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1. INTRODUCCIÓN Llamados también obturadores o empacadores, son herramientas diseñadas a fin de ayudar en la eficiente producción del petróleo y gas de un pozo con uno o más niveles productores, aislando los niveles de interés. Los packers generalmente se los considera como la herramienta más importante del pozo en la tubería de producción ya que entre sus varias funciones, la función principales la proveer la forma de sellar el espacio tubular del espacio anular. Este sello debe proveer una barrera duradera compatible con los fluidos y gases de yacimiento al igual que los fluidos y gases de casing. Los packers de producción se emplean en los arreglos sub- superficiales para brindar el mecanismo más apropiado para direccionar los fluidos de producción por la trayectoria más apropiada determinando una producción eficiente. Los tipos depackers de completación varían grandemente y están diseñadas para cubrir condiciones específicas del pozo o del reservorio (sencillas o en configuración agrupada, con sartas sencillas, duales o triples). 2. DESARROLLO DEL TEMA 2.1. ¿QUÉ SON LOS PACKERS? Son herramientas de fondo que se usan para proporcionar un sello entre la tubería de producción y la tubería de revestimiento a fin de evitar el movimiento vertical de fluidos desde el packer por el espacio anular hacia arriba. 1

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1. INTRODUCCIÓN

Llamados también obturadores o empacadores, son herramientas diseñadas a fin de

ayudar en la eficiente producción del petróleo y gas de un pozo con uno o más niveles

productores, aislando los niveles de interés.

Los packers generalmente se los considera como la herramienta más importante del pozo

en la tubería de producción ya que entre sus varias funciones, la función principales la

proveer la forma de sellar el espacio tubular del espacio anular. Este sello debe proveer

una barrera duradera compatible con los fluidos y gases de yacimiento al igual que los

fluidos y gases de casing.

Los packers de producción se emplean en los arreglos sub-superficiales para brindar el

mecanismo más apropiado para direccionar los fluidos de producción por la trayectoria

más apropiada determinando una producción eficiente.

Los tipos depackers de completación varían grandemente y están diseñadas para cubrir

condiciones específicas del pozo o del reservorio (sencillas o en configuración agrupada,

con sartas sencillas, duales o triples).

2. DESARROLLO DEL TEMA

2.1. ¿QUÉ SON LOS PACKERS?

Son herramientas de fondo que se usan para proporcionar un sello entre la tubería de

producción y la tubería de revestimiento a fin de evitar el movimiento vertical de fluidos

desde el packer por el espacio anular hacia arriba.

En la actualidad existe una gran diversidad de

packers en el mercado, pero todas ellas

poseen básicamente la misma

estructura

2.2. FUNCIONES DE LOS PACKERS

Entre sus funciones correspondientes

están:

Funciones de los packers

a) Confinar las presiones en el fondo del pozo, evitando que la presión de

1

formación entre al anular tubería-revestidor.

b) Proteger la tubería de revestimiento del estallido bajo condiciones de alta

producción o presiones de inyección.

c) Mantener los fluidos de la formación alejados de la sección del revestidor

que está por encima de la empacadura.

d) Mantener los fluidos pesados para el control del pozo en el espacio anular.

e) Evitar la invasión de arena sobre aparejos de cedazos

f) Aislar perforaciones y zonas de producción en completaciones múltiples.

g) Permitir el uso de ciertos métodos de levantamiento artificial

h) Proteger las TR´s y cabezales de

Altas Presiones

Fluidos corrosivos que producen los hidrocarburos

2.3. ELEMENTOS PRINCIPALES DEL PACKER

2.3.1. Elementos de sello.- Su función es generar un sello entre el empacador y la

tubería de revestimiento. Estos pueden ser fabricados de diferentes materiales los cuales

pueden ser operados bajo diferentes condiciones de presión y temperatura.Cuando se

asienta un packer, el elemento sellante se comprime para formar un sello contra la tubería

de revestimiento. Durante la compresión, el elemento de goma se expande entre el

cuerpo del packer y la pared de la tubería de revestimiento.

2.3.2. Cuñas.- Son piezas metálicas de acero recubiertas con material de alta dureza

(tungsteno) ya que son las que anclan la empacadura al revestidor impidiendo el

movimiento de la misma.

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2.3.3. Conos.- Sirve como un expansor para forzar las cuñas hacia la tubería de

revestimiento, también sirven como soporte a los elementos de sello.

2.3.4. Cuerpo del empacador.- Es una superficie pulida que está en la parte interior del

empacador, la cual forma un sello con las unidades de sellos multi-v impidiendo el flujo

entre el empacador y el aparejo de producción. Además esta parte del empacador

mantiene unidos todos los componentes de la herramienta.

2.4-.CLASIFICACION DE PACKERS

De acuerdo al sistema de anclaje las empacaduras se pueden clasificar de la siguiente

manera:

2.4.1.- PACKERS RECUPERABLES

Se les conoce a los empacadores que se introducen al pozo, se anclan dependiendo su

mecanismo y se recuperan con la tubería de producción.

Los obturadores recuperables son preferidos en aplicaciones donde:

La vida de la terminación es relativamente corta

Las condiciones dentro del pozo no son hostiles como temperatura,

presión, presencia de H2S

Profundidad de asentamiento somera a mediana

Presiones diferenciales de bajas a moderadas

Trayectoria del pozo recta o con desviación moderada

Producción desde multiples zonas

Los packers recuperables se clasifican en:

3

2.4.1.1- Packers Recuperables Mecánicos

Los packers mecánicos representan las empacaduras más comunes utilizadas en la

industria petrolera. Estas empacaduras son bajadas con la tubería de producción y su

asentamiento se logra girando la tubería en el sentido de las agujas del reloj. El número

de vueltas está determinado por profundidad y el diseño de cada fabricante.

Generalmente se utilizan para las siguientes aplicaciones y condiciones:

Para profundidades bajas o medianas

Para presiones moderadas o medianas

Pozos verticales o con desviaciones moderadas

De acuerdo a la característica de la operación superficial para anclarlas se clasifican

en:

2.4.1.1.1.-Packers Mecánicas de Compresión simple :

Son sencillas debido a que poseen solo un sistema de anclaje al

revestidor, no tienen válvula interna de circulación, el elemento

sellante puede trabajar hasta 250°F y utilizan un juego de cuñas,

que cuando se activan, evitan que la empacadura se mueva hacia

abajo. Si se continúa aplicando compresión al empaque, se

comprimen las gomas y se realiza el sello y permanecerá asentada

mientras que peso suficiente sea mantenido sobre el empaque.

Se anclan cuando se llega a la profundidad de asentamiento

rotando la tubería en dirección de las agujas del reloj para que salga

la “J” del perfil interno del mandril, de esta manera salen las cuñas y

se coloca peso sobre el obturador para anclarlo al revestidor.

2.4.1.1.2.- Packers Mecánicas de Compresión Dobles :

Similar a las sencillas, son equipos recuperables,

son dobles debido a que tienen doble sistema de

anclaje, el agarre mecánico igual a la sencilla y

adicional un sistema de candados hidráulicos los

cuales son accionados mediante presión hidráulica y

los mismos son localizados por debajo de la válvula

de circulación.

Este tipo de empacadura se debe asentar en

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compresión la cual se debe mantener. Las cuñas

hidráulicas evitan que la empacadura se mueva

hacia arriba utilizando la presión aplicada en la

tubería.

Este sistema permite que la empacadura pueda

operar segura en pozos demayores presiones que

otras empacaduras que tienen ambos juegos de

cuñas por debajo de las gomas.

2.4.1.1.3.- Packers Mecánicas de Tensión Sencillas :

Son equipos recuperables y muy similares a las

empacaduras de compresión sencillas, la diferencia

es que presenta las cuñas y cono invertidos, por

esta razón el sistema de anclaje es tensionando la

tubería.

Su mayor aplicación se encuentra en los pozos

inyectores de agua y en pozos productores someros

y con tubería de completación de diámetros

pequeños donde el peso de esta es insuficiente para

asentar los obturadores de compresión o peso.

2.4.1.1.4.- Packers Mecánicos de Tensión. Compresión y rotación:

Al igual que todos los anteriores son equipos recuperables, presenta la versatilidad que se

pueden asentar aplicándole esfuerzos de compresión, tensión y rotación.

Usado para producción, inyección, fracturas, zonas

aisladas y aplicaciones de cementación remedial.

Posee capacidad de resistir altas presiones

diferenciales en caso de estimulaciones después de

haber completado el pozo.

2.4.1.1.5. Ventajas y Desventajas de los Packers Recuperables Mecánicos

Las ventajas de los packers mecánica recuperable están los siguientes:

Ventajas

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Costo Por lo general menor que los otros tipos de empacadores

Asentamiento

repetible

El empacador puede asentarse, liberarse y posicionarse en otro

punto sin tener que sacarlo para reparación

Versatilidad Un mismo empacador se puede usar en revestimientos del mismo

tamaño (OD) y diferente peso (diferente ID ó drift)

Se fabrican en opciones de asentamiento con peso, tensión,

bidireccional o de rotación

Longitud Pueden utilizarse por lo general en secciones del pozo con altas

desviaciones o curvaturas extremas

Las desventajas de empacadura mecánica recuperable están los siguientes:

Desventajas

Capacidad

limitada

Altas cargas operacionales impuestas sobre la sarta pueden desanclar

y liberar el obturador

Asentamient

o

Los mecanismos de asentamiento (y de liberación) pueden no

permitir su corrida en series de dos o más empacadores

Requieren por lo general de rotación y movimiento de la sarta de

tubería de producción para su asentamiento y liberación

No tienen provisión de “almacenaje de energía” para ayudar en el

sello y anclaje del obturador .

2.4.1.2.-Packers recuperables hidráulicos

Son equipos compuestos de iguales materiales que las empacaduras mecánicas, la

diferencia estriba en el mecanismo de anclaje de éstas que es mediante presión

hidráulica. El procedimiento de asentamiento es el siguiente:

Se baja con la tubería hasta la profundidad establecida.

Se coloca presión a través de la tubería la cual energiza unos pistones en la

parte interna del obturador.

6

Finalmente, el movimiento de estos pistones efectúan el anclaje de las cuñas

así como la expansión de los elementos sellantes contra el revestidor.

Los empacadores hidráulicos son preferidos en:

Terminaciones simples de mediana a alta presión

Terminaciones múltiples (dos o más sartas)

Terminaciones simples selectivos

Yacimientos donde se anticipan fuertes actividades de reparación y

estimulación

Aplicaciones donde no es posible la rotación de la tubería para el

asentamiento o liberación

Se dividen en:

2.4.1.2.1.Packers Hidráulicos De Asentamiento diferencial

Este tipo de empacaduras se asienta por medio de las fuerzas que las presiones dentro

de la tubería, aplican sobre un pistón contra la presión del casing. una cantidad específica

de presión diferencial (en favor de la tubería) se tiene que aplicar para completar el

asentamiento. La empacadura Hydro-6 (Fig 5-9) es un ejemplo de empacaduras.

Con el incremento en la demanda de equipos de superficie y

componentes operados electrónicamente o por hidráulica, se ha

desarrollado un nuevo tipo de empacaduras de asentamiento

hidráulico para satisfacer la demanda de pasar múltiples

conductores atreves de la empacadura sin comprometer la

integridad de la misma. el modelo ‘MPP’de asentamiento

hidráulico es un ejemplo de estas empacaduras.

2.4.1.2.2. Packers Hidráulicos de asentamiento Hidrostático

Esta empacaduras utilizan un pistón de asentamiento similar al de una empacadura

de asentamiento diferencial, pero toda o parte del are del pistón actúa sobre una cámara

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que contiene presión atmosférica y no la de anular. Esto permite que la presión

hidrostática del Tubing asista el asentamiento de la empacadura. Se necesita menos

presión para generar la fuerza necesaria que en la requerida en una empacadura

hidráulica esto permite que las empacaduras hidrostáticas tengan un mandril más grande

que las otras.

Las empacaduras de asentamiento hidrostático son más costosas de fabricar que las

de diferencial y generalmente se utilizan cuando se requiere una tubería más grande. Por

ejemplo envés de en un casing de 7" con tubería 2 7/8, se puede utilizar tubería de 3 ½”

para reducir el are de pistón como resultante de un mandril del empaque mayor

La empacadura Hydro-8 de un solo conducto (Fig 5-11) y la Hydro- 10 dual son

ejemplos de empacaduras de asentamiento hidrostático. La Hydro-8 también está

disponible en la versión selectiva. La posición selectiva permite que se bajen varias

empacaduras en una misma tubería y cada una se pueda asentar independiente de la

otra.

El mecanismo de asentamiento en cada empaque se activa por métodos de slickline.

2.4.1.2.3.-Aplicaciones

Las empacaduras hidráulicas recuperables, son recomendadas para las siguientes

aplicaciones en condiciones generales:

Pozos pocos profundos a medianas profundidades

Presiones bajas hasta moderadas

Completaciones con múltiples empacaduras

Completaciones con dos tuberías

Completaciones selectivas con múltiples empacaduras Aplicaciones

Las empacaduras hidráulicas recuperables, son recomendadas para las siguientes

aplicaciones en condiciones generales:

Pozos pocos profundos a medianas profundidades

Presiones bajas hasta moderadas

Completaciones con múltiples empacaduras

Completaciones con dos tuberías

Completaciones selectivas con múltiples empacaduras

2.4.1.2.4.Ventajas y Desventajas de los Packers Recuperables Hidraulicos

Las ventajas de su uso son las siguientes:

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Ventajas

En el asentamiento:

Almacenan energía en el mecanismo

de activación de las cuñas

No dependen del peso disponible en la

sarta para el asentamiento o el sello

subsiguiente

La operación de espaciado es más fácil

de realizar sin movimiento de la sarta

El posicionamiento del empacador y el

espaciado de la sarta son más precisos

Entre las desventajas de empacadurahidraulica están los siguientes:

Desventajas

En el asentamiento:

Si el empacador se asienta en forma

prematura o incorrecta, se debe sacar la

sarta y reacondicionar su sistema de

asentamiento con costos de operación

adicionales y tiene una flexibilidad

limitad

2.4.3. PACKERS PERMANENTES

Los empacadores permanentes como su nombre lo indica, quedan fijos a la tubería de

revestimiento mediante cuñas de acción opuesta, su recuperación requiere la molienda de

los mismos. Este tipo de empacadores fue muy común en las décadas anteriores, sin

embargo debido a la necesidad de molerlo para su recuperación, ha disminuido su

utilización

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Perfil de afianzado

Las empacaduras permanentes no están para ser conectadasdirectamente a la tubería

como las recuperables, pero en cambio unárea interna pulida dentro de la cual se alojan

unidades de sello, quese corren como parte de la tubería. esta parte pulida puede

estarincorporada a través de toda la empacadura, o solo en la partesuperior del empaque

para poder acomodar sellos de mayordiámetro. lasempacaduras permanentes con

áreaspulidas se corren y asientan por cualquiera de los dos métodossiguientes:

Aplicación de presión hidráulica a un mecanismo paraasentamiento mecánico

Aplicación de presión hidráulica a una herramienta deasentamiento

conectada a ella, la cual es recuperable y reusable. (settingtool)

WIRELINE setting que utiliza una carga explosiva paragenerar la fuerza de

asentamiento.

2.4.3.1. Aplicaciones

Las empacaduras hidráulicas recuperables, son recomendadas paralas siguientes

aplicaciones en condiciones generales:

Pozos pocos profundos a medianas profundidades

Presiones bajas hasta moderadas

Completaciones con múltiples empacaduras

Completaciones con dos tuberías

Completaciones selectivas con múltiples empacaduras

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Elementos empacadores

Extensión de pasajepulido, PBR

Acople Adaptador de fondo

FIGURA2.9. Estructura del

packer permanente

2.4.3.2. Ventajas De los Packers Permanentes

Ventajas

Después que la empacadura se ha asentado, la energía se almacenaen el

mecanismo del candado que asegura una fuerza continua sobrelas cuñas y las

gomas manteniendo la empacadura asentada. Porconsiguiente, el asentamiento

no depende de las fuerzas que aplicala tubería.

Ya que la fuerza de asentamiento se bloqueamecánicamente, la empacadura

puede soportardiferenciales de presión en ambas direcciones (por debajo opor

encima de la empacadura).

Este Tipo de empacadura se puede asentar después que elcabezal este

instalado.

Completaciones con dos tuberías y múltiples empacaduras, generalmente se

utilizan empacaduras de asentamientohidráulico, lo cual permite que no se

dependa de losmovimientos de la tubería para el asentamiento.

2.5.- EVALUACIÓN DE UN EMPACADOR

El ingeniero de terminación debe tener un entendimiento completo de las características y

del desempeño de un empacador bajo varias condiciones de carga, con la finalidad de

operar el mismo dentro de los limites de diseño.

Los empacadores de producción son diseñados para ciertas condiciones de trabajo, las

cuales deben ser bien conocidas para evitar falla de los mismos. La matriz de carga de un

empacador provee las bases para evaluar los efectos simultáneos de:

1. Presión diferencial

2. Cargas axiales

1.- La presión diferencial es generada por las presiones que existen arriba y abajo del

empacador, esta es soportada por el sello generado entre el elemento sellante y la tubería

de revestimiento, así como por los sellos multi-v con el cuerpo del empacador.

Las diferenciales de presión se presentan durante la realización de operaciones en la

etapa de terminación o mantenimiento, así como durante la vida productiva del pozo.

2.- Las cargas axiales son debido a esfuerzos generados por el movimiento del aparejo de

producción y son transmitidos al empacador, estos pueden causar tensión ó compresión

dependiendo de las condiciones en cada operación. Es importante mencionar que cuando

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se introducen juntas de expansión, estas pueden absorber parcial ó totalmente los

movimientos del aparejo. También esto sucede cuando se corren libres los sellos multi-v.

Debido a lo anterior, la matriz de carga presentada en la Figura 4, muestra las bases para

evaluar los efectos simultáneos de presión diferencial y carga axial. El cuadrante uno y

tres representan el caso donde existe mayor presión arriba del empacador y

simultáneamente está sometido a tensión y compresión respectivamente. Por otra parte,

los cuadrantes dos y cuatro muestran el caso donde existe mayor presión por debajo del

empacador y simultáneamente está sometido a tensión y compresión respectivamente.

Esto se muestra en la Figura 5

Figura 2.10. Matriz de carga de un empacador.

Existen varios modos de falla que pueden afectar el desempeño de un empacador de

producción, pero los más comunes son los siguientes (ver Figura 6):

1) Sistema de anclaje

2) Falla conexión cuerpo ~ guía

3) Cuello del empacador

4) Elemento de sello

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5) Colapso conexión ~ guía

6) Tope del hombro

7) Candado del cuerpo

Las diferentes fallas presentadas en la Figura 6 tienen una posición en la matriz de los

cuadrantes que se presentaron con anterioridad.

Figura 2.12. Elementos críticos de falla de un

empacador.

La Figura 7 muestra la envolvente de desempeño de un empacador de producción, así

como el modo de falla resultante de las cargas combinadas de presión diferencial y

efectos axiales.

A continuación se comentarán cada uno de los modos de falla que están representados

en la envolvente:

1. Sistema de anclaje.- La falla del sistema de anclaje sucede cuando el aparejo de

producción está anclado al empacador y el esfuerzo de tensión excede la resistencia del

material ó de la rosca. Es representado en la región 1 de la envolvente de la Figura 7.

2. Falla conexión cuerpo – guía.- Esta ocurre cuando la carga por tensión rebasa la

resistencia del cuerpo del empacador ó la de la rosca, la conexión es afectada tanto por la

presión como por la tensión generada en el empacador por la contracción del aparejo. Se

muestra con el numero 2 sobre la envolvente de la Figura 7.

3. Cuerpo del empacador.- Esta falla es generada por el colapso del cuerpo del

empacador, puede resultar por un esfuerzo excesivo en el cuerpo producido por presión

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diferencial, fuerza empacador – aparejo, ó esfuerzos combinados. El límite de este

componente se ilustra en la zona 3 de la Figura 7.

4. Elemento de sello.- La falla del elemento puede ocurrir por exceso de presión sobre el

hule, ó por degradación del elemento debido a temperatura ó efectos químicos. Este

efecto está en la región 4 de la Figura 7.

5. Colapso conexión cuerpo – guía.- Puede ocurrir cuando se utiliza un tapón en el niple

de asiento, o cuando se corren extensiones pulidas conectadas al empacador. Este efecto

es similar al del colapso del cuerpo del empacador. Esta limitación es ilustrada con la

zona 5 de la envolvente de la Figura 7.

6. Tope del hombro.- Este efecto puede ocurrir tanto con el aparejo anclado como con los

sellos multi-v libres. La falla de hombro sucede en el momento que la fuerza compresiva

generada por el aparejo de producción excede la resistencia del material en el punto de

contacto entre eltope localizador ó ancla y el empacador. Se muestra en la región 6 de la

Figura 7.

7. Candado del cuerpo.- Este elemento se fatiga cuando el esfuerzo aplicado sobre el

mismo es mayor al de la resistencia del material. El límite de resistencia del sistema de

candado es ilustrado con la región 7 de la Figura 7. La envolvente de desempeño

representa los limites de resistencia de un empacador cuando es sometido a cargas

combinadas, en otras palabras cuando los valores de presión y esfuerzo axial se

encuentran dentro del área, el empacador esta dentro de sus rangos de operación, de lo

contrario cuando estos valores están fuera de la envolvente, se puede presentar la falla

de alguno de los componentes.

La evaluación de un empacador considerando solo la presión diferencial no describe los

limites de fatiga de éste, para una correcta evaluación y comparación del rendimiento de

diferentes empacadores se requiere un entendimiento de los efectos simultáneos de

presión diferencial y cargas axiales.

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Por lo tanto, con el conocimiento de la interacción de condiciones de cargas combinadas

se puede operar dentro de una zona segura, lo cual evitará la ocurrencia de falla durante

la ejecución de operaciones críticas ó la compra innecesaria de productos de alta

resistencia

El ingeniero de terminación tiene que estar familiarizado con los cuatro cuadrantes de

condiciones de carga y con los modos ó tipos de falla, pues esto provee un entendimiento

de las implicaciones de falla del empacador de producción durante la ejecución de

operaciones y durante la vida productiva del pozo.

Un factor independiente a las características de diseño y configuración del empacador

que afecta la envolvente de desempeño, es la relación entre el tamaño del empacador y el

diámetro interior del revestimiento.

La Figura 8 muestra que la selección inapropiada de un empacador para diferentes

librajes altera las condiciones de resistencia a la diferencial de presión.

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Este fenómeno debe ser considerado cuando se introducen empacadores que están en el

límite inferior del rango de libraje recomendado, lo cual es común cuando se tiene tubería

de revestimiento de mayor libraje arriba del revestimiento donde se anclara la herramienta

ó cuando se tiene una existencia limitada de empacadores.

Este efecto es crítico en pozos donde se opera a altas presiones diferenciales.

2.6. METODOLOGÍA DE SELECCIÓN PARA EMPACADORES DE PRODUCCIÓN.

La decisión acerca de qué tipo de empacador se va a correr puede ser muy compleja y la

lista de las características de los empacadores disponibles hoy en día es casi

interminable. Es común iniciar el proceso de selección examinando las características del

empacador, lo cual no es el método adecuado y se recomienda emplear la siguiente

metodología para el proceso de selección del empacador de producción.

1. Condiciones de operación.

a) Diferencial de presión

b) Cargas axiales

c) Temperatura

d) Fluidos producidos

2. Condiciones del pozo.

a) Diámetro interior de la T.R

b) Fluido de terminación

c) Desviación y severidad

3. Procedimiento para correrlo y

anclarlo.

a) Tubería de perforación

b) Cable/Línea

c) Tubería flexible

d) Integral

4. Intervenciones futuras.

a) Reparaciones mayores

b) Reparaciones menores

c) Intervenciones sin equipo

5. Selección del empacador a partir de la envolvente de desempeño.

A continuación se mostrara como calcular ó como obtener los parámetros involucradosen

el proceso de selección.

1. Condiciones de operación.

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a) Diferencial de presión

El empacador de producción es sometido a presión diferencial durante las operaciones

de terminación y reparación del pozo. La estimación de estas presiones es fundamental

para la selección adecuada de estas herramientas. En esta guía se mostrara como

determinar la diferencial de presión durante las operaciones de inducción, prueba de

admisión, estimulación y fracturamiento.

Inducción.

Durante la inducción se desplaza el fluido de terminación ó fluido producido por el

yacimiento por nitrógeno, por lo regular este proceso se realiza con el auxilio de latubería

flexible. (ver Figura 9) La presión diferencial ( PEmp ) es calculada con la Ecuación 2.3, la

cual es la diferencia entre la presión sobre el empacador, SE P (Ecuación 2.1) y la presión

debajo del empacador, BE P (Ecuación 2.2).

Para fines prácticos se recomienda despreciar las perdidas por fricción ( fN P ) ó consultar

la guía de inducciones para su determinación) y considerar una densidad promedio de

nitrógeno de 0.2 gr/cc.

También pudiese considerarse el aparejo de producción completamente vació.

Figura 2.15. Diferencial de presión durante la

inducción.

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Prueba de admisión.

La prueba de admisión es realizada mediante el represionamiento del sistema con la

finalidad de conocer el valor de presión en el que la formación cede a laadmisión de

fluido, esto esesquemáticamente representado en la Figura 10. La diferencial de presión (

Emp P )es obtenida con las Ecuaciones 2.4, 2.5 y2.3, para el cálculo de las perdidas

porfricción ( f P ) referirse a la guía deestimulaciones.

Figura 2.16. Diferencial de presión durante la

prueba de admisión.

Estimulación/Fracturamiento.

Las operaciones de estimulación ó fracturamiento involucra la inyección de fluidos con el

objetivo general de mejorar las condiciones de permeabilidad (Ver Figura 10). Estas

operaciones generan una diferencial de presión en el empacador de producción, misma

que puede ser determinada con las Ecuaciones 2.6, 2.7 y 2.3. Para la determinación de la

presión por fricción ( f P ) generada entre el fluido inyectado y el aparejo de producción,

referirse a la guía de estimulaciones.

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Figura 2.17. Condiciones durante laestimulación ó fracturamiento.

b) Cargadas Axiales

Otro parámetro a determinar para la seleccionar correctamente los empacadores de

producción son las cargas axiales. A continuación se ilustrará cuando se presentan, así

como el origen de las mismas.

Durante las operaciones de terminación y mantenimiento de los pozos comentadas

previamente (inducción, prueba de admisión, estimulación y fracturamiento, así como

durante su vida productiva, la tubería de producción es sometida a diferentes condiciones

de presión y a cambios de temperatura, esto genera esfuerzos en el acero los cuales se

reflejan en la contracción y elongación del mismo, causando un movimiento neto del

aparejo de producción. Este movimiento origina tensión ó compresión en el empacador,

mismas que reducen su resistencia a la presión diferencial. En algunos casos estas

cargas son lo suficientemente elevadas que causan la falla del empacador. Por lo tanto es

substancial la determinación de los esfuerzos axiales a que será sometido el empacador.

Es importante mencionar que en esta guía solo se revisaran tanto los efectos que generan

el movimiento de la tubería de producción, así como sus consecuencias (elongación ó

contracción) en las diferentes operaciones. Las ecuaciones y procedimiento de cálculo

serán presentados en la guía de diseño de aparejos de producción.

Los efectos que generan este fenómeno son: Ballooning (expansión), Pistón, Buckling

(pandeo) y Temperatura. Estos son esquemáticamente representados en la Figura 12.

19

Ballooning (expansión).-Este efecto es generado por la presión radial ejercida sobre la

tubería, esto tiende a incrementar el diámetro con un consecuente acortamiento de la

longitud de aparejo. El efecto contrario (mayor presión afuera de latubería) produce una

elongación en el aparejo.

Pistón.- Este efecto es producido por la aplicación de presión sobre un área expuesta, el

cual puede causar elongación si la diferencial de presión es mayor arriba del empacador ó

contracción si la diferencial de presión es mayor bajo el empacador, lo cual significa que

esta presión esta actuando en la sección transversal de los sellos multi-v ó zapata guía e

intenta comprimir el aparejo de producción.

Buckling (pandeo).-Al igual que el efecto pistón, buckling es el resultado de la diferencial

de presión que se tiene dentro y fuera del aparejo, misma que actúa sobre una sección

transversal. Sin embargo este efecto aparece en el momento que se inicia a doblar ó

pandear el aparejo de producción.

Temperatura.-Un cambio de temperatura debido a la producción de hidrocarburos ó

inyección de fluidos causa cambios en la longitud del aparejo de producción. Este cambio

de longitud es directamente proporcional al coeficiente de expansión del acero.

A continuación se presentara cualitativamente cómo se comporta el aparejo de

producción durante las operaciones de terminación y reparación del pozo, tales como

inducción, prueba de admisión, estimulación y fracturamiento. Como se comento

anteriormente, la determinación cuantitativa se presentara a detalle en la guía de diseño

de aparejos de producción.

Inducción.

La Figura 13 muestra los diferentes efectos que causan el movimiento del aparejo de

producción durante realización de una inducción. En esta operación la presión dentro del

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aparejo es menor que la que actúa fuera de la tubería, debido a esto la presión externa

comprime el acero causando una elongación, a su vez esta diferencial de presión se

ejerce sobre un área transversal también originando elongación. Por el contrario el efecto

de temperatura crea contracción, esto es debido al enfriamiento del aparejo de

producción. El movimiento total es la diferencia entre estos efectos.

Figura 2.19. Efectos que intervienen duranteuna inducción.

Prueba de admisión.

La Figura 14 muestra los diferentes efectos que causan el movimiento del aparejo de

producción durante realización de una prueba de admisión. A diferencia de la operación

de inducción, durante la prueba de admisión la presión dentro del aparejo de producción

se incrementa. Esto genera una expansión de la tubería generando contracción de la

misma. Por otra parte la diferencial de presión incrementa dentro del aparejo, misma que

actuá en la sección transversal expuesta de los sellos multi-v ó zapata guía lo que

también causa contracción. Durante esta operación se inyecta un fluido que normalmente

se encuentra a temperatura ambiente generado un enfriamiento del acero y por

consiguiente una contracción del mismo. Como se observa durante una prueba de

admisión todos los efectos causan una contracción del aparejo.

Figura 2.20. Efectos que intervienen duranteuna prueba de admisión.

21

Estimulación/Fracturamiento.

Al igual que la operación de prueba de admisión, normalmente durante una estimulación ó

fracturamiento, también se inyecta un fluido a temperatura ambiente el cual incrementa la

presión dentro del aparejo de producción. Por tanto los efectos tienen un comportamiento

similar, es decir los cuatro tienden a contraer el aparejo de producción.

c) Temperatura

Otro parámetro importante para la selección apropiada de empacadores de producción es

la temperatura. Este parámetro es fundamental para la selección de los elastómeros. La

temperatura a la cual estará trabajando el empacador se determina a través del gradiente

de temperatura del pozo ( GT ), este se calcula con la Ecuación 2.8. Una vez que se

conoce el gradiente de temperatura, se obtiene la temperatura de operación del

empacador con la Ecuación 2.9.

d) Fluidos producidos

Conocer la composición de los fluidos producidos es fundamental, pues se puede conocer

el ambiente al cual será sometido el empacador permitiendo una selección adecuada de

la metalurgia.

El tipo de material que se emplea para fabricar un empacador influye considerablemente

en su costo. Por lo tanto, es necesario un conocimiento correcto tanto de la

concentración, así como de los fluidos que estarán en contacto con la herramienta, con la

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finalidad de evitar la compra de empacadores costosos, ó la introducción de herramientas

que no son diseñadas para ambientes corrosivos.

Los parámetros a calcular para determinar la corrosión esperada y los materiales que se

recomiendan para los diferentes ambientes.

1) Presión parcial del H2S.

La presión parcial de ácido sulfhídrico es obtenida con la Ecuación 2.10. La presión en el

empacador ( P Emp ) es calculada con la Ecuación 2.11, esta presión puede ser

fácilmente obtenida con los ingenieros de producción. La Figura 16 muestra

esquemáticamente como obtener la presión a la profundidad del empacador, la cual es

función de la presión de fondo fluyendo ( Pwf ), las perdidas por fricción ( Pf ) entre el

fluido producido y la tubería de explotación y de la densidad de los fluidos producidos ( Pg

).

Figura 2.22. Presión a la altura del empacador

2) Presión parcial del CO2.

La presión parcial del Dióxido de carbono se determina con la Ecuación 2.12 empleando

el procedimiento previamente explicado para la determinación de la presión en el

empacador.

3) Salinidad del agua de formación.

Corrosión es un proceso electroquímico, por tanto la salinidad del agua de formación

juega un papel importante en este proceso. En soluciones de Cloruro de Sodio, la

conductividad eléctrica es mayor que en soluciones libres de cloruros, por tanto la

probabilidad de corrosión incrementa.

4) pH del agua de formación.

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El pH del agua de formación es un factor esencial en el desarrollo de la corrosión, ha sido

demostrado que la presión parcial del H2S y la concentración del Ion hidrógeno

influencian en la cantidad del hidrógeno atómico que entra en el acero.

Una vez que se tienen las presiones parciales, se puede emplear la Tabla 1 para

determinar si la corrosión esperada será alta, media ó simplemente no se presentara.

2. Condiciones del pozo.

a) Diámetro interior de la T.R

b) Fluido de terminación

c) Desviación y severidad

a) Diámetro interior de la T.R.

Durante el proceso de perforación y terminación, existen diferentes productos que están

en contacto con la tubería de revestimiento, los cuales pueden alterar el diámetro interior

y puede impedir que el empacador baje ó causar su anclaje. Estos materiales pueden ser

sólidos del lodo, cemento, etc. Por lo cual se recomienda efectuar un viaje con escariador

previo a la corrida del empacador. Además se tiene que considerar los diámetros

interiores de las tuberías de revestimiento que se encuentran arriba del revestimiento

donde se anclara el empacador.

b) Fluido de terminación.

Se tiene que considerar el tipo de fluido tanto de terminación como empacador. Si el fluido

es un lodo de perforación, los sólidos tenderán a precipitarse sobre el empacador, lo cual

24

en la mayoría de los casos produce el atrapamiento de este. Por otro lado, si el fluido es

una salmuera que contenga cloruros, bromuros etc., deberá existir compatibilidad entre

esta y los elastómeros del empacador.

c) Desviación y severidad.

La desviación y severidad de un pozo son factores importantes a considerar para

seleccionar y correr el empacador. En pozos con severidades muy altas ó patas de perro

se tiene que considerar la longitud del ensamble, esto es lo largo del empacador y sus

accesorios (soltador, empacador, extensiones pulidas, niples de asiento, etc.).

Un parámetro importante a contemplar durante la selección del empacador es el

procedimiento para correrlo y anclarlo. A continuación se presentan las técnicas mas

comunes para realizar esta operación.

3. Procedimiento para correrlo y anclarlo.

a) Tubería de perforación

b) Cable/Línea

c) Tubería flexible

d) Integral

El procedimiento para correr y anclar un empacador es un factor crítico para el éxito de la

operación. Por lo tanto se recomienda analizar las diferentes opciones y seleccionar la

que tanto técnica como económicamente sea la más adecuada.

Cabe mencionar que el tiempo en realizar la operación es básica en la toma de decisión.

Otro factor es la exactitud a la profundidad deseada, lo cual es común cuando se tienen

dos intervalos muy cercanos, en estos casos lo más conveniente es correrlo con cable.

Otro aspecto a considerar para la selección de esta herramienta son las intervenciones

futuras a realizar. A continuación se comenta lo relevante de este parámetro.

4. Intervenciones futuras.

a) Reparaciones mayores

b) Reparaciones menores

c) Intervenciones sin equipo

El hecho de conocer si existirá una intervención futura ó no, es importante para considerar

si se selecciona un empacador permanente ó recuperable. En pozos de alta presión

donde es casi un hecho que no se realizarán intervenciones de molienda en lo futuro se

recomienda un empacador permanente. De lo contrario en pozos con alta probabilidad de

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moler el empacador, lo más adecuado sería correr y anclar un empacador recuperable,

pues sería más sencillo y económico recuperar el empacador que su molienda y pesca.

5. Selección del empacador a partir de la envolvente de desempeño.

Después de haber considerado las condiciones de operación, condiciones del pozo, el

procedimiento de para correr y anclar el empacador y las intervenciones futuras, la

selección final debe realizarse empleando la envolvente de desempeño de los

empacadores candidatos. Se debe solicitar a las compañías de servicio las envolventes

de los empacadores a emplear, con el objeto de realizar el análisis de cargas combinadas

a las operaciones programadas ó probables a efectuar (inducciones, pruebas de

admisión, estimulaciones, fracturamientos) y comparar los resultados con la envolvente de

diseño para mantenerse en todo momento en el área de operación segura, el empacador

a solicitar será el mas económico, siempre y cuando cumpla con las condiciones de

operación. La Figura 18 muestra el ejemplo de una envolvente de desempeño y las

cargas a que es sometido el empacador tanto en la inducción, así como en la vida

productiva del pozo. Se puede observar que los esfuerzos a que está sometido pueden

ser tolerados por el empacador. También se percibe que un empacador de 5,000 psi el

cual sería más económico pudiese tolerar los esfuerzos generados.

2.7. CALCULOS Y EJERCICIOS SOBRE EL PACKERS

2.6.1. Cálculo de cargas que actúan sobre el packer

Cuando el packer esta anclado, actúan sobre él, las siguientes presiones de trabajo:

P1 Presión de fondo de pozo de abajo hacia arriba. (+)

P2 Presión hidrostática del fluido de terminación en el

26

espacio anular que ejerce de arriba hacia abajo. (-)

W(Tb) Peso de la tubería que actúa sobre el packer de

arriba hacia abajo. (-)

Luego las cargas totales a la que está sometida el packer anclado se calcula con la

siguiente ecuación:

Donde:

P1 : Presión de formación desde fondo de pozo a la base del packer en psi.

P2 : Presión hidrostática del fluido en el espacio anular en psi.

WTb : Peso de la tubería que actúa sobre ekl packer.

Aic : Area interna de la cañería en plg2.

AiTb : Area interna del tubing en plg2.

AeTb : Area externa del tubing en plg2.

EJEMPLO 1-.

En un pozo de 6200 pies de profundidad el packer esta anclado a 6000

pies de profundidad, calcular las cargas que actúan sobre el packer para los siguientes

datos de pozo.

Gradiente de fluido de terminación en EA = 0.60 psi/pie

P1 ó presión Fp = 2800 psi

Peso de la tubería = 3.25 lb/pie

Cálculos

- Peso total de la tubería = 3.25 lb/pie * 6000 pie = 19500 lb.

- P2 = PH = Gfluido * h = 0.60 psi/pie * 6000 pie = 3600 psi

27

- Cálculo de áreas

Lo que significa que actúa una presión de arriba debajo de -28844 psi o sea 13184 psi

mas que la que actúa de abajo hacia arriba, o sea:

42028-28844 = 13184 psi

Por esta razón el packer no se desanclará durante el trabajo de producción porque se

tiene un factor de seguridad de 31% con la carga de arriba hacia abajo, o sea:

Por normas, seguridad del 50%.

Para aumentar el factor de seguridad se tiene que aumentar el grado de la tubería.

EJEMPLO 2-.

Se tiene un pozo con los siguientes datos:

TR 6 5/8 pg N-80 28 lb/pie = 5.791 pg D.I.

TP 2 3/8 pg J-55 4.7 lb/píe = 1.995 pg D.I.

Profundidad media de los disparos = 2,500 m

Nivel de fluido, en la superficie

Nivel de operación = 1250 m

Aceite = 0.90 gr/cm³

Se pretende anclar el empacador a 2490 m con 14,000 lb

28

Gradiente de presión = 0.090 kg/cm²/m

Pf = 2,500 x 0.090 = 225 kg/cm²

Pf = Peso en lb de la columna de fluido (agua)

Ptp = Peso de la TP sobre el empacador en lb (14,000)

Pf = Presión de fondo del yacimiento en lb/pg²

Fuerza ejercida por la presión del yacimiento (Fy)

Fy = Pf (Area D.I. TR – Area D.I. TP)

Area D.I.

TR =

π x D² = 0.7854 x (5.791)² = 26.32

pg²4

Area D.I.

TP =

π x D² = 0.7854 x (1.995)² = 3.12 pg²

4

29

FIG. 7 ESTADO MECANICO

PROF. INTERIOR 2520.0 MINTERVALO 2495 - 2505 MGUIA DEL EMP. 2491.0 MEMPACADOR BROWN HUSKY, MSPDE 6 5/8 PG. 28 LB/P A 2490.MCAMISA DESLIZABLE CAMCO CB-1A 2481.0 MTUBERIA DE PRODUCIÓN DE 2 3/8 PG.COMBINADA J-55 Y N-80 DE 4.7 LB/PTUBERIA DE REVESTIMIENTO DE 6 5/8

PG

Fig.2.25. Estado mecanico

74,228 lb

Fy = (225 x 14.22) (26.32 – 3.12) =

Pf = Phf (Area D.I. TR – Area D.E. TP)

Phf = 0.10 x 1250 x 14.22 = 1777.5 lb/pg²

Area D.E. TP = 0.7854 x (2.375)² = 4.43 pg²

Pf = 1777.5 (26.32 – 4.43) =

Fuerza resultante:

FR = Fy – (Pf + Ptp)

FR = 74,228 – (38,909 + 14,000) = 74,228 – 52,909

Fig.2.26. Diagrama de Fuerzas

Por lo tanto la fuerza del yacimiento tratará de desempacar la herramienta, ya que la

fuerza resultante hacia arriba es de 21,319 lb.

RECOMENDACION

a) Utilizar un empacador permanente o semipermanente cuando se pueda

represionar el espacio anular.

b) Utilizar un empacador de compresión ancla doble, para auxiliar al empacador en

su mecanismo hidráulico, producido por la diferencial de presiones.

CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA POZOS DE APAREJO SENCILLO

30

38,909 lb

FR = 21319 lb

1. Para pozos hasta de 800 m de profundidad con aparejos de producción fluyentes,

bombeo neumático o inyectores de agua, es necesario

2. Para pozos de 800 a 1,500 m de profundidad con aparejos de producción

fluyentes y de bombeo neumático, es necesario

3. Para pozos de 1,500 a 2,500 m de profundidad con aparejos de producción

fluyentes, bombeo neumático o inyectores de agua, es necesario

4. Para pozos de 1,500 a 2,500 m de profundidad con aparejos de producción de

bombeo neumático, se puede utilizar

Esto es siempre y cuando no se presente arenamiento

5. Para pozos de 2,500 a 4,500 m de profundidad con aparejos de producción

fluyentes, bombeo neumático o inyectores de agua, se programa

6. Para pozos de 3,500 a 6,500 m de profundidad con aparejos de producción

fluyentes o inyectores de agua, se programa

31

Un empacador de tensión

Un empacador de compresión sencillo de ancla mecánica

Un empacador de compresión con ancla doble

Un empacador semipermanente de anclaje de compresión, neutro o tensión.

Un empacador permanente

Un empacador permanente