FIGURAS...xi RESUMEN xvi 1 INTRODUCCIÓN REVISIÓN HISTÓRICA DE SU DESARROLLO HERRAMIENTAS DEL SISTEMA DE REGISTRO MIENTRAS SE PERFORA, LWD HERRAMIENTA DE DENSIDAD Herramienta de densidad de la empresa SPERRY SUN, SLD Herramienta de densidad de la empresa SCHLUMBERGER, CDN Herramienta de densidad de la empresa SCHLUMBERGER, ADN HERRAMIENTAS DE NEUTRÓN LWD Herramienta de Neutrón Herramienta de Neutrón Porosidad de la empresa SPERRY SUN, CNØ Herramienta de Neutrón Térmico Compensado, CNT v

6 3.3 HERRAMIENTA DE RAYOS GAMMA HERRAMIENTAS DE RESISTIVIDAD Herramienta de Resistividad de Propagación de Onda Electromagnética, EWR Herramienta de Resistividad tipo LATEROLOG HERRAMIENTA SONICA LWD SISTEMAS DE TELEMETRIA GENERALIDADES Sistema de pulsos de presión en el lodo Sistemas electromagnéticos Sistemas a cable Sistemas acústicos SISTEMA DE TELEMETRIA MAS UTILIZADO EN LA ACTUALIDAD Pulso Positivo de presión en el lodo Pulso Negativo de Presión en el lodo Onda Continua de Presión en el lodo TIPO DE INFORMACIÓN PROPORCIONADA POR LAS HERRAMIENTAS LWD ANÁLISIS DE POZOS BASADOS EN LA COMPARACIÓN DE DATOS DE REGISTROS LWD, A CABLE Y LAD EVALUACIÓN DE POTENCIALES ZONAS PRODUCTORAS DE HIDROCARBUROS, PETRÓLEO Y/O GAS, Y AGUA vi

7 5.3 DETECTAR APROXIMACIÓN A LIMITES DE CAPAS DETECTAR INVASIÓN TEMPRANA EN ZONAS PERMEABLES. COMPARACIÓN DE REGISTROS A CABLE Y LWD PARA IDENTIFICACIÓN DE PERFILES DE INVASIÓN DETERMINAR LA LONGITUD DE LA INVASIÓN TIMONEO SUBTERRÁNEO GEOLÓGICO DEL POZO, GEOSTEERING ESTIMACIÓN DE LITOLOGÍA GUIAR DENTRO DE OBJETIVOS HORIZONTALES COMPLEJOS CORRELACIÓN DE LA FORMACIÓN DETERMINACIÓN CUALITATIVA DE VARIACIONES EN LA PERMEABILIDAD DE LA FORMACIÓN COMPARACIÓN DE LOS SISTEMAS DE REGISTRO LWD Y A CABLE MUESTREO, MANEJO Y TRANSMISIÒN DE DATOS DIFERENCIAS EN EL DISEÑO DE LA HERRAMIENTA Diferencias en la física de la herramienta Condiciones estándar para el sensor DIFERENCIAS EN LAS CONDICIONES DEL POZO Diámetro del pozo y standoff Propiedades del lodo vii

8 6.4 DIFERENCIAS EN LAS CONDICIONES DE LA FORMACIÓN Efectos de invasión Efectos de alteración de la arcilla VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE REGISTRO LWD CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA 163 ANEXO 1. GLOSARIO 173 viii

9 LISTA DE TABLAS TABLA 1. Métodos básicos para evaluación de la formación Pág. 2. Tipos de registros o medidas para evaluación de la formación y su prioridad Número de empresas que prestan servicios de LWD y número de herramientas LWD disponibles por año Información relativa al sensor de rayos gamma LWD para los años de 1993, 1994, 1996 y Información relativa al sensor de resistividad LWD para los años de 1993, 1994, 1996 y Información relativa al sensor de Densidad LWD para los años de 1993, 1994, 1996 y Información relativa al sensor de Neutrón LWD para los años de 1993, 1994, 1996 y Especificaciones para las medidas de la herramienta de lito-densidad estabilizada ix

10 9. Especificaciones para la medida de la herramienta de neutrón porosidad compensado LWD Especificaciones para la herramienta de neutrón térmico compensado, CNT Especificaciones para una herramienta de rayos gamma LWD Sistemas básicos de medición mientras se perfora Ventajas y desventajas de los diferentes sistemas de comunicación fondo de pozosuperficie Comparación de las condiciones de la formación durante el registro Ilustración de los efectos de invasión sobre la formación x

11 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. Herramienta de densidad LWD de la empresa Sperry Sun Pág. 2. Configuración mecánica de la herramienta de densidad CDN Herramienta de densidad azimutal, ADN Configuración de la herramienta de neutrón Configuración de la herramienta de neutrón porosidad compensado CNØ Diagrama esquemático del sensor de rayos gamma mostrando los dos grupos de detectores La porción del espectro magnético útil para el registro de resistividad Configuración básica de la herramienta de resistividad por propagación de onda electromagnética Herramienta de resistividad de propagación de onda electromagnética ó EWR Herramienta de resistividad de propagación de onda electromagnética, última versión xi

12 11. Herramientas de resistividad tipo laterolog Principio físico de funcionamiento de la herramienta sónica LWD Componentes del sistema de telemetría electromagnético Componentes principales de un sistema telemetría a cable Sistema de telemetría por pulsos de presión positivos en el lodo Sistema de telemetría por pulso negativo de presión en el lodo Sistema de telemetría por onda continua de presión en el lodo o sistema tipo sirena Evaluación del pozo A-5, arena YC, con registros de resistividad y neutrón MWD y densidad neutrón a cable Diferencias en los registros neutrón porosidad LWD con el tiempo permiten determinar contactos de fluidos Efecto de la disminución de la relación gas/petróleo sobre el registro de neutrón porosidad LWD con el tiempo Comparación del registro de resistividad LWD por la técnica de progresión de tiempo Comparación del registro de resistividad LWD por la técnica de progresión de tiempo xii

13 23. Confirmación de la presencia de hidrocarburos movibles en una arena productora de baja resistividad por comparación de registros de resistividad a cable y LWD Detección de los límites de capas por medio de la respuesta de la herramienta de rayos gamma enfocados Conos de polarización Cambio de fase contra la atenuación de la amplitud Perfil de invasión de una arena gasífera Perfil de invasión de una arena petrolífera Perfil de invasión de una arena acuífera Cambios en el perfil de invasión de una arena acuífera Perfiles de invasión: arena gasífera contra una arena petrolífera Medida de resistividad por propagación de onda electromagnética de profundidad de investigación profunda sin obtener el valor de la resistividad verdadera Registro CDR/CDN de un pozo horizontal Vista simplificada del pozo a través de las formaciones yacimiento Cálculo del buzamiento estructural aparente a lo largo del pozo xiii

14 36. Comparación de los registros de las herramientas de resistividad de inducción de alta resolución y de onda electromagnética compensada, rayos gamma y direccionales Evaluación de la formación de los registros en la Figura Trazo del registro de rayos gamma en tiempo real, mostrando la correlación entre las secciones de alto ángulo y de alto ángulo invertido del pozo Correlación de un registro de rayos gamma enfocado MWD con un registro de rayos gamma enfocado a cable en profundidad vertical verdadera Variaciones de permeabilidad Ejemplo de los valores de resistividad enfocada LWD obtenidos bajo diferentes condiciones de muestreo Esquema del camino de atenuación que siguen los rayos gamma desde la formación hasta la sonda de registro Comparación de los valores de la constante dieléctrica para diferentes tipos de formaciones Variación de las constantes dieléctricas con el volumen de arcilla. El volumen de arcilla es la suma de todos los tipos de arcillas Factor de corrección para la herramienta de rayos gamma por efectos del alargamiento del pozo Efecto de la condición del pozo sobre las herramientas de densidad a cable y LWD. 134 xiv

15 47. Comparación de los ambientes de pozo para las herramientas de densidad y neutrón LWD y a cable Standoff de la herramienta de densidad y neutrón LWD en un pozo horizontal Standoff de la herramienta de densidad y neutrón a cable en una operación de perforación Comparación de una herramienta de densidad LWD y una a cable en un pozo inestable Modelos de arcilla laminar, estructural y dispersa Registro de Rayos Gamma a cable y MWD Comparación de dos registros LWD, obtenidos mientras se escarea el pozo de prueba de Halliburton en el campo Forth Worth, y un registro a cable Evaluación del pozo A-5, arena YC, con registros de resistividad y neutrón MWD y densidad neutrón a cable Comparación entre un registro LWD y un registro a cable corridos en un pozo inestable xv

16 RESUMEN La tecnología de registro mientras se perfora o LWD, por las siglas en inglés Logging While Drilling, es la tecnología de tomar medidas de las propiedades de las formaciones mientras se esta construyendo el pozo. El desarrollo histórico de la tecnología se inicia con el desarrollo de las primeras herramientas MWD, por las siglas en inglés Measurement While Drilling para evaluación de las formaciones, las herramientas de resistividad corta normal y rayos gamma MWD, las cuales se utilizaron para evaluación cualitativa de las formaciones. Los avances posteriores permitieron la introducción de nuevas herramientas de resistividad, las cuales se basan en la propagación de ondas electromagnéticas, herramientas de rayos gamma que permiten la medición de la radiactividad de las formaciones, herramientas de densidad, neutrón y sónica, con las cuales se constituye un conjunto básico de medidas para la evaluación de las formaciones. Para el desarrollo de las diferentes herramientas de la tecnología LWD, se han tenido en cuenta los principios físicos de funcionamiento de algunas de las herramientas de registro a cable, por ejemplo para las herramientas de resistividad se han desarrollado algunos diseños basados en la resistividad corta normal y la resistividad por propagación de onda electromagnética, para la herramienta de rayos gamma la medida se basa en la medida de la radiactividad natural emitida por las formaciones, para la herramienta de neutrón la medida se basa en la dispersión que sufren los neutrones emitidos por la herramienta al chocar con los núcleos de los átomos de las formaciones registradas, especialmente por los núcleos de los átomos de hidrógeno de los fluidos que llenan los espacios porosos. xvi

17 Adicionalmente cambios en los diseños de las herramientas para poder hacerlas útiles en los procesos de perforación tales como la adecuación de un estabilizador a las herramientas de densidad y neutrón en vez del patín que utilizan las herramienta de densidad y neutrón a cable y un nuevo diseño para la herramienta sónica LWD que le permite medir aun bajo las condiciones de ruido adversas que se encuentran en estos ambiente de fondo de pozo. La información recopilada de las herramientas LWD se graba en la memoria y una parte de ella se envía a superficie en tiempo real por un sistema de telemetría, onda electromagnética, cable, sónico ó pulsos de presión en el lodo hasta la superficie para la evaluación de la formación en tiempo real. Contar con toda esta información en tiempo real ha permitido el desarrollo de procesos tales como la geonavegación o construcción del pozo, utilizando la información de las propiedades de las formaciones perforadas para ubicarlo en la posición óptima con respecto a los límites de capas o contactos de fluidos. Esto además ha permitido la realización de procesos de perforación mas seguros y eficientes. La comparación de toda esta información registrada con las herramientas LWD contra las medidas obtenidas con las herramientas a cable y las medidas obtenidas de muestras de las formaciones perforadas, ha permitido validar la utilidad de este nuevo sistema de registro permitiendo entre otras la determinación de perfiles de invasión, correlación entre pozos y ubicación de contactos de fluidos. Esta tecnología permite visualizar el ambiente del pozo durante el proceso de la operación de perforación, lo cual no podía hacerse con las herramientas de registro a cable; además permite la evaluación de las formaciones por comparación de información obtenida a diferentes tiempos, durante y después de la perforación de una sección del pozo y luego de finalizar toda la operación de perforación; esta información ayuda a entender las propiedades de las formaciones que están siendo y que han sido perforadas. xvii

18 1 INTRODUCCIÓN Las operaciones actuales de perforación corresponden a megaproyectos los cuales implican procesos de planificación, realización y evaluación, que se conciben teniendo en mente un horizonte de tiempo no mayor a 10 años. Esto implica tener en mente desde el nacimiento del proyecto, el uso de tecnologías que permitan obtener información exacta y confiable de las formaciones que se atraviesan en busca de la roca yacimiento. Una de ellas que se está utilizando actualmente es la tecnología de registro mientras se perfora o LWD, la cual permite la evaluación de las formaciones objetivo en tiempo real mientras se esta perforando el pozo. Esta tecnología, junto a otras entre las cuales se pueden destacar la tecnología MWD o de toma de medidas mientras se perfora además del desarrollo de nuevos equipos especiales para las operaciones de perforación ha permitido la realización de procesos de perforación direccional y horizontal mas seguros y eficientes, lo cual ha implicado también el renacimiento de algunos yacimientos maduros y el incremento en la productividad de los nuevos yacimientos. El conocimiento del desarrollo histórico de estas tecnologías, además de los principios físicos de funcionamiento de las herramientas permite tener una visión de las aplicaciones principales que ella tiene y que podría tener, además de permitir comparaciones de las respuestas obtenidas con respecto a las tecnologías en las que ella pueda estar basada, para poder determinar su utilidad real. 1

19 Las aplicaciones presentes permiten entre otras la geonavegación o construcción del pozo por navegación a través de las formaciones en función de la litología que se esta atravesando, la determinación de perfiles de invasión, la identificación de contactos de fluidos tales como gas/aceite, agua/petróleo y gas/petróleo, la ubicación de puntos de corazonamiento y de revestimiento mientras se esta perforando, la determinación de la presencia de fracturas además de las tradicionales evaluación de la resistividad verdadera y determinación de las saturaciones de agua, petróleo y gas, etc. Las aplicaciones a futuro implican poder desarrollar nuevas herramientas que permitan ampliar el horizonte reducido de aplicaciones que actualmente se posee, además de poder desarrollar técnicas tendientes a enfrentar las desventajas que actualmente presentan en términos de que se enfrentan a un ambiente hostil en el cual no siempre se puede garantizar la obtención de la respuesta exacta que permita la evaluación real de las formaciones. Se tiene entonces una muy buena herramienta que puede constituirse en una alternativa a los registros a cable, técnica que ha sido desarrollada por mas de Cuarenta años, la cual se utiliza en todos los pozos del mundo para evaluación de las formaciones durante toda la vida productiva de los pozos. Esta realmente es la visión que ha motivado el desarrollo de la tecnología LWD y en muchas partes del mundo lo ha logrado, gracias a que ha combinado el estado del arte de los sensores con la rugosidad de un collar de perforación, lo que le permite hacer parte del ensamblaje de fondo de pozo durante las operaciones de perforación. Este trabajo se une a los Trabajos Dirigidos de Grado de los ingenieros Francisco Javier Sinisterra M. y Lina Marcela Marín respectivamente, los cuales intentan dar una mirada a lo que son las tecnologías MWD y LWD en sus fundamentos básicos y aplicación en campo. Esto presenta una nueva tendencia de desarrollo de Trabajos Dirigidos de Grado tendientes a la presentación de las nuevas tecnologías que constituyen el estado del arte del desarrollo tecnológico dentro del área de ingeniería de petróleos. 2

20 2 REVISIÓN HISTÓRICA DE SU DESARROLLO La revisión histórica muestra el desarrollo de la tecnología de toma de registros mientras se perfora o LWD, por las siglas en inglés Logging While Drilling, desde el momento en que solo era considerada como una alternativa que permitía hacer los procesos de perforación mas seguros y eficientes. Presenta una clasificación que considera la necesidad de tecnologías que permitan tomar medidas en tiempo real, lo cual lleva implícitamente al desarrollo de la tecnología LWD. De un modo muy general se describen las herramientas, en aspectos tales como el tipo de medida registrada, los problemas enfrentados para el desarrollo de la herramienta en cuestión y los presentados cuando ya ha sido comercializada. La tecnología de tomar medidas mientras se perfora o MWD, por las siglas en inglés Measurement While Drilling, es la tecnología de tomar medidas relacionadas con la perforación, medidas direccionales y del ambiente de pozo y transmitirlas en tiempo real hasta superficie. Registrar mientras se perfora o LWD, es la tecnología de medir las propiedades de la formación mientras se perfora; por tanto las medidas LWD son realmente una parte especializada de las medidas MWD, las cuales brindan solo medidas de las propiedades de las formaciones. A continuación se presenta en forma general lo que ha sido el desarrollo de la tecnología LWD, la cual está basada en gran parte en el desarrollo de la tecnología MWD. Debido a que las herramientas LWD son instrumentos para evaluación de la formación que registran los datos en su memoria y deben pasar estos datos a la herramienta MWD, para su transmisión a superficie en tiempo real, resulta pertinente destacar que el desarrollo 3

21 histórico de la tecnología LWD comienza exactamente con la aparición de la primera herramienta MWD para evaluación de la formación. Durante los años setenta se inició una exhaustiva investigación sobre métodos que permitieran realizar las operaciones de perforación de una forma más segura y barata; esto se origina por el incremento en la actividad costa fuera, las profundidades de perforación y el rápido incremento de los costos. La necesidad de perforar de una manera más barata y segura abría un nuevo mercado, el de la toma de información de las formaciones perforadas en fondo de pozo y transmisión de esta información hasta superficie en tiempo real desde la broca. Se proyectaban entonces dos categorías básicas de servicios a desarrollar: perforación segura y eficiente y el registro en tiempo real para evaluación de la formación. La primera categoría era de alta prioridad y pretendía dar importancia a los procesos de control de pozos, control y monitoreo direccional y a la optimización de la perforación; la segunda constituía uno de los mecanismos que permitiría hacer viable la primera categoría; de estas dos las empresas y los ingenieros dieron mayor énfasis inicialmente al control y monitoreo direccional. 43 Adicionalmente, se inicio la investigación sobre los diferentes sistemas de telemetría: acústicos, a cable, electromagnéticos y por pulsos de presión en el lodo que fueran útiles para obtener en superficie los datos del ambiente de perforación y de las formaciones perforadas en tiempo real, desde fondo de pozo. 44 Se consideraba, y era así, que la tecnología existente estaba limitada a la evidencia superficial de la efectividad de la perforación. Las medidas de parámetros de perforación y de las propiedades del fluido de perforación eran útiles para predecir propiedades tales como presiones anormales antes que se presentara un problema de control de pozo. 43 El corazonamiento, las pruebas Drill Stem Test o DST, los registros de lodos y los registros a cable se presentaban como los métodos básicos para evaluación de la formación. 4

22 A continuación se presenta en forma de tabla, Tabla 1, cada uno de estos métodos en términos de su objetivo además de algunas de sus ventajas y desventajas. Esto permite tener una visión sobre cual de los métodos era el que podía ser mas útil al proceso de evaluación de la formación en tiempo real, lo cual brinda una idea sobre hacia donde debían tender los futuros desarrollos. TABLA 1. Métodos básicos para evaluación de la formación. Método Objetivo Ventajas Desventajas Corazonamiento Tomar una muestra de las Evaluación detallada La operación puede ser formaciones de interés de las propiedades de lenta y requiere una para evaluación de las formaciones. decisión ciega de cuando propiedades tales como empezar y parar la permeabilidad, porosidad operación. y saturación de fluidos. Un viaje se requiere para instalar la broca corazonadora y el barril corazonador y de nuevo recuperar el corazón. La longitud del corazón que puede ser cortada y recuperada durante una corrida de la broca es Pruebas DST Registros de Lodos Registros a Cable Obtener fluidos de la formación. Análisis del fluido de perforación para detectar hidrocarburos, los cuales entran al lodo por medio de los cortes de perforación y/o las formaciones adyacentes. Identificar y evaluar las formaciones penetradas por la broca. Obtiene fluidos de la formación sin sacar la tubería. Permite obtener una indicación de los fluidos nativos de las formaciones que están siendo perforadas. Permiten obtener medidas de las propiedades de las formaciones. Evaluación cualitativa y cuantitativa de las formaciones. limitada. Pruebas costosas y lentas. Requieren parar la operación de perforación para poder realizarlas. La respuesta en términos de tiempo de este sistema es lenta. Evaluación de las formaciones posterior al proceso de perforación. Medidas afectadas por problemas de degradación de las paredes del pozo y por la invasión por filtrado de lodo. Como consecuencia de las desventajas ya descritas de cada uno de los métodos disponibles para la evaluación de las formaciones y teniendo en cuenta que se pretendía tener una 5

23 operación de perforación mas segura y eficiente, la información en tiempo real se constituía como el método que permitiría hacer viable una rápida evaluación de las formaciones, y por tanto, permitía tener un proceso de perforación mas seguro y eficiente en términos de la operación misma y de los costos asociados. Los tipos de registros y su prioridad estaban establecidos del modo que se muestra en la Tabla 2. Los tipos de registros aquí enunciados están relacionados con la litología, las propiedades de los fluidos en el pozo, las fracturas y la geometría del pozo, cada uno de los cuales comprende un conjunto adicional de medidas. 43 Esta prioridad se basa en las propiedades que se consideraban básicas para la evaluación exacta de la formación. TABLA 2. Tipos de registros o medidas para evaluación de la formación y su prioridad. 43 Tipo Prioridad Propiedades de las formaciones. Litología Porosidad Permeabilidad Densidad de la roca Componentes minerales Radiactividad natural Buzamiento Profundidad de la formación y espesor Correlación Propiedades mecánicas Propiedades magnéticas Estado de esfuerzos Propiedades de los fluidos de perforación. Tipo Saturación Salinidad Densidad Profundidad de invasión Presión de poro Flujo de fluidos Minerales disueltos Fracturas Ubicación Buzamiento Geometría del pozo Indicador de tamaño y forma Alta Alta Alta Moderada Moderada Alta Moderada Alta Alta Moderada Moderada Moderada Alta Alta Alta Moderada Alta Moderada Moderada Baja Alta Moderada Alta 6

24 Esta clasificación de los registros permitía ver la tendencia sobre la cual se debía enmarcar el futuro desarrollo de las tecnologías MWD y LWD. Lo que se puede observar de la Tabla 2, es que los desarrollos debían propender por producir herramientas que permitieran tener medidas de litología, permeabilidad, porosidad, radiactividad de la formación, profundidad y espesor de la formación productora, forma y tamaño del pozo, profundidad de invasión, ubicación de fracturas y el tipo, cantidad y salinidad de los fluidos de perforación y de la formación además de permitir la correlación entre pozos. Toda esta información debía estar disponible para pozos que no podían ser registrados convencionalmente. El conocimiento de las características de la formación es de gran ayuda para los geólogos y los ingenieros de perforación mientras el pozo esta siendo perforado. Sin embargo, se pensaba que no se debía esperar que las medidas para evaluación de las formaciones, mientras se perfora, reemplazaran los registros convencionales, debido principalmente a la complejidad de los sistemas requeridos para obtener un registro detallado de un pozo, como también al alto grado de sofisticación y sensibilidad de los sistemas de registro a cable de esa época. 43 Una ventaja de obtener información preliminar de la formación es el mejoramiento en la planeación de los trabajos de corazonamiento y registro. Estos programas pueden ser muy útiles y tener una mejor relación costo/beneficio en la evaluación de la formación. Durante el año de 1981 se reporta el uso, en el golfo de México y en el Mar del Norte, de sistemas MWD que incluyen medidas de rayos gamma y resistividad de la formación, información que sería utilizada para evaluación de la formación, correlación, determinación de presiones anormales y control de la perforación. 2 Las medidas de rayos gamma se utilizaban para medir la radiactividad de la formación por medio de un detector tipo centelleómetro. La medida de resistividad se realiza con un sistema de electrodo medidor 7

25 normal corto de 16 pulgadas el cual va montado en una porción aislada del collar MWD. Estas herramientas para evaluación de las formaciones se utilizan en la perforación de pozos de desarrollo de alta inclinación en la Costa del Golfo donde es difícil y algunas veces imposible correr servicios a cable en hueco abierto. 77 Al comparar estas medidas de rayos gamma y resistividad de los sistemas MWD con los correspondientes servicios de registro a cable, se observaba un excelente ajuste en las curvas registradas y por tanto en la respuesta de los dos sistemas. 77 Durante el año de 1983 se hizo comercial la primera herramienta de resistividad de propagación de onda electromagnética MWD. 16 Esta herramienta se populariza rápidamente sobre las herramientas de resistividad normal corta MWD, debido a su buena resolución de capa y habilidad para proveer registros de alta calidad bajo un amplio rango de condiciones de pozo. Esto llevo a una ampliación de las aplicaciones de los registros de resistividad por ondas electromagnéticas. 6 Las resistividades de preinvasión MWD obtenidas con las herramientas de resistividad de onda electromagnética se prefieren, en algunos casos, sobre los registros de inducción dual corridos días después de la penetración de la broca. La buena resolución vertical de los sensores de propagación electromagnética permite la medida directa de la resistividad verdadera en capas delgadas y en pozos desviados en los que se crean incertidumbres inherentes en los resultados luego de corregir los registros de inducción a cable con cartas de corrección. Los sensores de propagación electromagnética se corrieron después de perforar pozos problemáticos donde era imposible o poco práctico obtener en forma normal registros a cable. En estos casos, la invasión estaba presente, pero su efecto no se tuvo en cuenta. 6 Para enfrentar el problema relacionado con la profundidad de invasión de la formación, algunas herramientas de propagación de onda electromagnética con una, tres, cuatro y hasta cinco antenas emisoras y dos antenas receptoras se han comercializado. 11,21,6,57,58,7 El número de antenas emisoras determina las profundidades de investigación, es así como una 8

26 antena produce una profundidad de investigación, tres antenas producen tres profundidades de investigación, somera, media y profunda; y cuatro antenas producen cuatro profundidades de investigación extra somera, somera, media y profunda. En resumen, los espaciamientos transmisor-detector han sido definidos de tal manera que la lectura directa de la resistividad verdadera pueda obtenerse al mismo tiempo que un perfil de la invasión. Estas habilidades que presentan las herramientas de resistividad de propagación de onda electromagnética han hecho que sean consideradas como un servicio de igual y aun mejor calidad que los servicios de resistividad a cable y por tanto puedan ser un sustituto confiable de estos servicios. 7 Luego de contar con los servicios de rayos gamma y resistividad MWD se continuo el desarrollo de nuevas herramientas buscando tener un conjunto básico y mínimo de medidas para garantizar la evaluación de la formación. Para ello se buscaron tres herramientas mas: densidad, neutrón y sónica. Las limitaciones en su desarrollo eran: el conjunto collarherramienta debe actuar primero como un collar de perforación antes que como una herramienta para evaluación de la formación, adicionalmente la herramienta debe operar mientras rota y permitir al ensamblaje en fondo de pozo estar configurado para cumplir con los requerimientos de perforación direccional, es decir poder medir estando centrada o no en el pozo sin que se afecte el desarrollo de la operación de perforación. 65,46,28 Estos requerimientos no permitieron la directa adaptación de los diseños de las herramientas de densidad y sónica convencionales a las configuraciones MWD. Los ambientes MWD, no permitían el contacto directo del patín requerido por las herramientas de densidad a cable, mientras que la transmisibilidad acústica del collar de perforación y el ruido inherente en los ambientes de perforación complicaban bastante las medidas acústicas. Sin embargo, un diseño de herramienta de neutrón compensado convencional se adapto muy bien a estos requerimientos y aun se benefició de algunos características de los ambientes MWD tales como las bajas velocidades de registro, el desplazamiento de lodo 9

27 por el collar de perforación debido a su diámetro externo y las condiciones del pozo cuando ha transcurrido poco tiempo desde que fue perforado. 65 La configuración de esta herramienta de neutrón es la siguiente: la herramienta va ubicada dentro de un collar de perforación y utiliza un detector tipo Geiger Mueller para medir los rayos gamma emitidos por un átomo cuando captura neutrones y una fuente radioactiva de neutrones recuperable a cable. Esta herramienta utiliza dos detectores ubicados simétricamente con respecto a la fuente de neutrones, de modo que si la herramienta está centralizada o está en rotación ambos detectores estén recibiendo el mismo flujo de rayos gamma. Esta medida se compensa gracias al uso de los dos detectores, ya que el promedio de los conteos de los dos permite reducir las variaciones estadísticas propias de este tipo de medición. 65 El gran problema que no permite el uso confiable de la herramienta de neutrón se presenta cuando el pozo tiene un diámetro mucho mayor que la herramienta, lo cual hace que la separación del sensor con respecto a la pared del pozo sea apreciable. Este fenómeno se conoce como standoff y produce un efecto adverso sobre la medida que se está realizando, dado que el fluido de perforación atenúa la señal que se emite y la que se recibe. Este efecto debe tenerse en cuenta en el proceso de compensación de las medidas 16, 71 realizadas. Diseños posteriores han enfrentado este problema con el uso de caliper ultrasónicos con los cuales se puede conocer el estado mecánico del pozo y así compensar 20, 47 las medidas por alargamiento del pozo. Durante el año de 1987, se reporta en la literatura la existencia de una herramienta de densidad MWD la cual presentaba problemas de adaptación del diseño a los ambientes MWD. El problema básico era que no se podía construir con un patín o brazo mecánico unido a ella, ya que éste no se podría utilizar durante la operación de perforación. Entonces se decidió construir una herramienta similar a la de neutrón pero como una herramienta de densidad. Esta herramienta también presentó problemas de compensación por standoff, 10

28 pero rápidamente fue eliminado este problema con la solución dada para la herramienta de neutrón: un caliper ultrasónico. Adicional a las soluciones de utilizar caliper ultrasónicos se han desarrollado técnicas para reducir el standoff por métodos estadísticos. Estos métodos han presentado algún éxito, pero requieren procesamiento posterior de los datos de la memoria y algunos no deben ser utilizados en fondo de pozo mientras se registra en tiempo real. Uno de estos métodos fue reportado durante el año de 1995, es el método de peso del standoff dinámico LWD, el cual da peso o mucho valor a las medidas de densidad y neutrón cuando el standoff es muy pequeño y suprime los datos tomados cuando el standoff es muy grande. Debido a que los cambios de standoff son muy rápidos, este proceso debe ser desarrollado en la herramienta LWD en el fondo del pozo, mientras ella está rotando. 47 La mas reciente adquisición en los sistemas de registro LWD es la aparición de una herramienta sónica. La cual consta de dos transmisores y cuatro receptores y emite una señal que viaja a través del fluido de perforación pasa a la formación y regresa a la herramienta, además de un caliper ultrasónico especial que permite compensar las medidas por standoff y por estado mecánico del pozo. Esta herramienta presenta algunos cambios con respecto al diseño de su contraparte de las herramientas a cable, estos cambios se relacionan con los esfuerzos que debe soportar la herramienta, el ruido en las 46, 28 operaciones de perforación y la recuperación de los datos. Para soportar los esfuerzos generados durante los procesos de perforación esta herramienta, al igual que las demás herramientas LWD, está ubicada dentro de un collar de perforación. El ruido en las operaciones de perforación se reduce con un nuevo diseño que se denomina aislador acústico de la herramienta y consiste en colocar los transmisores y receptores de modo que estén rodeados por un material mas fuerte que el que se utiliza en las conexiones, el cual permite reducir el ruido que genera el ambiente de perforación. La recuperación de los datos implicó el desarrollo de algoritmos que permitieran procesar y determinar toda la 11

29 información en fondo de pozo, de modo que parte fuera almacenada en la memoria de 46, 28 fondo de pozo y la otra parte enviada a superficie en tiempo real. Cabe destacar que los desarrollos iniciales de todas las herramientas siempre han estado orientados a collares de perforación con diámetros externos mayores a 7 pulgadas, y resulta lógico, dado que estas herramientas deben funcionar primero como collares de perforación que como herramientas para evaluación de las formaciones. Posteriores desarrollos, permiten la adaptación de las herramientas a diámetros menores para su aplicación en pozos de diámetro menor o slimholes, sin que esto implique una pérdida de calidad de la medida registrada. Con el desarrollo logrado hasta el momento en la tecnología LWD, se ha logrado construir un conjunto básico de medidas que permite una evaluación bastante detallada del yacimiento, además se ha logrado consolidar como un servicio que puede remplazar en muchas situaciones a los servicios de registros a cable, especialmente en aplicaciones de perforación direccional y horizontal. A continuación se presenta información relacionada con el número de empresas que han prestado servicios LWD desde el año de 1993, además de información relativa a las herramientas de esta tecnología. Para los años que no se ha presentado información, es decir 1992, 1995, 1997 y 1999, se debe a que no se cuenta con esta información. Para el año de 1999 no se publicaron las tablas de comparación MWD, bibliografía esencial que permite realizar la comparación que a continuación se presenta. La Tabla 3, contiene un resumen sobre el número de empresas que prestan servicios de LWD por año y el tipo de servicios que ofrecen, clasificados dentro de dos tipos de sartas básicos: una sarta 1 que comprende medidas direccionales, de rayos gamma y resistividad, 12

30 y, una sarta 2 que comprende además de las medidas de la sarta 1 medidas de densidad y/o neutrón. TABLA 3. Número de empresas que prestan servicios de LWD y número de herramientas LWD disponibles por año. Número de empresas que prestan servicios de LWD. Número de herramientas del tipo sarta 1 disponibles. Número de herramientas del tipo sarta 2 disponibles. Número total de herramientas LWD disponibles en el mercado. Año De la Tabla 3, se puede concluir que el número de herramientas al igual que el número de empresas que prestan servicios de LWD se ha ido incrementando. Cabe destacar el aumento en el número de herramientas que tratan de prestar servicios integrados, o el conjunto básico de medidas mínimo para obtener una evaluación detallada de las formaciones perforadas: la sarta de tipo 2 la cual pasa de poseer 7 herramientas en el año de 1996 a 12 herramientas en el año de A continuación se presenta un resumen de la información de las herramientas LWD de rayos gamma, resistividad, densidad, neutrón para los años de 1993, 1994, 1996 y 1998 extraída de las tablas de comparación MWD publicadas durante estos años. En estos artículos se presenta toda la información como herramientas MWD, pero todos las herramientas reportadas allí cuya función es la evaluación de las formaciones son las 34, 74, 22, 1 utilizadas en la tecnología LWD. Cabe destacar que la información que se presenta es para herramientas que componen una sarta MWD que consta de medidas direccionales, dirección e inclinación del pozo y/o dirección de la herramienta en el pozo, medidas de rayos gamma y resistividad u otra sarta con estas mismas medidas y adicional medidas de densidad y neutrón. 13

31 En el glosario que se presenta en el anexo 1 se define la mayoría de los términos desconocidos que son relacionados en estas tablas y en el texto, además de algunos términos relacionados con la tecnología MWD. Se presentan cuatro tablas mas, Tablas 4, 5, 6 y 7, en las que se muestra información relativa a cada uno de las herramientas de densidad, rayos gamma, neutrón y resistividad para las cuales se reporta información en las referencias bibliográficas 1, 22, 74 y 75. La herramienta de registro sónico no se presenta pues ella no se reporta en estas tablas de comparación. En las Tablas 4 y 5, la información relativa a la herramienta de rayos gamma y resistividad LWD, contienen la siguiente información por año: el tipo de detector que utiliza, las medidas registradas y si las medidas se graban en fondo de pozo y además pueden ser enviadas en tiempo real hasta superficie. TABLA 4. Información relativa al sensor de rayos gamma LWD para los años de 1, 22, 74, , 1994, 1996 y Tipo de detector Herramienta de Rayos Gamma Año Centelleómetro, Geiger Mueller Centelleómetro, Centelleómetro de NaI, Geiger Mueller. Centelleómetro, Centelleómetro de NaI Centelleómetro, Centelleómetro de NaI. Rayos Gamma Rayos Gamma Rayos Gamma API, Rayos API, Rayos API, Rayos Gamma API Gamma API Gamma API aparente, Rayos aparente, Rayos aparente, Rayos Gamma API Gamma API Gamma Medidas registradas aparente Dual, aparente Dual, Espectral, Rayos Gamma Cantidades de Cantidades de Espectral, Torio, Uranio y Torio, Uranio y Cantidades de Potasio. Potasio. Torio, Uranio y Potasio Grabadas Sí Sí Sí Sí Medidas Tiempo real Sí Sí Sí Sí Rayos Gamma API, Rayos Gamma API azimutal, Rayos Gamma API aparente, Rayos Gamma Espectral, Cantidades de Torio, Uranio y Potasio 14

32 De la Tabla 4, cabe destacar el incremento en el número de tipos de detectores pasando de tener dos en 1993 a tres en TABLA 5. Información relativa al sensor de resistividad LWD para los años de 1993, 1994, 1996 y , 22, 74, 75 Herramienta de Resistividad Año Normal corta de Normal corta de Normal corta de Normal corta de 16 pulgadas, 16 pulgadas, 16 pulgadas, 16 pulgadas, Propagación de Propagación de Propagación de Propagación de onda onda onda onda Tipo de detector electromagnética electromagnética electromagnética electromagnética de 1 y 2 MHz, de 1 y 2 MHz, de 1 y 2 MHz, de 1 y 2 MHz, Resistividad dual. Propagación dual Propagación dual Propagación dual de 2 MHz, de 2 MHz, de 2 MHz, Resistividad dual. Resistividad dual. Resistividad dual. Resistividad Horizontal, Resistividad Horizontal, Resistividad Horizontal, Resistividad Horizontal, Vertical, de Vertical, de Vertical, de Vertical, de desfase, de desfase, de desfase, de desfase, de atenuación, corta atenuación, corta atenuación, corta atenuación, corta normal de 16 normal de 16 normal de 16 normal de 16 pulgadas, lateral, pulgadas, lateral, pulgadas, lateral, pulgadas, lateral, de desfase en la broca, de desfase de desfase Medidas registradas derivada, de azimutal, de derivada, de derivada, de atenuación espaciamiento atenuación atenuación derivada, de dual, de múltiple derivada, de derivada, de múltiple fase, fase. múltiple fase, múltiple fase, compensada por compensada por compensada por pozo y caliper. pozo y caliper, pozo y caliper, en la broca, en la broca, azimutal, de azimutal, de espaciamiento dual. espaciamiento dual. Medidas Grabadas Sí Sí Sí Sí Tiempo real Sí Sí Sí Sí En la Tabla 5, se destacan los mismos factores para los sensores de rayos gamma, es decir el incremento en el número de tipos de detectores que ha pasado de tener 3 en 1993 a tener cuatro en 1998, lo cual también puede haber propiciado el incremento en el número de medidas disponibles. Adicionalmente el uso de las herramientas de resistividad normal corta, las cuales actualmente solo se utilizan para evaluación cualitativa de las formaciones y correlación. 15

33 En la Tabla 6, la información relativa a la herramienta de densidad LWD, contiene la siguiente información por año: el tipo de detector que se utiliza, las medidas registradas y si las medidas se graban en fondo de pozo y pueden ser enviadas en tiempo real hasta superficie. Debido a que la herramienta de densidad utiliza una fuente radiactiva se incluye una información adicional relacionada con la recuperabilidad de esta fuente por medio del uso de cable. TABLA 6. Información relativa al sensor de Densidad LWD para los años de 1993, 1994, 1996 y , 22, 74, 75 Herramienta de Densidad Año Centelleómetro, Centelleómetro, Centelleómetro, Centelleómetro, Tipo de detector Geiger Mueller Centelleómetro de Centelleómetro de Centello de NaI. NaI, Geiger NaI Mueller. Delta de caliper o Delta de caliper o Delta de caliper o Delta de caliper o DCAL, densidad, DCAL, densidad, DCAL, densidad, DCAL, densidad, densidad densidad densidad densidad compensada por compensada por compensada por compensada por tamaño de pozo, tamaño de pozo, tamaño de pozo, tamaño de pozo, densidad máxima, densidad máxima, densidad máxima, densidad máxima, Medidas registradas indicador de indicador de indicador de densidad azimutal tamaño de pozo y de 16 sectores, factor fotoeléctrico densidad de cuatro Medidas Tiempo real tamaño de pozo, factor fotoeléctrico y corrección por standoff tamaño de pozo, factor fotoeléctrico y corrección por standoff cuadrantes, factor fotoeléctrico y corrección por standoff Grabadas Sí Sí Sí Sí Es la fuente radiactiva recuperable a cable? Sí Sí Sí Sí Sí, solo para una herramienta de las disponibles en el mercado. Sí, solo para una herramienta de las disponibles en el mercado. Sí, solo para una herramienta de las disponibles en el mercado. Sí, para cuatro herramientas de las disponibles en el mercado. Los datos en la Tabla 6 muestran el incremento en el número de herramientas que permiten que la fuente radiactiva pueda ser recuperada por medio del cable, pasando de una en 1993 a cuatro en También es importante el hecho que actualmente no se utilicen sensores del tipo Geiger Mueller en estas herramientas. 16

34 La Tabla 7, aplicada a la herramienta de neutrón LWD, contiene la misma información recopilada para la herramienta de densidad LWD, es decir el tipo de detector utilizado por la herramienta, las medidas registradas, si las medidas se graban y se pueden obtener en tiempo real y si la fuente radiactiva que utiliza la herramienta es recuperable a cable. TABLA 7. Información relativa al sensor de Neutrón LWD para los años de 1993, 1994, 1996 y , 22, 74, 75 Herramienta de Neutrón Año Helio 3, Helio 3, Helio 3, Centelleómetro, Centelleómetro, Centelleómetro, Litio 6, Geiger Litio 6, Geiger Litio 6, Geiger Mueller. Mueller. Mueller. Mueller. Tipo de detector Medidas registradas Medidas Tiempo real Neutrón Porosidad, Neutrón porosidad captura de Rayos Gamma compensado ambiente. por Neutrón Porosidad, Neutrón porosidad captura de Rayos Gamma compensado ambiente. por Grabadas Sí Sí Sí Sí Sí Sí Es la fuente radiactiva recuperable a cable? Sí, solo para una herramienta de las disponibles en el mercado. Sí, solo para una herramienta de las disponibles en el mercado. Neutrón porosidad, Neutrón porosidad captura de Rayos Gamma compensado por pozo, Neutrón porosidad azimutal. Sí, solo para una herramienta de las disponibles en el mercado. Helio 3, Centelleómetro, Litio 6, Geiger Neutrón porosidad, Neutrón porosidad captura de Rayos Gamma compensado por pozo, Neutrón porosidad azimutal, porosidad y caliper. Sí, para cuatro herramientas de las disponibles en el mercado. De la Tabla 7 se destaca el número de sensores que se ha mantenido constante desde 1993 con cuatro tipos de sensores, y el hecho que el número de herramientas para las cuales su fuente radiactiva puede ser recuperada vía cable ha pasado de una en 1993 a cuatro en Cabe destacar de la revisión de la información recopilada en las Tablas 4 a 7, el hecho que todas la medidas de la formación registradas pueden grabarse en fondo de pozo o enviarse a 17

35 superficie en tiempo real. Esto hace de las herramientas LWD un instrumento muy útil para el desarrollo de operaciones de perforación más seguras y eficientes. 18

36 3 HERRAMIENTAS DEL SISTEMA DE REGISTRO MIENTRAS SE PERFORA, LWD Este capítulo presenta las herramientas que conforman el conjunto básico de medidas del sistema de registro mientras se perfora o LWD. Para cada una de las herramientas se describe la configuración básica inicial o la actual, el principio físico de funcionamiento y algunas de las diferencias o innovaciones que presentan con respecto a su contraparte a cable. Las herramientas básicas que conforman la tecnología de registro LWD son: densidad, neutrón, rayos gamma, resistividad y sónica. Las tres últimas herramientas se describen como herramientas individuales mientras la descripción de las herramientas densidad y neutrón se hace de manera simultánea para algunas herramientas y para otras de manera individual, dado que algunas empresas no las utilizan como servicios individuales sino que las combinan dentro de una sola herramienta lo que permite prestar un servicio integrado de densidad y neutrón. 3.1 HERRAMIENTA DE DENSIDAD A continuación se presentan tres diseños diferentes de herramientas de densidad LWD. Dos herramientas las fabricas la compañía Schlumberger y la última la compañía Sperry Sun. La diferencia básica entre las tres herramientas está en el diseño, lo cual implica entonces las posteriores diferencias en las medidas y en los algoritmos de interpretación de la información obtenida por la herramienta y por tanto en los resultados obtenidos. 19

37 Cabe destacar que la compañía Schlumberger no posee herramientas de densidad y neutrón individuales, sino que las poseen como una sola herramienta combinada a diferencia de la compañía Sperry Sun la cual posee herramientas individuales de cada tipo Herramienta de densidad de la empresa SPERRY SUN, SLD. 73 La herramienta de lito-densidad estabilizada o SLD por las siglas en inglés Stabilized Litho Density contiene una fuente de rayos gamma de Cs 137, dos detectores tipo centelleómetro espectral de 254 canales y dos estabilizadores de tamaño máximo, es decir del mismo diámetro de la broca, colocados en un collar de perforación de acero. Una cuchilla estabilizadora especial ó estabilizador, que contiene tres ventanas de baja densidad esta ubicada exactamente sobre la fuente y los detectores. La cuchilla estabilizadora simula el patín detector de la herramienta a cable, para minimizar los efectos de pozo, mientras las ventanas de baja densidad coliman los rayos gamma y enfocan la medida, Figura 1. Fuente de Cesio 137 Ventanas de Baja densidad Estabilizador Protector de tungsteno Detector cercano Detector lejano FIGURA 1. Herramienta de densidad LWD de la empresa Sperry Sun

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