INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD TICOMÁN CIENCIAS DE LA TIERRA SEMINARIO DE ACTUALIZACIÓN CON OPCIÓN A TITULACIÓN DE PERFORACIÓN, TERMINACIÓN Y REPARACIÓN DE POZOS PETROLEROS TECNOLOGÍA DE TERMINACIÓN Y REPARACIÓN DE POZOS EN AGUAS PROFUNDAS T E S I S A FIN DE OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO PETROLERO P R E S E N T A CARLOS ALEJANDRO CABRERA CASANOVA DIRECTORES DE TESIS ING. MANUEL TORRES HERNÁNDEZ ING. ALBERTO ENRIQUE MORFÍN FAURE CIUDAD DE MÉXICO MAYO 2019
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD TICOMÁN
1.1TERMINACIÓN DE POZO ........................................................................................ 2 1.2REPARACIÓN DE POZO ......................................................................................... 2 1.3TUBERÍA FLEXIBLE ................................................................................................ 2 1.4 ÁRBOL SUBMARINO .............................................................................................. 3 1.5 CABEZAL SUBMARINO ......................................................................................... 5 1.6SISTEMA DE CONTROL SUMARINO ...................................................................... 7 1.7CEMENTACIÓN ........................................................................................................ 7
1.8 ARREGLO DE PREVENTORES ................................................................................. 7 1.9 MULTIPLE DE EXTRANGULACIÓN .......................................................................... 9
1.10RISER ................................................................................................................... 10 1.11EMPACADORES .................................................................................................. 11 1.12TIRANTE DE AGUA ............................................................................................. 13
CAPÍTULO 2 ÁRBOLES SUBMARINOS ......................................................................... 15 2.1 TIPO DE ÁRBOLES SUBMARINOS ......................................................................... 16 2.1.1 ÁRBOL VERTICAL ................................................................................................ 16
2.3.1 INSTALACIÓN DEL CABEZAL ......................................................................... 19 2.3.2 INSTALACIÓN DEL COLGADOR DE LA TUBERÍA .......................................... 20 2.3.3 INSTALACIÓN DEL ÁRBOL SUBMARINO....................................................... 21
2.3.4INSTALACIÓN DE LA LÍNEA DE FLUJO ............................................................... 22 2.4 INSTALACIÓN DE LOS UMBILICALES DEL ÁRBOL .......................................... 22 2.5 OPERACIÓN DEL ÁRBOL .................................................................................... 22
CAPÍTULO 3 FABRICANTES, ESTADÍSTICA DE INSTALACIÓN DE ÁRBOLES SUBMARINOS ................................................................................................................ 23
3.1 FABRICANTES DE ÁRBOLES SUBMARINOS .................................................... 24 3.2 ESTADÍSTICA DE INSTALACIONES .................................................................... 25 3.3 PROYECTOS PRESENTES Y FUTUROS ............................................................. 26
CAPÍTULO 4 TERMINACIÓN CON ÁRBOLES SUBMARINOS ....................................... 27 4.1 TECNOLOGÍA DE TERMINACIÓN DE POZOS SUBMARINOS ............................... 28 4.2 TIPO DE TERMINACIONES SUBMARINAS ............................................................. 29 4.2.1 TERMINACIÓN EN AGUJERO DESCUBIERTO .............................................. 30 4.2.2 TERMINACIÓN ENAGUJERO ENTUBADO ..................................................... 32
CAPÍTULO 5 TERMINACIÓN CON TIE – BACK Y SISTEMA DE SUSPENSIÓN MUDLINE ........................................................................................................................ 34 5.1SISTEMA TIE – BACK Y SUS COMPONENTES ....................................................... 35 5.2SISTEMA COOPER CAMERON ................................................................................ 36 5.3SISTEMAS ABB VETCO GRAY ................................................................................ 39 5.4SISTEMA KVAERNER NATIONAL ............................................................................ 39 CAPÍTULO 6 TERMINACIÓN DE FONDO EN POZOS SUBMARINOS .......................... 40 6.1 TERMINACIÓN DE FONDO PARA POZOS SUBMARINOS .................................... 41 6.2 SISTEMA COLGADOR DE TUBERÍA ....................................................................... 41 6.3 INTERFASE CON EL CABEZAL SUBMARINO ....................................................... 41 6.4 AGUJEROS DIVERSOS ........................................................................................... 42 CAPÍTULO 7 RAISER DE TERMINACIÓN Y REPARACIÓN .......................................... 43 7.1 RAISER DE TERMINACIÓN Y REPARACIÓN ......................................................... 44 7.2 COMPONENTES DE UN RAISER DE TERMINACIÓN Y REPARACIÓN ................. 44 7.3 CLASIFICACIÓN DE LOS RAISER DE TERMINACIÓN Y REPARACIÓN .............. 45 7.4 OPERACIÓN DEL SISTEMA DE RAISER DE TERMINACIÓN Y REPARACIÓN .... 45 CAPÍTULO 8 TERMINACIÓN EN AGUAS PROFUNDAS ................................................ 46 8.1 TERMINACIONES EN AGUAS PROFUNDAS .......................................................... 47 8.2 TERMINACIÓN SUBMARINA ................................................................................... 47 8.3.- PLANEACIÓN DE LA TERMINACIÓN ................................................................... 48 8.4. ELEMENTOS DE LA TERMINACIÓN DE UN POZO ............................................... 55 8.5. CONSIDERACIONES OPERACIONALES ............................................................... 56 8.6.- TERMINACION INTELIGENTE. .............................................................................. 57 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 62 BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS ................................................................................. 63 ANEXOS DE FIGURAS Y TABLAS ................................................................................ 66
RESUMEN Parte del diseño y planeación de un pozo petrolero incluye la terminación, este
proceso se puede definir como las operaciones y actividades para acondicionar,
disparar y bajar la tubería de producción para conducir los hidrocarburos del
yacimiento a superficie. Es importante realizar adecuadamente la terminación ya
que de él depende la rentabilidad y productividad del proyecto de perforación.
Una mala terminación puede dar lugar a la reparación del pozo; se sabe que en
los pozos costa fuera las operaciones de reparación son costosas y por tal motivo
en este trabajo se describen los procesos necesarios para dicho manejo.
La historia de terminación de pozos es larga y a lo largo de esta historia se han
obtenido grandes conocimientos y experiencias, así como también se ha
desarrollado tecnología con este propósito. Es importante el diseño de la
terminación, dado que de esto depende las condiciones de producción del pozo.
Cada yacimiento es diferente por ende la terminación se diseña de acuerdo a las
condiciones técnicas y económicas que permitan la rentabilidad del pozo.
En aguas profundas existen diferentes tipos de terminación y reparación que
PEMEX y las compañías han implementado diseñando el equipo y herramienta
a fin de realizar en forma adecuada estas operaciones.
ABSTRACT
Part of the design and planning of an oil well includes the completion, this
process can be defined as the operations and activities to condition, shoot and
lower the production pipeline to drive the hydrocarbons from the reservoir to the
surface. It is very important to carry out the completion properly since the
profitability and productivity of the drilling project depend on it.
A bad termination can result in the repair of the well; it is known that in the
offshore wells the repair operations are expensive and for this reason in this work
the necessary processes for such management are described.
The history of well completion is long, and throughout this history great
knowledge and experience has been obtained, as well as technology has been
developed for this purpose. The design of the termination is important, since the
production conditions of the well will depend on this. Each deposit is different
therefore the termination is designed according to the technical and economic
conditions that allow the profitability of the well.
In deep water there are different types of termination and repair that
PEMEX and the companies have implemented designed equipment and tools to
carry out these operations properly. that will be addressed in the present work.
OBJETIVO
Proporcionar una metodología descriptiva para todos aquellos que estudian el
área de terminación y reparación de pozos en aguas profundas.
JUSTIFICACIÓN
La explotacion y desarrollo de nuevos campos ubicados en aguas profundas hace
necesario el conocimiento de las terminaciones y las operaciones de intervención
a fin de extraer los hidrocarburos en estos campos complejos.
INTRODUCCIÓN
Después de perforar y bajar la tubería de revestimiento de un pozo de acuerdo
con los objetivos y el programa, se entra a la etapa de terminación, la cual en
función de las estructuras productoras se determina el tipo de aparejo de
producción a bajar para posteriormente entrar en producción.
Los tipos de terminación se diseñan según las aplicaciones y el pozo en cada
región petrolera de la Unidad de Perforación y Mantenimiento de Pozos en el
sistema. Cada pozo en su etapa productora requiere de un mantenimiento de
acuerdo a las razones que amerite su intervención.
Algunas operaciones de terminación y mantenimiento a los pozos enfrentan el
hecho de que en cualquier momento puede presentarse un brote. De ahí que
resulte importante insistir que las cuadrillas de trabajo estén entrenadas y
reafirmen los conceptos de presión en sus diferentes modalidades, se identifiquen
con el pozo, los accesorios introducidos y las posibles dificultades que enfrentarán
antes y durante las actividades de operación.
La economía y el análisis del pozo determinan las operaciones de
reacondicionamiento. Siempre se debe tener presente que un pozo aunque deje
de producir no debe considerarse como “muerto”. Los expedientes petroleros
señalan casos de pozos supuestamente agotados que surgieron y brotaron
durante su terminación o reparación.
Básicamente una terminación consiste en establecer en forma controlada y
segura la comunicación entre el yacimiento y superficie, cuidando de proteger la
tubería de revestimiento que representa la vida del pozo, aprovechando así
óptimamente la energía de la estructura productora.
Un buen trabajo de terminación debe respetar todas las reglamentaciones de
control terrestre y marina, que el programa sea seguro, presente la menor
cantidad de restricciones posible a los fluidos producidos, económico, libre de
problemas y requiera el mínimo trabajo de mantenimiento durante la vida útil de
un intervalo productor.
Este trabajo pretende cubrir las principales consideraciones para los diferentes
tipos de terminación, con un enfoque especial inteligente y de aplicación en aguas
profundas.
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CAPÍTULO 1 CONCEPTOS BÁSICOS
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1.1TERMINACIÓN DE POZO
La terminación de un pozo es un proceso operativo que se inicia después de la cementación
del revestimiento de explotación y se hace con el fin de dejar el pozo en producción. El
objetivo primordial de la terminación de un pozo es obtener la producción óptima de
hidrocarburos al menor costo posible.
1.2REPARACIÓN DE POZO Es el proceso de mantenimiento o tratamientos correctivo de un pozo de petróleo o gas. En
muchos casos, la reparación implica la remoción y el reemplazo de la sarta de la tubería de
producción, después de que se ha matado el pozo y se ha colocado un equipo de reparación
de pozo en su ubicación. Las operaciones de remediación a través de tuberías, con tubería
flexible, entubación bajo presión o línea de acero.
La reparación de un pozo de producción existente es con el fin de restaurar o mejorar la
producción de hidrocarburos.
1.3TUBERÍA FLEXIBLE Es una cadena continua de tubos, enrollada en un carrete. Está hecho de un material en
forma tubular y con soldadura por resistencia a lo largo de su longitud, de un material
esencialmente de acero al carbono.
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Figura 1. Tubería flexible para petróleo.
1.4 ÁRBOL SUBMARINO Es un conjunto de válvulas, tuberías, conexiones y componentes de seguridad cuyo objetivo
es vigilar y controlar la producción, es el enlace entre el cabezal y las líneas de flujo, también
controla la inyección de inhibidores y a través de él se realizan las operaciones de
intervención de pozos. Existen dos tipos principales de árboles submarinos que difieren en la
ubicación del cabezal de la tubería de producción y las válvulas.
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Figura 2. Árbol sin líneas guía, de FMC.
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1.5 CABEZAL SUBMARINO
El cabezal submarino (wellhead por su nombre en inglés) es el ensamble de tuberías y
equipo requerido que se instala en la parte superior del pozo para tener seguridad y eficiencia
en la producción de un pozo de gas o de petróleo proporcionando una interface entre pozo y
árbol submarino, tiene como propósito apoyar al BOP mientras se está perforando, apoyar y
sellar al árbol submarino, y en algunos casos soportar y sellar el colgador de tubería.
Existen dos diferentes tipos de cabezal de pozo que es el submarino (subsea) y el mudline, la
diferencia entre estos dos tipos depende solamente del tirante de agua y tipo de plataforma o
equipo utilizado para la perforación del pozo.
Los cabezales submarinos se presentan en diferentes arreglos dependiendo de las
características de cada pozo, teniendo los siguientes diámetros:
1. 13 5/8”.
2. 16¾”.
3. 18 ¾” (Más común).
4. 21¼”.
Se usan como interfaz entre el pozo y el árbol submarino (Figura1), permite soportar la tubería
de producción y de revestimiento, pueden trabajar con presiones de hasta 15,000 [psi].
Sus principales componentes son:
1. Alojador de las TRs
2. Alojador de alta presión
3. Ensamble de sello
4. Conexión al árbol
5. Alojador de baja presión
6. Base guía
7. Tubería de revestimiento
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Figura 3. Cabezal submarino
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1.6SISTEMA DE CONTROL SUMARINO
Los pozos usan sistemas de control llamado válvulas preventoras o BOP’S el cual tiene las
siguientes funciones:
1. Sellar el pozo cuando ocurre un “Influjo”.
2. Mantener suficiente contrapresión en el pozo para evitar que se siga introduciendo
fluido deformación mientras se realizan las medidas para devolver al pozo a una
condición balanceada.
3. Recuperar el control primario del pozo.
1.7CEMENTACIÓN Proceso que consiste en mezclar cemento seco y ciertos aditivos con agua, para formar una
lechada que se bombea al pozo a través de la sarta de revestimiento y colocarlo en el
espacio anular entre el pozo y el diámetro externo del revestidor.
1.8 ARREGLO DE PREVENTORES El arreglo de preventores se encuentra sobre el cabezal del pozo bajo la mesa rotaria. Es un
ensamblaje que incluye lo siguiente:
1. Preventor anular.
2. Preventor de arietes de tubería.
3. Carrete de perforación.
4. Preventor ciego o de corte.
5. Cabezal del pozo.
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Figura 4. Arreglo estándar de conexiones superficiales de control
El arreglo de preventores tiene varias configuraciones que dependen de los problemas potenciales
que puedan ocurrir durante la perforación.
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1.9 MULTIPLE DE EXTRANGULACIÓN
El múltiple de perforación es un conjunto de válvulas y tuberías de alta presión con varias
salidas que se controlan de forma manual o automática. Se conecta al arreglo de preventores
a través de la línea de estrangulación.
Cuando se activa el estrangulador ayuda a mantener suficiente contrapresión en el pozo para
prevenir que se produzca otro influjo.
El fluido de perforación se desvía desde los preventores hasta el múltiple de estrangulación
que lo restringe y dirige a las presas o al separador gas-lodo.
Figura 5. Múltiple de estrangulador y cierre.
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1.10RISER Son tuberías verticales que conecta una estructura de producción flotante o una plataforma
de perforación con un sistema submarino, ya sea para fines de producción tales como
perforación, producción, inyección y extracción, o parafinas de perforación, terminación y
rehabilitación de pozos.
Pueden ser tanto rígidos como flexibles y se diseñan a fin de resistir el esfuerzo, la tensión y
la corrosión; y en algunos casos se pueden aislar de las temperaturas oceánicas. Existen
diferentes tipos de risers que se ajustan al tipo de estructura huésped y a las necesidades de
desarrollo del campo (Figura 6).
Los risers se consideran los productos más críticos en el desarrollo de ductos offshore, al
tener en cuenta las cargas dinámicas y condiciones de servicio a las que se someten
Figura 6. Tipos de Risers
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Riser flexible: se usan en aguas profundas y existen diversas configuraciones, suele utilizar
boyas para disminuir las cargas o puede presentarse en una configuración de catenaria.
Riser rígido tensionado: Se trata de una tubería de revestimiento y una tubería de producción
interna, es común que se usan árboles superficiales y submarinos. Como estos se
encuentran fijos al lecho marino, se produce un desplazamiento vertical entre la parte
superior del riser y el punto en el que se conecta con la instalación; para resolver este
problema pueden usarse compensadores de movimiento o tensores como objeto de
mantener constante la tensión en la tubería.
Riser híbrido: Son tuberías verticales de acero soportadas en la parte superior por flotadores
externos, este extremo de la tubería se encuentra conectado a la instalación huésped
mediante tubería flexible.
1.11EMPACADORES Un dispositivo que se baja al pozo de diámetro externo inicial menor, luego se expande
externamente para sellar el pozo. Los empacadores emplean elementos elastoméricos
flexibles que se expanden. Las dos formas más comunes son el empacador de producción o
de prueba y el empacador inflable. La expansión del primero se logra mediante la compresión
de los elementos elastoméricos (cuya forma es similar a un anillo toroidal) entre dos placas,
lo que hace que los lados sobresalgan hacia afuera. La expansión del segundo se genera
mediante bombeo de fluido al interior de una cámara, similar a un globo, pero de una
construcción más robusta. Los empacadores de producción o de prueba se colocan en pozos
entubados y los empacadores inflables se emplean en agujero descubierto o entubado. Se
operan con cable, tubería común o tubería flexible. Algunos empacadores se diseñan para
ser removidos, en tanto que otros son permanentes. El empacador permanente se construye
con material fácil de triturar o fresar.
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Figura 7. Ejemplos de empacadores
1.12PLATAFORMA
Una plataforma es una estructura autocontenida, rígida e inamovible desde la cual los pozos
de desarrollo se perforan y se llevan a la producción. Las “tenders” son barcazas en forma de
plataforma que realizan operaciones de perforación sobre una plataforma o cabeza de pozo
existente.
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Figura 8. Plataforma petrolera
1.12TIRANTE DE AGUA Es la distancia vertical desde el punto más bajo de fondo marino a la superficie libre.Dentro
de la industria petrolera existen varias clasificaciones, según el American Petroleum Institute
si el tirante de agua es mayor a 610 [m] se considera un tirante de aguas profundas; la
Drilling Enginering Asociation establece que son aquellas cuyo tirante de agua es superior a
los 457 [m].
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En México, PEMEX tiene una clasificación en la que considera como aguas profundas
aquellas regiones localizadas bajo un tirante de agua superior a los 500 [m] y como aguas
ultra profundas si éste excede los 1,500 [m](Tabla 1).
Tabla 1. Clasificación de aguas profundas en función del tirante de agua