Tecnologías de monitoreo remoto para pozos de gas no convencionales

Introducción

Los pozos de gas no convencionales son depósitos donde las fases de petróleo y gas están adheridas estrechamente a la matriz rocosa debido a fuerzas capilares significativas, lo que requiere enfoques especializados para su evaluación, exploración y explotación. En el contexto del gas natural, se considera pozo no convencional el que se encuentra atrapado en formaciones rocosas de baja permeabilidad o en estructuras cristalinas poco comunes, lo que dificulta su extracción mediante métodos convencionales. 

La explotación de este tipo de gas requiere tecnologías de perforación y estimulación específicas, lo que implica costos adicionales y una fuerte dependencia de los precios del gas en el mercado.

Pozos de perforación convencional y no convencional

El petróleo y el gas se generan naturalmente a profundidades de alrededor de 4 o 5 km bajo la superficie terrestre. Debido a su menor densidad que el agua saturada en las rocas por debajo del nivel freático, estas sustancias tienden a migrar hacia la superficie a través de vías acuíferas por efecto de flotabilidad.

Yacimientos convencionales: En estos pozos los hidrocarburos se forman en una roca madre compuesta por material orgánico y sedimentado durante períodos largos, una parte del petróleo y el gas puede escapar a la superficie de forma natural, ya sea en tierra o en fondos marinos, mientras que el resto queda atrapado bajo tierra debido a barreras geológicas, acumulándose en rocas porosas, desplazando el agua y formando yacimientos convencionales si la permeabilidad lo permite.

Con el tiempo, la presión y temperatura transforman la materia orgánica en hidrocarburos, que luego migran a través de formaciones geológicas hasta encontrar una roca impermeable llamada sello. Si hay condiciones que evitan la fuga, se forma una trampa geológica, con el petróleo, gas y agua alojados en una roca reservorio con buena permeabilidad y porosidad para su explotación comercial con técnicas convencionales (figura 1, a).

Los pozos No Convencionales: En los reservorios no convencionales, el hidrocarburo se forma de manera similar a los convencionales, pero la diferencia es que en los no convencionales, el hidrocarburo generalmente permanece en la misma roca donde se formó, que actúa como generadora y reservorio debido a su baja permeabilidad. Esta baja permeabilidad impide la migración primaria del hidrocarburo a través de la roca, relacionada con la capacidad del fluido para moverse en el reservorio, (figura1, b).

En los yacimientos de gas convencionales, la extracción se facilita mediante la presión natural que impulsa al petróleo y al gas hacia la superficie a través de pozos perforados. Sin embargo, en los yacimientos de gas no convencionales, se requieren técnicas avanzadas de estimulación, como la fracturación hidráulica, para liberar el petróleo y el gas atrapados en la matriz rocosa.

Los yacimientos de gas, tienden a tener menor porosidad y permeabilidad, pero mayor presión y compresibilidad, lo que significa que el gas puede expandirse y contraerse más con los cambios de temperatura y presión. Estas diferencias afectan los objetivos, riesgos y desafíos de perforación, así como la selección de la ubicación, trayectoria y profundidad óptimas del pozo.

Categorías de diferentes tipos de gases no convencionales del petróleo.

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), el gas no convencional abarca diversas categorías, cada una con características particulares¹:

1. Gas de rocas compactas (“tight gas”): Se refiere al gas natural atrapado en rocas sedimentarias, como areniscas y calizas, con muy baja permeabilidad (generalmente inferior a 0,1 milidarcys) y baja porosidad. Este tipo de gas no puede ser extraído de manera rentable mediante pozos verticales convencionales. 
2. Gas de lutitas (“shale gas”): Este gas está contenido en rocas sedimentarias de grano fino, principalmente arcillas o limos, conocidas como lutitas. Estas rocas tienen una permeabilidad y porosidad muy bajas, lo que dificulta su extracción comercial. Se consideran roca madre de hidrocarburos, generando gas después de un proceso de maduración térmica adecuado. 
3. Metano de capas de carbón (“coal-bed methane” o CBM): Este tipo de gas está adsorbido en capas de carbón, siendo inaccesible mediante la minería convencional debido a la profundidad o calidad de las reservas de carbón. 
4. Hidratos de metano o hidratos de gas (“gas hydrates”): Estas substancias sólidas naturales, con apariencia similar a la nieve helada, consisten en una estructura cristalina de moléculas de agua que atrapan moléculas de hidrocarburos gaseosos, principalmente metano. 

Tecnologías de monitoreo remoto en pozos de gas no convencionales

Hoy en día, se utilizan diferentes tecnologías de monitoreo remoto de yacimientos de gas no convencionales con el propósito de mejorar la eficiencia operativa y garantizar la seguridad de las instalaciones. La explotación de pozos no convencionales, donde los hidrocarburos están atrapados en formaciones rocosas poco permeables a grandes profundidades y altas temperaturas, requiere tecnología confiable.

En este contexto, la perspectiva de la tecnología de automatización en el campo está progresando rápidamente gracias al desarrollo de sensores más avanzados para la detección de diversas mediciones. Además, existe un nuevo conjunto de datos vinculados a todos los equipos “inteligentes” (bombas, válvulas, motores, etc.) que están equipados con sensores integrados para recopilar información sobre su rendimiento y estado.

Las soluciones de medición son ideales para adquirir mediciones críticas en tiempo real durante la perforación y en entornos de exploración. A continuación se mencionan algunas de las tecnologías más avanzadas.

1. Sistemas automatizados de perforación: Uno de los avances más importantes en la tecnología de perforación es el desarrollo de sistemas automatizados. Estos sistemas emplean algoritmos y datos en tiempo real para optimizar los parámetros de perforación, como el peso de la broca, la velocidad de rotación y el caudal de lodo. El ajuste continuo de estos parámetros, mediante estos sitemas se logra mejorar el rendimiento de la perforación al reducir el tiempo necesario, minimizar las vibraciones y mejorar la calidad del pozo.
2. Tecnologías para la cementación de pozos en aguas profundas: Permiten el monitoreo y control desde la superficie, garantizando una correcta operatividad de los pozos.
3. Sensores de fondo de pozo y herramientas de medición durante la perforación (MWD): Permiten obtener datos en tiempo real sobre parámetros como temperatura, presión, torque y vibración, con el fin de mejorar la eficiencia y reducir el desgaste del equipo.
4. Brocas y fluidos de perforación avanzados: Las innovaciones en el diseño de brocas, como las de PDC (Policristalino de Diamante Compacto) y de matriz, ofrecen mayor eficiencia y durabilidad, mayores tasas de penetración y mejor capacidad de dirección, lo que acelera la perforación con precisión. Los fluidos de perforación de base sintética también mejoran la estabilidad del pozo y la eliminación de recortes, reduciendo los riesgos y optimizando el rendimiento general de la operación.
5. Sistemas de terminación inteligente: Integración de tecnologías de control y monitoreo remoto, como válvulas de seguridad controladas desde la superficie, para optimizar la producción y validar los modelos del yacimiento. A continuación se presentan algunos ejemplos de estas tecnologías.

Ejemplos de tecnologías más avanzadas en la industria de perforación

Sistema de monitoreo de fibra optica

Tecnologías de monitoreo remoto por fibra óptica², ofrece una solución innovadora y permanente para obtener datos continuos de presión y temperatura en tiempo real en diversas aplicaciones de yacimientos (Figura 2). Este sistema permite monitorear múltiples puntos en el fondo del pozo, vertical u horizontal, independientemente del tamaño del revestimiento.

Los cables de fibra óptica utilizados son adecuados para cualquier entorno de fondo de pozo, con protección adicional para garantizar su integridad. Esta tecnología emplean una variedad de sistemas de adquisición de datos en la superficie, tanto temporales como permanentes, para proporcionar datos en tiempo real, permitiendo una supervisión efectiva y precisa de los yacimientos, facilitando la toma de decisiones informadas y estratégicas para optimizar la producción y la eficiencia operativa.

Tecnologías de perforación con sistemas de terminación

El éxito en las perforaciones de pozos no convencionales ha sido impulsado por innovaciones y tecnologías que mejoran el proceso. Herramientas como sensores de fondo, mandriles y válvulas de seguridad controladas desde la superficie han permitido el desarrollo de pozos inteligentes en la industria de hidrocarburos³. Estos avances en tecnologías de monitoreo remoto facilitan el control en tiempo real de las zonas de producción sin necesidad de intervención física, lo que representa una evolución significativa en la eficiencia y seguridad de las operaciones petroleras.

Para obtener más información, te invitamos a ver el siguiente video donde se muestran las tecnologías innovadoras en la perforación de pozos de gas no convencionales, de la empresa Weatherford, la cual recientemente lanzó el sistema rotativo direccional RSS.

Las terminaciones inteligentes recolectan y procesan una gran cantidad de datos provenientes de varios nodos ubicados dentro del pozo e instalación de superficie, a través de la incorporación de sensores y válvulas de control de flujo de fondo, controlados en superficie, permitiendo el monitoreo, evaluación y el manejo activo, de la producción o inyección, en tiempo real y en un ciclo continuo, lo cual facilita el proceso de optimización de la producción.

La información es transmitida hacia la superficie mediante un monitor local o remoto digital instalado en la plataforma del pozo, demostrando notables mejorías en la producción. El sistema tiene tres aplicaciones: control vertical; control horizontal y tangenciales. La adopción de técnicas avanzadas y tecnologías de monitoreo remoto de perforación requiere que las empresas cuenten con personal capacitado para prevenir accidentes y fallas en los equipos.

Digitalización en la extracción de petróleo (Inteligencia Artificial (IA)y el IIoT)

Actualmente, la integración de la digitalización a las tecnologías de monitoreo remoto representan soluciones integrales para abordar los problemas actuales de automatización en la perforación de pozos.

La aplicación de la Inteligencia Artificial (IA) está transformando radicalmente la industria petrolera. la integración de esta tecnología permite que la extracción de petróleo sea más eficiente, segura y rentable. Gracias a sus capacidades avanzadas en análisis de datos y mantenimiento predictivo, la IA puede prever fallas en equipos, optimizar las operaciones de perforación y mejorar la toma de decisiones estratégicas. Los algoritmos de aprendizaje automático pueden analizar datos sísmicos con precisión, identificando sitios de perforación potenciales con mayor exactitud, lo que minimiza el riesgo financiero y reduce el impacto ambiental asociado con la exploración petrolera.

La Internet de las cosas (IoT) permite el monitoreo remoto y en tiempo real de las operaciones de extracción; sin embargo, para la aplicación es necesario que los propietarios y operadores están adoptando arquitecturas empresariales habilitadas para IIoT, permitiendo que los datos fluyan de manera segura desde sensores y equipos de campo conectados, obviando las tradicionales redes de control de procesos, lo cual, asegura la seguridad y precisión de los datos críticos, mientras que facilita su acceso para la gestión de activos, control de inventario y otros sistemas empresariales. Las implementaciones en aplicaciones de petróleo y gas en tierra se enfocan en áreas como el estado de equipos, monitoreo de corrosión y gestión de productos químicos de producción.

Objetivos del monitoreo remoto de pozos de gas no convencionales

El monitoreo remoto de pozos de gas no convencionales tiene como principales objetivos:

1. Optimización de la producción y validación de los modelos del yacimiento:
   • Utilización de sistemas de terminación inteligente que integran tecnologías de control y monitoreo remoto para optimizar la producción.
   • Monitoreo en tiempo real de las condiciones del pozo para validar y ajustar los modelos del yacimiento de manera eficiente.
2. Prevención de problemas y preservación de la integridad de los pozos:
   • Empleo de sensores de fondo de pozo, como cables ópticos y dispositivos de acoplamiento inductivo, para monitorizar en tiempo real parámetros críticos como presión y temperatura.
   • Implementación de sistemas de detección y localización de fugas en tiempo real para prevenir problemas y garantizar la integridad de los pozos.
   • Monitoreo remoto de rectificadores y estaciones de protección catódica para evitar la corrosión en las instalaciones.
3. Optimización de las operaciones y reducción de costos:
   • Control remoto de operaciones como la cementación de pozos para optimizar los procesos y disminuir costos.
   • Integración de sistemas de monitoreo y control en un “cerebro digital” centralizado, como el utilizado por YPF en Vaca Muerta, para mejorar la eficiencia operativa.

El avance reciente en tecnologías, más eficientes y seguras, destinadas a la exploración y explotación de depósitos de gas no convencionales, se enfoca en diversas áreas clave:

1. Mejora de la recuperación de recursos: Se están llevando a cabo proyectos para desarrollar tecnologías que mejoren la caracterización y la eficiencia de recuperación de estos depósitos. Esto incluye el desarrollo de fluidos de fracturación hidráulica con viscosímetros avanzados capaces de soportar condiciones extremas de temperatura, presión y salinidad. Además, se investigan sistemas de monitoreo de presión en el fondo del pozo para un monitoreo remoto en tiempo real, lo que puede optimizar la estimulación y la producción.
2. Avance en la comprensión de los depósitos no convencionales: Los esfuerzos se centran en mejorar la comprensión de estos depósitos mediante tecnologías como la detección sísmica y electromagnética distribuida. 
3. Aprovechamiento de recursos existentes: Algunos proyectos exploran el uso de líquidos de gas natural como fluidos de fracturación, lo que podría aumentar la producción de manera más rentable en los reservorios no convencionales.

Importancia de las tecnologías avanzadas utilizadas en la exploración y explotación de gas no convencional

A continuación se dialogará sobre la importancia de las tecnologías avanzadas en la perforación de pozos de gas no convencionales:

En los últimos años, la industria petrolera y gas ha presenciado un cambio significativo hacia la exploración y explotación de reservorios de gas no convencionales. Los pozos de gas no convencionales, que incluyen formaciones de gas de esquisto y gas atrapado en formaciones rocosas compactas, requieren enfoques innovadores y tecnologías avanzadas para una exploración y producción eficientes.

Un aspecto clave que impulsa el éxito en el desarrollo de recursos de gas no convencionales es la utilización de tecnologías de monitoreo remoto. Estas tecnologías desempeñan un papel crucial en la optimización de las operaciones de perforación, mejorando la seguridad y reduciendo los costos operativos asociados con el desarrollo de pozos no convencionales.

La exploración y explotación de reservorios de gas no convencionales presentan desafíos únicos en comparación con los reservorios convencionales. Estos reservorios suelen tener baja permeabilidad y requieren técnicas de perforación especializadas para extraer el gas atrapado en formaciones rocosas compactas. Los métodos de perforación tradicionales a menudo enfrentan dificultades para lograr viabilidad económica en estos entornos desafiantes.

Sin embargo, con el advenimiento de tecnologías avanzadas de monitoreo, como análisis de datos en tiempo real, sistemas de perforación automatizados y herramientas de detección remota, la industria ha experimentado un cambio de paradigma. Estas tecnologías permiten a los operadores monitorear parámetros de perforación y el rendimiento del pozo de manera remota, lo que permite ajustes precisos y optimización operativa sin la presencia constante en el sitio.

Las tecnologías de monitoreo remoto proporcionan vigilancia continua de los procesos de perforación, la integridad del pozo y el comportamiento del reservorio. Esta capacidad mejora la seguridad al identificar rápidamente posibles problemas y mitigar riesgos asociados con operaciones de perforación complejas en campos de gas no convencionales.

La búsqueda de nuevas tecnologías ha impulsado avances significativos en la investigación. Actualmente, instituciones como la Texas A&M University están desarrollando nuevos viscosificadores denominados “complejos binarios dinámicos“, diseñados para mejorar las viscosidades en fluidos de fractura hidráulica, incluso bajo condiciones extremas de temperatura, presión y salinidad⁴. Este avance aumentaría la productividad en la industria de los hidrocarburos, especialmente en la perforación de pozos no convencionales.

Las tecnologías avanzadas contribuyen a una mejor caracterización del reservorio, lo que permite una toma de decisiones más informada durante las fases de exploración y producción. El análisis de datos mejoradosayuda a identificar ubicaciones óptimas de perforación dentro de los reservorios no convencionales, lo que conduce a tasas de éxito más altas y menores costos de exploración.

La adopción de tecnologías avanzadas en la perforación de pozos de gas no convencionales es crucial para el éxito de las operaciones modernas de petróleo y gas. Las tecnologías de monitoreo remoto ofrecen ventajas significativas en términos de eficiencia operativa, seguridad y rentabilidad, apoyando así el desarrollo sostenible de los recursos de gas no convencionales en el panorama energético actual.

Conclusiones

Las tecnologías de monitoreo remoto aplicadas a los pozos de gas no convencionales están diseñadas para optimizar la producción, prevenir problemas, mantener la integridad de los pozos y reducir costos mediante una gestión operativa más eficiente. Este enfoque contribuye directamente al éxito de las operaciones en yacimientos no convencionales.

El desarrollo continuo de tecnologías avanzadas tiene como objetivo principal maximizar la producción de energía a partir de recursos no convencionales de petróleo y gas. Al mismo tiempo, estas innovaciones buscan mejorar la seguridad y minimizar el impacto ambiental de las operaciones, especialmente en el contexto de las refinerías de petróleo.

Referencias

1. Mariano Marzo; “Gas no convencional: Recursos, previsiones de producción e impacto geopolítico de su desarrollo”; Fusean (Fundación para la Sostenibilidad Energética y Ambiental), 2014.; Universitat de Barcelona.
2. Morken Group; “Instrumentación y monitoreo de pozos en tiempo real”.
3. World Energy Trade; ” Perforación inteligente: ya es posible aumentar la productividad de los pozos hasta un 30%”; Investigación, desarrollo y Innovacion.
4. Bhat, Bhargavi Sripathi (2020). pH-SWITCHABLE DYNAMIC BINARY COMPLEXES AS VISCOSITY MODIFYING AGENTS. Master’s thesis, Texas A&M University. Available electronically from https : / /hdl .handle .net /1969 .1 /192951.