5.5.1: Operaciones de Perforación

Hasta ahora hemos esbozado la exploración, el arrendamiento, los permisos y el diseño del sitio para la perforación de pozos Marcellus Shale en Pensilvania. Ahora necesitamos desarrollar una comprensión del proceso de perforación y las protecciones contra los impactos ambientales que se implementan durante ese proceso.

Un primer paso en la preparación de la superficie para el orificio de perforación es instalar una “carcasa estructural” que es un conducto de gran diámetro que generalmente se excava o golpea a poca profundidad para proteger las formaciones sueltas cercanas a la superficie (evitar la espeleología en el orificio) y permitir la circulación del fluido de perforación.

La perforación requiere una sarta de perforación que se puede agregar en segmentos (típicamente 30 pies) a medida que el agujero se profundiza con una “broca” duradera (la parte que muele la roca) en la parte inferior. La broca debe ser lo suficientemente fuerte y dura porque si falla, toda la sarta de perforación necesita ser “tropezada” de nuevo a la superficie (tirada hacia arriba y desmontada en secciones de 30 pies) para reemplazar la broca rota o desgastada por una nueva. Las brocas varían en diseño, pero comúnmente se usa una broca de cono de rodillo con tres conos giratorios o una broca de corte fija. Los conos de acero o las superficies de corte fijas están tachonados con carburo de tungsteno más duro o incluso diamantes para mejorar la abrasión y durabilidad. El cuarzo, un componente típico de las rocas sedimentarias, y el acero tienen aproximadamente la misma dureza, de manera que una broca de acero no cortaría la roca de manera efectiva. La sarta de perforación necesita tener una resistencia considerable y está suspendida de la plataforma en la superficie (la sarta está en realidad en tensión en lugar de compresión, de lo contrario probablemente fallaría; en otras palabras, perforar roca no es como la broca en el extremo de su broca de madera a la que aplica presión para que penetra más profundamente en la madera. Además, debe haber algún tipo de circulación de fluido en el agujero alrededor de la broca por al menos tres razones: 1) para enfriar la broca y proporcionar lubricación; 2) para levantar recortes (los fragmentos de roca formados durante la perforación) a la superficie (de lo contrario obstruirían el agujero y atascarían la sarta de perforación); y 3) para contrarrestar la mayor presión potencial de gas en horizontes más profundos que harían que el pozo “explote”.

En la parte menos profunda de un agujero la perforación debe realizarse con aire o agua dulce o lodo de agua dulce para evitar la contaminación de los acuíferos de aguas dulces poco profundas. Generalmente, el contenido de sal (salinidad) de los fluidos atrapados en pequeños huecos (llamados poros) en los estratos sedimentarios aumenta con la profundidad desde la calidad del agua potable cercana a la superficie (menos de 1000 partes por millón de sólidos disueltos), a aguas que, al menos en la cuenca de los Apalaches, pueden tener casi 10 veces la sal contenido de agua oceánica (el agua oceánica promedia alrededor de 35,000 partes por millón de sólidos disueltos). Más profundo en el pozo, los fluidos que circulan en el pozo deben ser cada vez más densos para que su peso contrarreste la presión de los gases que se encuentran durante la perforación que intentarán subir por el pozo. Estos fluidos son en realidad “barro”, una mezcla de agua, arcillas y, comúnmente, un mineral denso llamado “barita”. Los perforadores monitorean la presión del subsuelo mientras perforan y ajustan constantemente la densidad del lodo para que coincida con la presión. El “Perforador”, que se encarga del avance de la perforación en el pozo, se sienta en la “caseta del perro” rodeado de instrumentos que monitorean las condiciones del fondo del pozo, el peso sobre la broca y el peso del lodo, y con una visión clara de las operaciones en la plataforma.

El proceso de perforar realmente un pozo comienza con la perforación y el ajuste de la “carcasa del conductor”, que es la carcasa de mayor diámetro en el pozo. La carcasa debe cumplir con ciertos estándares de resistencia (API, American Petroleum Institute establece estos) y está fabricada con acero fuerte y bajo en carbono. Esta carcasa ayuda a mantener la estabilidad del pozo y evitar la contaminación de los acuíferos superficiales y a proteger contra los gases poco profundos. La carcasa del conductor proporciona una conexión para la instalación del cabezal de la carcasa y la pila de prevención de reventones. Esta carcasa se ajustará a cierta profundidad (generalmente de 500 a 1000 pies en PA, con el mandato de extenderse a 50 pies por debajo del último agua “dulce”), y se cementará desde su zapata (brida inferior) a la superficie para evitar la migración de gas o fluidos a lo largo del exterior de la carcasa donde hay un espacio entre la carcasa y la formación circundante. Las cadenas posteriores de entubado (superficie, intermedia y carcasa de producción) tienen diámetros decrecientes y se cuelgan dentro de la carcasa del conductor para aislar el agua de las formaciones productoras y controlar las presiones del pozo durante la perforación y la producción.

El tamaño de la broca utilizada para perforar agujeros verticales disminuye con la profundidad. El diámetro de la carcasa (agujero) disminuye con la profundidad en un pozo típico de gas de esquisto. La carcasa de superficie está diseñada para proporcionar protección contra explosiones, aislar las arenas de agua y evitar la pérdida de circulación (fluidos de perforación que fluyen hacia formaciones porosas de baja presión). La carcasa intermedia brinda protección contra zonas más profundas de baja presión, si ocurren, y zonas productoras de hidrocarburos que se encuentran antes del horizonte objetivo. La carcasa de producción es la última cadena instalada, y se coloca en la parte horizontal del orificio (5.5 pulgadas de diámetro) y está diseñada para proteger la tubería de producción, que tiene menor resistencia al aplastamiento que la carcasa de acero o se perfora como conducto para hidrocarburos de la zona de producción. Los tubos de producción, esencialmente un revestimiento, normalmente se extenderían desde la zona de producción hasta la superficie dentro de las otras cuerdas de revestimiento.

Desde el punto de “kick-off”, se utiliza una técnica de perforación diferente, con un collar de perforación especial y un “motor de lodo” que puede doblarse en un ángulo máximo de 3 grados. Por lo tanto, se necesita cierta distancia vertical para ir realmente del agujero vertical a un segmento horizontal, típicamente alrededor de 1000 pies. El motor de lodo es impulsado por un lodo de perforación de formulación especial bombeado a altas presiones a través del sistema de motor, haciendo que la broca gire. Sin embargo, la velocidad de rotación es más lenta (aproximadamente 50 rpm) que para la broca vertical debido a la naturaleza excéntrica del sistema en ángulo, lo que provocaría un desgaste excesivo si las velocidades de rotación fueran mayores. Curiosamente, en esta cadena hay un sistema de telemetría con sensores magnéticos que pueden transmitir información de posición a la superficie y un detector de radiación gamma natural total que permite “geodirigir” a través de una formación de esquisto. Geodirección significa que este sistema de perforación puede ser operado de forma remota (posiblemente a mil millas de distancia) y guiado por un geólogo en lugar del “perforador” a través de la zona en la formación del objetivo que se considera más productiva de los hidrocarburos.

Todas las cuerdas de revestimiento deben estar centradas en el agujero (prácticamente y por regulación). Esto se logra mediante “centralizadores” estratégicamente espaciales que se unen al exterior de la carcasa. La centralización es crítica para el posterior trabajo de cemento de tal manera que el cemento especialmente formulado idealmente llenará el “anillo” (el vacío entre la formación y la tripa) por igual para evitar brechas que podrían facilitar la migración ascendente de hidrocarburos a la superficie y/o penetrar poco profundas. horizontes y migrar lateralmente hacia fuentes de agua potable. Obsérvese que la mala centralización de la tripa fue uno de los factores significativos en el fracaso del BP “Pozo Macondo” en el Golfo de México en 2010.

La cementación se realiza en cada cadena de entubado. El Instituto Americano del Petróleo (API) recomienda diferentes formulaciones de cemento, dependiendo de las condiciones del fondo de pozo (temperatura, presión, presencia de sulfuro). El cemento se mezcla y envía por el interior de la carcasa, seguido de un “tapón limpiaparabrisas” que empuja el cemento hacia abajo, a través de la zapata de la carcasa, y hacia arriba por el exterior de la carcasa (el anillo) hacia la superficie. El volumen de cemento utilizado se calcula para la profundidad de la sarta de entubado y el espaciamiento promedio del anillo y, por práctica y regulación, el cemento debe aparecer en la superficie para garantizar que el anillo está lleno. El cemento, por regulación (ver Requisitos DEP Capítulo 78), debe ser permitido un mínimo de 8 horas para fraguar, durante las cuales no puede haber otras operaciones en el pozo que puedan perturbar la entubación, y debe alcanzar una resistencia mínima a la compresión requerida de 1200 psi dentro de las 72 horas.

Hay ciertos troncos de fondo de pozo que pueden evaluar la eficacia del emplazamiento de cemento. Estos generalmente se conocen como “troncos de unión de cemento” (CBL) y tienen la capacidad de detectar el grado de llenado y unión tanto a la carcasa como a la formación. Los CBL son registros sónicos que se ejecutan a través de las cuerdas de revestimiento y se pueden interpretar en términos de la transmisión de ondas sonoras a través de sólidos. Si hay huecos entre el cemento y la carcasa o la formación o fluidos presentes en estos huecos ciertas ondas sonoras no se propagarán a través de ellos y no serán detectadas por la herramienta de tala. Dichos troncos no son infalibles, pero son críticos para evaluar los empleos de cemento que protegen contra los impactos ambientales en el medio ambiente, ya sea contaminación de acuíferos de agua dulce o emisiones directas de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

La carcasa y la cementación adecuada constituyen las barreras a la fuga de hidrocarburos y otros fluidos a la superficie. La principal barrera para el escape directo de fluidos e hidrocarburos de alta presión del pozo durante la perforación es el “impedimento de reventones” que, en la parte superior de la sarta de entubado, evita que los gases presionados se salgan durante las operaciones de perforación.