1

1. Drilling Fundamentals -Geology, Temperature, and

Pressure

2

1. Principios de la Perforación-Geología, Temperatura y

Presión

3

Topics● Geology

Classification of Rocks

Formation of Rocks

● Temperature Temperature and Temperature Gradient

Importance of Down hole Temperature Data

● Pressure Types of Pressures

Fundamental Pressure equations

Example Problems

4

Temas● Geología

Clasificación de las Rocas Cómo se Forman las Rocas

● Temperatura Temperatura y Gradiente de Temperatura Importancia de los Datos de Temperatura del Fondo de

Pozo

● Presión Tipos de Presión Ecuaciones Principales de Presión Problemas de ejemplo

5

Geology

6

Geología

7

3 Classification of Rocks

SEDIMENTARY

Ro

ck-f

orm

ing

pro

cess

So

urc

e o

fm

ater

ial

IGNEOUS

METAMORPHIC

Melting of rocks in hot,deep crust and

upper mantle

Crystallization(Solidification of melt)

Weathering anderosion of rocks

exposed at surface

Sedimentation, burial and lithification

Rocks under high temperatures

and pressures in deep crust

Recrystallization insolid state of new

minerals

8

3 Clasificación de las Rocas

SEDIMENTARIAS

Pro

ceso

de

Fo

rm.d

e ro

cas

Ori

gen

del

mat

eria

l

IGNEAS METAMÓRFICAS

Fundición de rocas en la corteza caliente

profunda y en el manto superior

Cristalización(Solidificación de la

fundición)

Alteración por efectos del clima y

erosión de las rocas expuestas

de la superficie

Sedimentación, enterramiento

y litificación

Rocas bajo efectos de las altas

temperaturasy presiones de la corteza profunda

Recristalización para convertirse

al estado sólido de los nuevos minerales

9

Igneous Rocks

Examples

BasaltGabbro

Rhyolite Granite

10

Rocas Ígneas

Ejemplos

BasaltoGabro

Riolita Granito

11

Clastic Sedimentary Rocks

ExamplesExamples

BrecciaBreccia

SandstoneSandstone

ConglomerateConglomerate

ShaleShale

12

Rocas Sedimentarias Clásticas

EjemplosEjemplos

BrechaBrecha

AreniscaArenisca

ConglomeradoConglomerado

Arcilla deArcilla de PizarraPizarra

13

Metamorphic Rocks ExamplesExamples

Mica schistMica schist

GneissGneiss

SlateSlate

MarbleMarble QuartziteQuartzite

14

Rocas Metamórficas EjemplosEjemplos

MicacitaMicacita

GneisGneis

PizarraPizarra

MármolMármol CuarcitaCuarcita

15

The Rock Cycle

16

El Ciclo de las RocasParte Más Fría del Ciclo Erosión

Transporte y sedimentación

Formación de sedimentos

Enterra-miento y litificación

Roca sedimentaria

Calor y presión

Roca metamórfica

Parte Caliente del Ciclo

Levantamiento

Roca Ígnea

Calor y presión

Enfriamiento

Levantamiento

Fundición

17

Sedimentary Rocks

Sedimentary rocks have three sources.

1. Clastic - formed from rock particles and skeletal remains. Example; sandstone, shale.

2. Chemical – formed by deposition during the evaporation of water. Example; salts.

3. Biological – formed from the remains of plant and animal life. Example; coal, coral.

18

Rocas Sedimentarias

Las rocas sedimentarias tienen tres orígenes.

1. Clástico – Son aquellas que se forman de las partículas de las rocas y restos de esqueletos. Por ejemplo: areniscas y arcillas de pizarra.

2. Químico – Son aquellas formadas por la sedimentación durante la evaporación. Por ejemplo: sales.

3. Biológico – Son aquellas formadas por los restos de animales y plantas. Por ejemplo: carbón y corales.

19

Formation of Clastic RockThere are six processes for formation of clastic sedimentary rock

1. Erosion - Existing rocks are broken down.

2. Transport - Wind or water move the rock fragments.

3. Deposition - Rock fragments are laid down in beds.

4. Compaction - Burial decreases the sediment volume.

5. Cementation - Minerals grow in the spaces between grains.

6. Diagenesis - Chemical changes to fragments to form rock.

20

Cómo se Forman las Rocas ClásticasExisten seis procesos de formación de rocas sedimentarias clásticas:

1. Erosión – Se rompen las rocas existentes.

2. Transporte – El viento o el agua trasladan los fragmentos de rocas.

3. Depósitos – Se colocan los fragmentos de rocas en yacimientos.

4. Compresión – Por medio del enterramiento disminuye el volumen de los sedimentos.

5. Cementación – Los minerales ocupan y crecen en los espacios entre los gránulos.

6. Diagénesis – Cambios químicos a los fragmentos para llegar a formar las rocas.

21

Relative Abundance of Sedimentary Rocks

● Shales, dominant sedimentary rock, 75% of the total.

● Sandstones, conglomerates, 11% of the total.

● Limestones, dolomites 12%

● All others about 1%.

22

Abundancia Relativa de las Rocas Sedimentarias

● Las arcillas de pizarra son las rocas sedimentarias dominantes con 75% del total.

● Las areniscas y los conglomerados representan el 11% del total.

● Las piedras calizas y dolomitas representan el 12%

● El resto representa alrededor del 1%.

Arcillas de pizarra – son las rocas sedimentarias dominantes

Areniscas y conglomerados

Piedras cálizas y dolomitas

23

● Pressure and Temperature are forms of stored energy

● Both affects the physical and chemical properties of the rock and the fluids it contained

Pressure and Temperature

24

● La Presión y la Temperatura son formas de energía almacenada.

● Ambas afectan las propiedades físicas y químicas de las rocas y de los fluidos contenidos en éstas.

Presión y Temperatura

25

Temperature

26

Temperatura

27

Temperature increases with depth; hence heat flows from center of the earth by conduction

Some rocks are better conductors than others

Temperature is measured by thermometers

In general, TD = Ts + G x TVD

– Ts = f(latitude) - 70oF (Gulf Coast) & 10oF (Alaska)

– Normal temperature gradient, G = 1.6oF/100-ft

Temperature and Temperature Gradient

28

La temperatura aumenta mientras mayor es la profundidad, por tanto el calor fluye desde el centro de la tierra por medio de la conducción.

Algunas rocas son mejores conductores que otras.

Para medir la temperatura se usan termómetros.

En general, TD = Ts + G x TVD

– Ts = f(latitud) - 70oF (Costa del Golfo) y 10oF (Alaska)

– Gradiente normal de la temperatura, G = 1.6oF/100-pies

Temperatura y Gradiente de Temperatura

29

Importance of Downhole Temperature Data

Beneficial to fluid recovery - reduces µ

However, not beneficial to drilling operations– Higher temperature has adverse effects on drilling

hardware and materials

– Mud treating chemicals and clays become ineffective or unstable at high temperature; causes cement thickening

In general, below 15,000-ft, many problems are encountered while drilling due to high temperature and high pressure

30

Importancia de los Datos de Temperatura de Fondo de Pozo

Es ventajoso para la recuperación de fluidos – disminuye µ Sin embargo, no es ventajoso para las operaciones de

perforación– Las temperaturas más altas tienen efectos adversos en los

equipos y materiales de perforación– Disminuye la eficacia y estabilidad de los químicos para

tratamiento del lodo y de las arcillas a altas temperaturas; el cemento se vuelve más espeso

En general, por debajo de los 15.000 pies, ocurren muchos problemas de perforación debido a las altas temperaturas y altas presiones

31

Uses of Temperature Data

To locate hole enlargements in shale sections

To determine the top of cement fill-ups

To locate thief zones that cause loss circulation

To locate gas bearing zones Gas expansion causes cooling

To locate casing leaks or to detect gas leaks

To aid correlation of strata that have different specific heats and thermal conductivity

32

Posibles Usos de los Datos de Temperatura

Para encontrar los agrandamientos de hoyos en las secciones de arcillas de pizarra

Para determinar la parte superior de los rellenos de cemento

Para encontrar zonas de pérdida de circulación en un pozo Para encontrar las zonas con gas

La expansión del gas provoca el enfriamiento Para encontrar las fugas en el revestimiento o de gas Para ayudar en la correlación de estratos que tienen

diferentes grados de conductividad térmica y de calor

33

● The top of cement fill-ups is the point of abrupt temperature change at the top of the casing. That is, the position of heating that accompanies the setting of cement is used to locate the top of the cement behind the casing.

● This technique must be performed within 12-hours of the cement job

Determination of Top Cement Fill-Ups

34

● La parte superior de los rellenos de cemento es el punto en el cual la temperatura cambia abruptamente en la parte superior del revestimiento. Es decir, se usa la posición de calefacción que acompaña el asentamiento del cemento para encontrar su parte superior detrás del revestimiento.

● Se debe llevar a cabo esta técnica dentro del período de 12 horas posteriores a la tarea de encementado.

Determinación de los Rellenos Superiores de Cemento

Revestimiento del pozo

Diámetro del hoyo

Temperatura

Parte superior del cemento

Lodo

Cemento

Pro

fun

did

ad

35

● Normal temperature gradients seem to be about 1.6oF/100 ft, although variations occur in various areas. Temperature in an area is usually a linear function of depth. Although the gradients vary in different areas, any given area typically exhibits linear behavior.

● While drilling a well, there are two types of gradients - geothermal gradient and drilling-mud circulation gradient.

Relationship Between Geothermal Gradient and Drilling Fluid

Temperature Circulation Gradient

36

● Las gradientes normales de temperatura parecen ser de alrededor de 1.6 ºF/100 pies, a pesar de que las variaciones ocurren en algunas áreas. La temperatura en un área es generalmente una función lineal de la profundidad. A pesar de que las gradientes varían dependiendo del área, cualquiera de éstas presenta un comportamiento lineal.

● Cuando se perfora un pozo, existen dos tipos de gradientes: la geotérmica y la de circulación de lodo de perforación.

Relación Entre la Gradiente Geotermal y la Gradiente de Temperatura de del Fluido de

Circulación de la Perforación

Diámetro del hoyo

Temperatura

Temperatura de circulación del lodo

Profundidad de Penetración de la Perforación

Temperatura momentánea del lodo después de detener la circulación

Gradiente Geotérmica

37

Pressure

38

Presión

39

Pressure Major sources of pressure are earthquakes

Compression and tension effects on rocks

Minor sources are tides, seismic sea waves, chemical reactions (radioactive decay & biochemical)

Units of pressure are– US : psig, psia– SI: N/m2 or Pa; 1 N/m2 = 1 Pa – Another common unit is atmosphere

• 1 atmosphere = 14.7 psia

40

Presión Los orígenes principales de la presión son los

terremotos Efectos de la compresión y tensión en las rocas

Los orígenes secundarios son las mareas, las olas oceánicas sísmicas y las reacciones químicas (deterioro radioactivo y bioquímico)

Las unidades de presión son:– US: psig, psia (psi = presión manométrica en libras por

pulgada cuadrada) (psia= presión absoluta en libras por pulgada cuadrada

– SI: N/m2 ó Pa; 1 N/m2 = 1 Pa – Otra unidad común es la atmósfera

• 1 atmósfera = 14.7 psia

41

Types of Pressure Pressure can be normal, abnormal, subnormal

– All pressures (except abnormal) can be measured with self-contained pressure bombs

Static or Circulation– Static is due to fluid at rest

– Circulation includes frictional pressure loss due to viscosity of the fluid

Total overburden pressure (Poverburden)

Fracture pressure/fracture gradient

42

Tipos de Presión La presión puede ser normal, anormal, subnormal

– Se pueden medir todas las presiones (excepto la anormal) con bombas de presión de autocontención

Estática o Circulación– La estática se produce cuando los fluidos no se mueven

– La circulación incluye la pérdida de presión de fricción causada por la viscosidad del fluido

Presión total de cubertura (Pcubertura)

Presión de fractura/gradiente de fractura

43

Types of Pressure Fracture pressure/fracture gradient

– This is a pressure at which a rock fails

– Fp < Poverburden

– uncontrolled breakdown of a rock leads to loss circulation a kick blowout

Effective stress– = confining pressure - pore pressure– = confining pressure - overburden stress

– Pc = s - Pp

44

Tipos de Presión Presión de fractura/gradiente de fractura

– Esta es la presión a la que falla la roca

– Fp < Pcubertura

– La rotura no controlada de una roca causa la pérdida de circulación un golpe de presión un reventón

Tensión efectiva– = presión de confinamiento – presión de poro– = presión de confinamiento – presión de

cubertura

– Pc = s - Pp

45

Normal Pore Pressure

• Assume all formations are permeable vertically.

• Fluid in pores becomes more saline with depth so gradient increases.

• Normal pore pressure at any depth = depth x average fluid gradient above.

46

Presión Normal de Poro

• Asuma que todas las formaciones son verticalmente permeables.

• El fluido en los poros se hace más salino mientras aumenta la profundidad y entonces aumenta la gradiente.

• La presión normal de poros en cualquier profundidad = profundidad x gradiente de fluido superior promedio.

Presión normal con profundidad

Pro

fund

idad

Presión

47

Abnormal Pore Pressure1. Pore pressure can be

different to the normal pressure for the depth.

2. Two conditions are both necessary for the development of abnormal pressure

3. Impermeable barrier above.

4. Mechanism causing pressure change.

48

Presión Anormal de Poro• La presión de poro puede

ser diferente a la normal para la profundidad.

• Se deben cumplir ambas condiciones para que se desarrolle presión anormal

• Una barrera impermeable por encima.

• Un mecanismo que provoque el cambio de presión.

Pro

fund

idad

Presión

Zona de transición de presión

49

Normal Pressure vs. Abnormal Pressure

Question: normal pore pressure gradient = 0.465 psi/ft at 5,500-ft. What is the pressure at 5000-ft? Is the pressure normal or abnormal?

Solution:

Pressure at 5,500’ = 2,950 psi.

Normal pressure = 5500 x 0.465 = 2558 psi. Since this pressure is lower than 2950 psi, the pressure is abnormal.

50

Presión Normal comparada con Presión Anormal

Pregunta: la gradiente de presión normal de poro = 0.465 psi/pie a 5.500-pies. ¿Cuál es la presión a 5000-pies? ¿Es normal o anormal la presión?

Solución:

Presión a 5.500 pies = 2.950 psi.

Presión normal = 5500 x 0.465 = 2558 psi. Debido a que esta presión es menor a 2950 psi, la presión es anormal.

51

Overpressure Prediction While Planning

Overpressure predictions are determined from the following:

1. Offset well data.

2. Seismic interpretation.

52

Predicción de Sobrepresión durante la Planificación

Se pueden realizar predicciones acerca de sobrepresión tomando en cuenta lo siguiente:

• Datos compensados de pozo.

• Interpretación sísmica.

53

Overpressure Detection While Drilling

Overpressure detection from the following:

1. Connection gas trends (reducing overbalance).

2. Drilling rate trends (reducing overbalance).

3. Seismic while drilling (changes in Δ t).

4. Resistivity while drilling (RAB tool, porosity changes).

5. Mud conductivity (formation fluids entering the mud).

6. Shale cuttings density (compaction trend)

7. Influx into the well (kick).

54

Detección de Sobrepresión Durante la Perforación

Se puede detectar la sobrepresión de las siguientes maneras:

• Tendencias de conexión de gas (disminución de pérdida de equilibrio).

• Tendencias de tasas de perforación (disminución de pérdida de equilibrio).

• Características sísmicas durante la perforación (cambios en Δ t).

• Resistividad durante la perforación (herramienta RAB, cambios de porosidad).

• Conductividad del lodo (fluidos de formación que ingresan al lodo).

• Densidad de cortes de arcilla de pizarra (tendencias de compresión)

• Ingreso en el pozo (golpe de presión).

55

Fundamental Pressure EquationsFor liquids P = 0.433xhxS = 0.052xhxG (psi)

– h is ft, S = specific gravity, G is in lbm/gal

For gases P2 = P1xe(0.01875xGxh/ZavgxTavg) (psi)

– G is gas gravity, h is ft,Tavg is in oR

Rule of thumb equation for gas P2 = P1 + 0.25 x (P1/100)x(h/100) (psi)

Total overburden pressure P = 0.433xhxSb = 0.433xh[(1-)Sm + xSf)] (psi)

– h is ft, Sb, Sm,Sf are bulk, matrix, & the fluid specific gravity

56

Ecuaciones Principales de PresiónPara líquidos P = 0.433xhxS = 0.052xhxG (psi)

– h está en pies, S = gravedad específica, G está en lbm/gal

Para gases P2 = P1xe(0.01875xGxh/ZavgxTavg) (psi)

– G es la gravedad del gas, h está en pies, Tavg está en oR

La ecuación aplicada como regla general para gases es:

P2 = P1 + 0.25 x (P1/100)x(h/100) (psi)

Presión de cubertura Total P = 0.433xhxSb = 0.433xh[(1-)Sm + xSf)] (psi)

– h está en pies, Sb, Sm,Sf representan a la gravedad de carga, de matriz, y específica de fluidos

57

Example 1A protective string of casing was set and cemented at the depth of 3,000 ft. A blowout preventer was mounted on top of the casing to seal the annular space between the casing and the drill pipe. The drilling fluid at this time weighs 9.2 lbm/gal (ppg). Assuming that the formation can only hold 70% of the theoretical overburden pressure, how much pressure can be held against the well by the blowout preventer?

Solution:Assumed bottomhole breakdown pressure at 3,000 ft

= (0.70)(1 psi/ft)(3,000 ft) = 2,100 psiHydrostatic mud pressure

= (0.052)(9.2 lbm/gal)(3,000 ft) = 1,435 psiPressure that can be held by blowout preventer

= 2,100 psi - 1,435 psi = 665 psi.

58

Ejemplo 1Se colocó y encementó una sarta protectora de revestimiento a una profundidad de 3.000 pies. Se colocó un preventor de reventones encima del revestimiento para sellar el espacio anular entre el revestimiento y la tubería de perforación. En ese momento el fluido de perforación pesaba 9.2 lbm/gal (ppg). Si se asume que la formación solamente podrá sostener 70% de la presión de cubertura teórica, ¿cuánta presión puede soportar el preventor de reventones contra el pozo?

Solución:Presión asumida de rotura de fondo de pozo a 3.000 pies

= (0.70)(1 psi/pie)(3.000 pies) = 2.100 psiPresión hidrostática de lodo

= (0.052)(9.2 lbm/gal)(3.000 pies) = 1.435 psiPresión que puede soportar el preventor de reventones

= 2.100 psi – 1.435 psi = 665 psi.

59

Example 2 A formation is to be hydraulically fractured at the depth of 9,000

ft. The fracturing fluid has a specific gravity of 0.85. If the formation breaks down at 80% of the theoretical overburden pressure, what pump pressure will be required for the breakdown?

SolutionExpected formation breakdown pressure

= (0.80)(1 psi/ft)(9,000 ft) = 7,200 psiHydrostatic pressure of the fracturing fluid

= (0.433 psi/ft) (0.85) (9,000 ft) = 3,312 psi Required pump pressure = expected formation breakdown

pressure - hydrostatic pressure= 7,200 psi - 3,312 psi = 3,888 psi

60

Ejemplo 2Se fracturará hidráulicamente una formación a una profundidad de 9.000 pies. El fluido de fracturación tiene una gravedad específica de 0.85. Si la formación se rompe a un 80% de la presión de cubertura teórica, ¿qué presión de bomba se requerirá para efectuar la rotura?

Solución:Presión esperada de rotura de formación

= (0.80)(1 psi/pie)(9.000 pies) = 7.200 psiPresión hidrostática del fluido de fracturación

= (0.433 psi/pie) (0.85) (9.000 pies) = 3.312 psi Presión requerida de bomba = presión esperada de rotura de

formación – presión hidrostática= 7.200 psi - 3.312 psi = 3.888 psi

61

Example 3 A formation has a pressure of 3720 psi at 8,000-ft. The

operator desires to have a safety allowance of 600 psi opposite the formation. What is the required density of the drilling mud?

Solution:Rearranging the Equation P = 0.052 x G x hwe have,G = P/(0.052 x h) (lbm/gal)P = formation pressure + the safety allowance

= 3720 + 600 = 4320 psiG = 4320/(0.052 x 8,000) = 10.4 lbm/gal

62

Ejemplo 3 Una formación tiene una presión de 3720 psi a 8.000-

pies. El operador desea tener un margen de seguridad de 600 psi en el lado opuesto a la formación. ¿Cuál es la densidad requerida del lodo de perforación?

Solución:Al modificar la ecuación P = 0.052 x G x hobtenemos:G = P/(0.052 x h) (lbm/gal)P = presión de la formación + margen de seguridad

= 3720 + 600 = 4320 psiG = 4320/(0.052 x 8,000) = 10.4 lbm/gal