Naturaleza de la producción de arena

Introducción

El Capítulo 1 se refirió al flujo radial a través de medios porosos y demostró la naturaleza de la distribución de presión alrededor de un pozo productor. Se han descrito los efectos negativos que para la productividad acarrean las restricciones de flujo en la zona cercana a la cara de la formación. Una vez comprendidos los conceptos de flujo radial y daño a la formación, pueden explorarse aquellos problemas característicos de las formaciones no consolidadas.

En aquellas formaciones que son altamente no consolidadas, la producción de fluidos de formación probablemente estará vinculada a la producción de arena de formación. En algunos casos, pueden producirse pequeñas cantidades de arena de formación sin que ello acarree efectos adversos significativos. Sin embargo, en la mayoría de las situaciones, la producción de arena se traduce en una disminución de la productividad y/o en un exceso de mantenimiento del equipo de fondo y de superficie. Asimismo, la producción de una cantidad suficiente de arena podría ocasionar fallas prematuras en el pozo y el equipo utilizado en el mismo.

Naturaleza de la producción de arena

Las condiciones que pueden originar la producción de arena y el estado en que probablemente se encuentre la formación por fuera de la tubería de revestimiento, una vez producida dicha arena, se determinan con base en los factores que inciden en el inicio de la producción de arena. Estos factores deben describir tanto la naturaleza del material de la formación como las fuerzas que ocasionan la falla en la estructura de la misma.

La resistencia de una arenisca está determinada por:

• La cantidad y el tipo de material de cementación que mantiene la cohesión de los granos

• Las fuerzas de fricción existentes entre los granos

• La presión del fluido en los poros de la roca

• Las fuerzas de presión capilar

Diversos investigadores se han dedicado a estudiar el tipo de falla que tiene probabilidades de ocurrir en la arenisca. Algunos trabajos realizados en Exxon1 señalan que la naturaleza de un túnel de perforación colapsado es indicio de que se producirá una falla por cizallamiento cuando se rebase la resistencia a la compresión de la roca. Además, dicho trabajo explica que, en areniscas de consolidación débil, se crea un vacío detrás de la tubería de revestimiento. Exxon concluyó que la resistencia a la compresión de la roca debería constituir un buen indicador del potencial de producción de arena y que ésta probablemente originará un vacío detrás de la tubería de revestimiento, el cual puede llenarse con arena del empaque con grava durante la operación de colocación de dicho empaque. En la Referencia 1 podrá obtenerse información detallada acerca del trabajo de investigación efectuado por Exxon.

En general, la resistencia a la compresión de una roca se encuentra determinada fundamentalmente por las fuerzas de fricción intergranulares, por lo que la resistencia de la roca se incrementará a medida que aumente el esfuerzo de confinación que se ejerza sobre la misma. En caso de que falle la matriz de la roca alrededor de un túnel de perforación, la roca se encontrará en un estado no confinado de esfuerzo, por lo que la producción de arena debería relacionarse con la resistencia a la compresión no confinada de la roca. El grado de consolidación (cementación intergranular) será más importante que las fuerzas de fricción intergranulares. Los esfuerzos que provocan la falla de la roca, en este caso, son el esfuerzo mecánico que se deriva del material de sobrecarga y las fuerzas de arrastre vinculadas al flujo de fluidos viscosos que circulan a través de la matriz de la roca. El esfuerzo de sobrecarga es sustentado parcialmente por la presión de poro de la roca. Por lo tanto, el esfuerzo que realmente actúa para ocasionar la falla de la roca (a saber, el esfuerzo efectivo) es la diferencia entre el esfuerzo de sobrecarga y la presión de poro.

La falla mecánica de la roca no consolidada alrededor de una perforación es análoga a la falla de un material suelto que rodee un túnel en tierra blanda. El mecanismo que rige la transferencia de carga alrededor de un túnel en una situación como ésta fue descrito por Terzaghi2 en 1943. A medida que cede la tierra que se encuentra sobre el túnel, el esfuerzo que originalmente existía en dicho material se alivia y se transfiere al material más rígido que rodea el túnel. Sin embargo, una parte de los esfuerzos originales se apoya en la fricción intergranular que existe por encima del túnel. En las operaciones de formación de túneles, si no se pretende reforzar el túnel internamente, entonces se suele excavar uno cuya altura aproximadamente duplique su ancho, con el fin de crear un arco estable que no permita que el material que se encuentra encima del túnel colapse (véase Figura 2.1). El arco adquiere mayor estabilidad por la presencia de fuerzas de cohesión, así como de esfuerzos de tensión en la superficie, si el material granular está mojado.

El material que se halla por encima del túnel presenta un estado alterado de esfuerzo. Dicho estado se extiende por encima del túnel hasta una altura que equivale aproximadamente a cinco veces su ancho. El material que se encuentra en el área que es cinco veces mayor que la ancho de la base del túnel no experimenta ninguno de los efectos de la excavación y conserva su estado original de esfuerzo.

Figura 2.1

Carga del soporte de un túnel con arena2

En cierta medida, la utilización del concepto de arcos en la excavación de túneles se aplica a la roca no consolidada que rodea una perforación. Después que se produce algo de arena en la zona que rodea un túnel de perforación, se forma un arco que posee resistencia suficiente como para sustentar el peso del material circundante. En determinadas condiciones, puede tolerarse la producción de una cantidad limitada de arena de formación, para que permita el desarrollo de un arco, tras lo cual cesa la producción de arena de formación. La Figura 2.2. muestra el concepto de arco estable alrededor de una perforación. Sin embargo, la estabilidad del arco se complica, porque el estado de esfuerzo existente alrededor de la perforación se transforma constantemente debido a los cambios que registra la tasa de flujo, la presión del yacimiento, el corte de agua en la producción, etc.

Figura 2.2

Geometría de un arco estable rodeando una perforación3

Efectos de la producción de arena

Los efectos de la producción de arena son casi siempre perjudiciales para la productividad a corto y/o a largo

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