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A successful Gravel Packing technique in vertical and deviated Wells with enlarged open hole in cased completions. A case Study - Rubiales and Quifa fields.

ALBERTO FLOREZ ANAYA, MARIA ANGELICA OSORIO, WILSON PARRA AND YSIDRO ARAUJO Pacific Rubiales Energy

This paper has been selected for presentation and/or publication in the proceedings for the 2014 Heavy Oil Latin America Conference & Exhibition [HOLA14]. The authors of this material have been cleared by all interested companies/employers/clients to authorize dmg:events (Canada) inc., the congress producer, to make this material available to the attendees of HOLA14 and other relevant industry personnel.

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ABSTRACTThe purpose of this paper is to report the result of gravel packing technique in vertical and deviated wells in Colombias major oilfields Rubiales and Quifa, a heavy oil reservoirs (API 11.3 and 14.4) with unconsolidated sandstone and strong active aquifer. On March 31, 2013, the oil production rate was 209.5 thousand Bopd, of which 19.5 thousand BOPD (9.3%) come from 189 vertical and deviated wells with the successful gravel packing technique.The successful gravel packing technique consists on running first an standard cemented 7 inches casing and then cut the casing in the production zone and enlarge the open hole section from 8.5 inches to 13 or 16 inches diameter to remove cement bond overpassing the wash out. Finally, the enlarged open hole section is gravel packed with mesh 20-40. The completion technology purpose is to increase the well productivity, isolating high water saturation intervals on top and bottom of the oil zone and reduce the skin damage. Before 2008, 36 wells were completed with conventional cased hole gravel packing. Most of these wells were damaged having to be frequently stimulated with organic treatment. 24 of these wells have been re-completed using gravel packing technique. The results show an increase in the productivity index from 2 to 5 times compared with conventional completion and also it shows a maximum increase in total fluid rate from 600 Bfpd to 3000 Bfpd.Finally, some example are presented comparing gravel packing using this technique methodology and cased hole completion. Operation procedures, advantages, limitations andproduction results are presented in individual well performance comparisons. The successful application of this technology has contributed in Rubiales and Quifa fields development and it has been extended to others analogues fields. INTRODUCTION Los Campos Rubiales y Quifa estn localizados a 465 Km al Este de Bogot, Colombia, Sur Amrica (Appendix A). Estos dos campos hacen parte del mismo Yacimiento, el lmite es slo contractual. El campo Rubiales fue descubierto en 1980 e inicio the full production development en 2006; el Campo Quifa fue descubierto y desarrollado en 2008.Ambos campos abarcan 102,131 hectreas de un yacimiento de crudo pesado de 12.5 API, alta viscosidad entre 310 cP y 730 cP a 147F con arenas no consolidadas, cuyo mecanismo de empuje principal es un acufero activo. El Campo inicio su pleno desarrollo a partir del ao 2006. Hasta esta fecha el desarrollo del Campo se haba llevado a cabo con pozos verticales que venan siendo completados con cased hole gravel packing. Este tipo de completamiento ha sido usado para controlar la produccin de arena, teniendo en cuenta que la formacin productora de las areniscas Basales es friable.

A diciembre de 2007 se han perforado 30 pozos verticales completados con cased hole gravel packing los cuales presentaron problemas de baja productividad y dao de formacin. El dao de formacin se ocasionaba principalmente por precipitacin de asfltenos y formacin de emulsiones. Trabajos de estimulacin con solventes orgnicos fueron diseados para reparar el dao de formacin. Los resultados de los tratamientos orgnicos aunque fueron exitosos, mucho de ellos fueron temporales, teniendo que repetirse antes de 6 meses.

Con el propsito de incrementar la productividad y reducir los daos de formacin se cambi el completamiento de los pozos, en vez de caonear, se cort el revestimiento y se ensancho el espesor productor con el posterior empaquetamiento. De acuerdo a lo anterior se escogi un pozo vertical caoneado inicialmente con el fin de realizar una prueba piloto para evaluar el resultado de la tcnica y extenderla a pozos nuevos y a pozos ya completados con caoneo pero candidatos potenciales a ser ensanchados.

De acuerdo a los resultados obtenidos con la prueba piloto y las grandes ventajas visualizadas, en 2008 se inici una campaa para intervenir los pozos completados inicialmente con caoneo con el fin de completarlos mediante the Gravel Packing Technique with enlarged open hole in cased completions; as mismo la exitosa tcnica se extiende a pozos nuevos. Los resultados obtenidos, las ventajas encontradas, los daos mitigados, la tcnica utilizada y las lecciones aprendidas en la curva de aprendizaje estn descritos a continuacin.

GEOLOGY CHARACTERISTICSThe stratigraphic sequence in the Rubiales Field consists of rocks ranging from Paleozoic to Tertiary (Carbonera, Leon Shale, Guava and Necessity), separated by regional unconformities (see Figure 1-a). The deposition system of braided rivers is composed of mainly sands with lateral deposition bodies that are commonly interbedded with fine overbank sediments. The structure of the Rubiales Field consists of a monocline with a dip below 4 in the direction N50W. The Areniscas Basales Unit is the producing reservoir in the Rubiales Field (see Figure 1-b). This unit consists of quartz-arenites and sub-arc sandstones that are light gray, fine-grained to coarse and friable, with porosities ranging from 25% to 32% and permeabilities between 5 and 13 Darcy. The formation thickness varies from 130 to 200 feet. The bottom contact is discordant with the Paleozoic and gradually moves toward the ceiling with the Carbonera Intermediate Unit.RESERVOIR AND FLUIDS CHARACTERISTICSThe Rubiales Field occupies an area of 56,000 hectares, with 20 to 80 feet of oil sand thickness (Figura 2.). The Areniscas Basales Unit depth is between 2,400 feet and 3,000 feet TVD. The production mechanism is a strong artesian aquifer with an oil-water contact tilted in the north-west direction. The reservoir pressure is typically normal, with 1170 psi at 2700 feet TVD. The reservoir oil is heavy type (11.3 to 14.4 API), has a low GOR (5 to 8 SCF/STB) and has a high viscosity (310-730 cP at 147F). PROBLEM DESCRIPTIONDurante el inicio del desarrollo del Campo Rubiales, Los pozos verticales fueron completados hasta antes del 2005 con cased hole gravel packing con el fin de controlar la produccin de arena. Este completamiento se llev inicialmente a cabo en 30 pozos. Los pozos fueron caoneados con cargas big hole a 21 tiros por pie. Con esta tcnica de caoneo y empaquetamiento con grava se han encontrado varios problemas, los cuales se mencionan a continuacin: Bloqueo por emulsin en la zona de inters causado por altas velocidades del fluido. Bajo ndice de productividad debido a que el rea abierta en la seccin caoneada no supera el 3% del rea petrolfera al flujo. El empaquetamiento con grava se efecta solo en los orificios caoneados, causando restriccin con disminucin en la productividad de hasta un 60% aproximadamente. La presencia de altos wash outs, requiere de doble caoneo, big hole y alta penetracin para sobrepasar el cemento alrededor del casing. Varios pozos han tenido que ser recompletados, para contactar la formacin con el caoneo. Dao de formacin con depsitos orgnicos causados por precipitacin de asfltenos, los cuales son generados por la alta cada de presin en los pozos verticales. Para reparar este dao, se han realizado tratamientos orgnicos, los cuales presentan un efecto no mayor a 6 meses, periodo en el cual debe repetirse el tratamiento. FORMATION DAMAGEEn el Campo Rubiales, fuera del dao generado por el tipo de completamiento en los pozos, bloqueo por emulsiones y migracin de finos tambin se tiene dao por precipitacin de asfaltenos. El anlisis Sara de muestras de petrleo de varios pozos tomados en superficie indica la presencia de asfaltenos entre el 21% y el 44%.Al hallar el ndice de inestabilidad coloidal para 20 pozos del Campo, en el cual se tienen en cuenta los componentes saturados (parafinas), aromticos, resinas y asfaltenos, se encontr que este ndice es mayor a 0.9 en 16 pozos de los 20 pozos; lo que indica una condicin inestable en el sistema cuando hay cambio principalmente de presin con precipitacin de asfltenos. (Ver Figura 3.). Esta condicin se da cuando hay un incremento en las parafinas, permitiendo que una parte de los asfltenos forme coloides, separndose de la fase de petrleo en forma de agregados mientras que la otra parte permanece suspendida, estabilizada por agentes peptizantes como las resinas que se adsorben y evitan la agregacin.Por lo anterior mencionado, es necesario mitigar este dao fsico-qumico mediante el uso de tratamientos orgnicos limpiando la cara de formacin permitiendo la conectividad con la misma.

Figura 3 (Colloidal Instability Index)ORGANIC TREATMENTSDebido a las desventajas encontradas en el completamiento open hole gravel packing, el cual afecta el ndice de productividad causado por el dao generado con esta tcnica y adicional a esto, la precipitacin de asfltenos; se usa como mtodo de remediacin temporal, la inyeccin de un tratamiento orgnico; este tratamiento es la mezcla de 54.5% de Diesel, 40% de Xileno, 5% de Solvente mutual y 0.5% de Surfactante. En Campo Rubiales, a diciembre de 2013 se haba completado 162pozos verticales y desviados con ventana, mientras que 55solo con completamiento convencional (14fueron convertidos con ventana). De los 55 pozos que fueron completados de manera convencional, 20 pozos han sido remediados con tratamiento orgnico entre 2 y 5 veces en su historia de produccin; quintuplicando inicialmente la productividad del pozo (Ver Tabla 1, ndice de productividad en pozos con tratamiento orgnico) pero de manera temporal, declinando en aproximadamente 6 meses. Tabla 1 (Productivity index in Wells with organic treatment).

PRODUCTIVITY INDEX (PI)Con el fin de medir la eficiencia del aporte de fluidos en los pozos caoneados y el efecto del dao de formacin en los mismos, se hizo un anlisis de los datos del ndice de productividad (Bfpd/Psi). En la Figura 4, se observa el comportamiento del ndice de productividad de los 52 pozos caoneados en el Campo encontrando una poblacin de ms del 80% con un ndice de productividad 3.5 Bfpd/Psi.

Figura 4 (PI, Wells with conventional gravel packing)GRAVEL PACKING TECHNIQUE WITH ENLARGED OPEN HOLE IN CASED HOLE COMPLETIONSCon base en la experiencia adquirida en el completamiento con grava en cased hole, se inicia la evaluacin de la implementacin de la tcnica de apertura de ventana y ensanchamiento del hueco abierto a 13 pulgadas en pozos verticales y desviados.La tcnica consiste en: Correr Casing de 7 inches hasta 30 pies por encima del fondo del pozo. Realizar trabajo de cementacin. Correr registros de evaluacin de calidad de cemento. Armar y bajar sarta de completamiento con Section Mill (Herramienta para realizar corte de casing) Correlacionar y posicionar cuchillas del Section Mill a la profundidad del tope de la ventana a abrir. Realizar corte de casing de 7 inches para abrir ventana. Armar y bajar ensanchador hasta tope de ventana, abrir brazos de la herramienta y realizar la ampliacin de la ventana a 13 inches o a 16 inches segn programa. Armar y bajar sarta de Gravel Pack dejando las mallas al frente del intervalo abierto y realizar empaquetamiento con grava segn programa. Bajar equipo de levantamiento artificial. Iniciar pozo en produccin.Teniendo en cuenta lo anterior y las condiciones del yacimiento, en este caso estudio se pueden encontrar las siguientes ventajas: Remocin del dao de formacin generado por fluidos de perforacin, principalmente carbonato de calcio. Reduccin en la precipitacin de asfaltenos, ya que al haber ms rea de flujo, la cada de presin durante la produccin disminuye; el rea de flujo corresponde al 100% el rea expuesta. Reduccin del nmero de tratamientos orgnicos por pozo, cada tratamiento orgnico representa un costo de MUSD $120. Comparando con la tcnica conocida como open hole gravel packing, este tipo de completamiento permite abrir selectivamente una o dos arenas, haciendo uso efectivo de sellos litolgicos, los cuales permiten retrasar la entrada del agua, en conjunto con un buen aislamiento mecnico con casing-cemento.RESULTS ANALYSISCon el fin de verificar la eficiencia de este tipo de completamiento para las condiciones de yacimiento y cumpliendo con los requerimientos del nueco completamiento, se realiz una prueba piloto, seleccionando un pozo caoneado candidato a ser ensanchado (RB-041), el cual inicialmente haba sido completado con Cased hole gravel packing. Este pozo antes de ser intervenido, se estimul con 5 tratamientos orgnicos para restablecer su productividad, pero al cabo de 6 meses se restableca el dao.En la Figura 5, se observa el aumento del ndice de productividad de 1.5 Bfpd/Psi a 20 Bfpd/Psi en el pozo RB-41 una vez se intervino con el nuevo completamiento. Adems del incremento en productividad, se obtuvo una mejora adicional en rentabilidad, ya que el dao de formacin no se volvi a presentar, disminuyendo a cero el nmero de tratamientos orgnicos.

Figura 5 (Production History, RB-41)Teniendo en cuenta los resultados anteriores, en el ao 2008, se realiz una campaa de implementacin del nuevo completamiento, inicialmente en los pozos caoneados donde se tena un IP promedio de 3.5 Bfpd/Psi. (Ver Figura 4).La Figura 6 muestra el comportamiento del ndice de productividad a lo largo de la historia de produccin por pozo convertido con el nuevo completamiento, observando el incremento del ndice de productividad en casi 5 veces.Adicionalmente, con el fin de comparar los IP de los pozos se normalizo el ndice de productividad dividindolo entre el nmero de pies que estn en produccin antes y despus de convertir los pozos, con el fin de comparar realmente el aporte del pozo por cada pie abierto; encontrando que se cumple la relacin de incremento del ndice de productividad en 5 veces promedio (Ver Figura 7). Con el fin de cuantificar el incremental de produccin usando la nueva tcnica, se realizaron ejercicios de declinaciones, encontrando un aumento en el factor de recobro de xx a xx.

Figura 6 (Productivity Index History)

Figura 7 (Converted wells, Comparison between PI's)Teniendo en cuenta los resultados positivos en los pozos convertidos con el nuevo completamiento, se extiende la metodologa desarrollada en este caso estudio a pozos nuevos del Campo.Con la nueva metodologa, se han completado 162 pozos a Noviembre de 2013, encontrando que el 90% de los pozos tienen un ndice de productividad promedio de 23 Bfpd/Psi (Ver Figura 8).

Figura 8 (IP's Pozos Ensanchados)Adicional al aumento de la productividad de los pozos, se ha observado una reduccin sustancial de la frecuencia de intervencin de los mismos por tratamientos orgnicos de 5 a 1 teniendo un impacto positivo en la reduccin de costos.LESSONS LEARNEDDurante la implementacin del nuevo completamiento, se han tenido las siguientes lecciones que han hecho parte de la curva de aprendizaje necesaria para el xito de la aplicacin estudiada:Afectacin en la integridad del cemento: Debido al torque extra que es aplicado al casing y cemento en la operacin de ensanchamiento, se puede tener una afectacin en la integridad de los mismos de hasta 5 pies por encima y por debajo del intervalo ampliado. Sin embargo, no es la regla para todos los trabajos y se deben aplicar los parmetros de perforacin apropiados para evitar en lo mximo esta afectacin. En la figura se observa que hay un dao de cemento de +/- 3 pies por encima y por debajo del tope y la base de la ventana. Restriccin de longitud de ventana para pozos altamente desviados.CONCLUSIONTeniendo en cuenta los resultados anteriores se observa que al tener un mayor ndice de productividad, los pozos completados con ventana presentan un mayor aporte de fluidos al someterse a una cada de presin.El ndice de productividad aumenta en 5 veces con el nuevo completamiento.El completamiento con ventana se convierte en la mejor opcin, siempre y cuando el contacto agua-petrleo no se encuentre en la misma arena y sea candidato a ensanchamiento.Con el uso de la nueva tcnica se mitigan las desventajas encontradas en la tcnica de pozos con completamiento convencional tales como wash out, dao de formacin, mayor conectividad con la formacin y reduccin en tratamientos orgnicos de 5 a 1.De los 279 pozos verticales y desviados perforados a Diciembre de 2013, 162 pozos tienen completamiento con ventana y 55 pozos tiene completamiento convencional (14 pozos han sido convertidos) han sido convertidos. Los 62 pozos restantes cuentan con completamiento mixto o no tienen historia de produccin representativa por lo que no se tuvo en cuenta en el anlisis.ACKNOWLEDGMENTAgradecemos a Pacific Rubiales Energy S.A por el permiso otorgado para la publicacin de este documento; as como a todos los Ingenieros de Petrleos y Gelogos de la Vicepresidencia de Activos y Subsuelos por el apoyo tcnico suministrado durante la realizacin del documento.NOMENCLATUREBOPD=Barrels of oil per day.BFPD= Barrels of fluid per day.Km=Kilometers.cP=CentiPoise.F=Degrees Fahrenheit.TVD=True vertical depth.SCF=Standard cubic feet.STB=Stock-tank Barrel.PSI= Pounds per square inch.PI= Productivity index.MUSD=Thousands of dollars.REFERENCES*Asomaning, S., Test Methods for Determining Asphaltene Stability in Crude Oils, Petroleum Science and Technology, Vol. 21, Nos. 3 & 4, pp 581-590, 2003*Economides, M. J., Hill, D. A, y Ehlig-Economides, C. A. : Petroleum Production Systems, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ (1994) *Florez, A. and Arajo, YE. 2012. Improved Heavy Oil Recovery by drilling Horizontal Wells in Rubiales Field, Colombia. Paper SPE 153581 presented at the SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference held in Mexico City, Mexico, 16 -18 April.

APPENDIXAPPENDIX A Rubiales and Quifa fields location in Colombia