Evaluación de Frac-Hits y su impacto en Loma Campana, Cuenca Neuquina, Argentina

Por Mariana Mamaní, Amalia Rosemblat  y María Fernanda Álvarez Castillo (YPF)

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Este estudio se realizó para identificar las variables del "frac-hit" que influyen en la productividad de los pozos progenitores e hijos en Vaca Muerta, y para analizar los flujos de trabajo y evaluaciones de la Interacción Impulsada por Fractura (FDI, por sus siglas en inglés) observada en el desarrollo del proyecto Loma Campana.

 

Este trabajo fue seleccionado en el 1º lugar en el Concurso de Jóvenes Profesionales del 8° Congreso De Producción y Desarrollo De Reservas del IAPG, realizado en Noviembre 2023 en la Ciudad Autónoma de Buenos Aires.

 

Introducción

 

El bloque Loma Campana se encuentra ubicado en el engolfamiento de la Cuenca Neuquina, a 90 km al NO de la ciudad de Neuquén, con un área de 395 km2 y comparte la zona oeste con la localidad de Añelo (Fig. 1). Actualmente es una concesión de explotación No Convencional con la sociedad de YPF S.A. (50 %) y Chevron (50 %).

 

En la actualidad, el principal horizonte productivo es la Fm. Vaca Muerta como reservorio No Convencional con más de 390 pozos verticales y 285 pozos horizontales. Loma Campana constituye el principal yacimiento No Convencional de la Argentina y se encuentra en desarrollo desde el año 2011.

 

Por la configuración estratigráfica de la Fm. Vaca Muerta, se pueden reconocer al menos 5 niveles de navegación de pozos horizontales según la zona dentro del bloque, siendo “la cocina” (Intervalo T1-T2 según Vittore et al. 2016) y el “orgánico inferior” (base de T3-T4, Vittore et al. 2016) los niveles mayormente perforados con muy buenos resultados a la fecha (Fig. 2), en los cuales nos concentraremos en este trabajo. El desarrollo del campo está siendo enfocado principalmente en dos niveles estratigráficos con una separación horizontal estándar de 300 m entre pozos de un mismo nivel y 150 m con los pozos del nivel superior (Fig. 2).

 

Figura 1. Ubicación del bloque Loma Campana.

 

Figura 2. Perfil tipo de la Fm. Vaca Muerta para el área de Loma Campana y los principales niveles geológicos en desarrollo. A la derecha, se observa esquemáticamente el posicionamiento de los pozos horizontales por nivel y los distanciamientos estándares.

 

Los campos en explotación con objetivo Fm. Vaca Muerta, evolucionan desde una fase inicial de exploración/delineación con unos pocos pozos horizontales aislados, hacia una fase de desarrollo con actividad masiva de pozos horizontales, los cuales requieren exclusivamente fracturamiento hidráulico para ser producidos. Cada pozo horizontal produce y drena un volumen de acuerdo con el diseño de estimulación y reservorio contactado. En el estadio de desarrollo se observa que, al fracturar un pozo nuevo al lado de pozos existentes, este pozo nuevo se contacta con el vecino en producción. Estas interacciones generan pérdidas de productividad e ineficiencias en las fracturas de los nuevos pozos.

 

Las interacciones entre pozos son ampliamente conocidas y estudiadas en muchos yacimientos no convencionales de Estados Unidos (Rangriz y Chalaturnyk 2019; Seth 2020) sin embargo, este fenómeno está cobrando mayor importancia en los desarrollos de Vaca Muerta y particularmente en Loma Campana.

El presente trabajo intenta mostrar las particularidades de este fenómeno a través de análisis de presiones de pozos en el Play Loma Campana, caracterizando sus variables diagnósticas y presentando una propuesta de metodología de análisis. Además, se pone en relevancia su relación con el fenómeno parent-child, intentando destacar la importancia de la identificación y seguimiento de los frac-hits para contribuir con la eficiencia de desarrollo de los campos.

 

METODOLOGÍA

 

Definiciones

 

Inicialmente, para poder entender el fenómeno padre – hijo (más conocido en la bibliografía por sus términos en inglés parent-child) y las interacciones entre pozos horizontales en reservorios shale durante la etapa de fractura de pozos nuevos, se deben definir los siguientes términos: pozo padre, pozo hijo e interacciones (o frac-hits como comúnmente se conocen), y qué tipo de estas se analizaron y relacionaron para estudiar el fenómeno.

 

Pozo Hijo: es todo aquel pozo nuevo que interactúa con los pozos existentes incrementando la presión en ellos durante su etapa de fractura.

Pozo Hermano: es aquel que se ubica al lado del pozo hijo, en el PAD nuevo que se encuentra fracturando.

Pozo Padre: es un pozo existente en producción con anterioridad a la terminación del pozo hijo. La identificación de este se realizó a nivel etapa de fractura del pozo hijo y en la Tabla 1 se enumeran las consideraciones que un pozo padre debe cumplir.

 

 

Tabla 1. Consideraciones para definir al pozo padre

 

 

Figura 3. a) Vista en planta de la búsqueda del pozo padre. b) Vista perpendicular de la posición de padres de acuerdo con el nivel navegado y la clasificación en relación con el hijo

 

 

Interacciones: también conocidas como frac -hits en la bibliografía (Rangriz y Chalaturnyk 2019), se definen como los incrementos de presión medidos en boca de los pozos identificados como padres que se encuentran cerrados mientras se fracturan los pozos hijos.

 

Con el fin de analizar las interferencias se monitoreó y midió la presión de boca en los pozos padres durante la terminación de los pozos hijos, los cuales fueron cerrados con anterioridad por seguridad operativa. Otro dato importante que debe ser registrado con precisión el tiempo de ejecución de cada etapa de fractura en el pozo hijo. Se debe consolidar toda la información e identificar cuál etapa del pozo hijo provocó cada interferencia. Estos análisis interpretativos comprenden la fase más laboriosa de todo el estudio.

 

Caracterización del frac-hit

 

Como se mencionó previamente, algunas etapas fracturadas del pozo hijo interactuaran durante su terminación con el pozo padre, a esto se lo define como frac-hit, el cual se asocia a un incremento de presión cuando está cerrado. Para poder analizar esta respuesta se busca caracterizar con detalle la curva de presión de boca del pozo padre.

 

La evaluación de los frac-hits se llevó a cabo a través del análisis de un grupo de variables seleccionadas, consideradas de primer orden para el estudio. Las mismas se muestran en la Figura 4 y se describen a continuación.

 

Figura 4. Las variables que describen el frac-hit, modificada de Rangriz y Chalaturnyk (2019).

 

A continuación, se describen las variables que surgen de la caracterización de la curva de presión: Intensidad (kg/cm2/min): recta entre el punto donde comienza la perturbación de la presión y el máximo de esta curva. Representa una velocidad.

 

  • Tiempo delay (min): diferencia entre el tiempo de inicio del evento (t0) y el tiempo en el que comienza la perturbación(t1)
  • Magnitud (kg/cm2): delta de presión entre la presión al inicio del evento y la presión máxima alcanzada durante el frac-hit.
  • Otros datos asociados a cada evento de interacción:
  • Distancia entre pozo padre e hijo (m): distancia mínima medida en tres dimensiones entre las dos etapas más próximas entre padre e hijo.
  • Tipo de padre: esta variable determina las relaciones espaciales entre pozos. Indica si corresponde o no al mismo horizonte productivo del pozo hijo: lateral, stagger  o stack. En relación con la proximidad o distanciamiento, puede ser: closer o farther.

 

 

HIPÓTESIS DEL FENÓMENO FÍSICO

 

La explicación física del fenómeno de interacción entre los pozos hijos y los pozos padres, puede ejemplificarse con una curva de presión de pozo padre.

 

En la Figura 5 se representa la presión del pozo padre post-frac- hit, en celeste se grafica la presión de tratamiento de los pozos hijos y en líneas verticales entrecortadas la fecha de inicio de cada etapa ejecutada del grupo de pozos nuevos (Pad) que se está fracturando.

 

Se identificaron 3 etapas con diferente comportamiento de presión cuando el pozo padre ha sido cerrado por seguridad, previo a la fractura de los pozos hijos:

 

  • Etapa 1: recupero de presión mientras ninguna etapa impacta en el padre, realizando un build up.
  • Etapa 2: la presión del pozo padre comienza a incrementar más rápidamente que su recupero esperado o build up normal. En este periodo se entiende que se produce “el llenado del pozo padre” hasta alcanzar una presión máxima.
  • Etapa 3: la presión del padre se estabiliza en un máximo de presión, alcanzando el estrés mínimo de la roca, por lo que cada incremento de presión se disipa rápidamente.

 

Figura 5. Curva de presión de boca y respuesta del pozo padre a las interacciones del pozo hijo

 

Cuando se analizaron las curvas completas de presión de boca post-fractura de los pozos padres, se pudo observar dos tipos de respuestas diferentes en bloque Loma Campana:

 

  • Respuesta con aumento rápido de presión: En este tipo de respuestas se puede apreciar un aumento rápido de la presión del padre, con altas intensidades de los frac -hits desde el momento en el que ocurre la primera interferencia y durante la etapa 2 hasta iniciar la etapa 3, cuando se estabiliza la curva en un máximo de presión.

 

En la mayoría de los casos esta respuesta se observó en pozos padre- hijo a mismo nivel, con distanciamientos menores al espaciamiento estándar del campo y en pozos padres con mayor tiempo de producción. De acuerdo a otros trabajos publicados estas altas intensidades referencian a la existencia de una conexión muy franca de tipo hidráulica con respuestas directas de frac-hit (Seth 2020).

 

En la Figura 6 se muestra el caso de un pozo padre (1) afectado por un aumento rápido de presión. Esta respuesta se adjudica principalmente a la fractura de uno de los pozos hijos que se encuentra a un espaciamiento menor al estándar y posicionado en el mismo nivel productivo. Los pozos hijos correspondientes a diferentes niveles generaron menor impacto.

 

Figura 6. Incremento de presión acelerado del pozo padre

 

  • Respuesta con aumento gradual de presión:

 

En este tipo de respuestas, el incremento de presión es más lento en el tiempo con intensidades un poco más bajas de los frac- hits desde el inicio de la etapa 2 hasta el inicio de la etapa 3. Este comportamiento se observó mayormente en pozos padre-hijos con mayores distanciamientos, en configuraciones especiales donde prevalece una mayor cantidad de pozos padres cercanos o con pozos padres no estimulados efectivamente. En pozos padres con este comportamiento es más difícil alcanzar una presión máxima. En estos casos, podría interpretarse que existe una mayor dificultad en realizar una represurización exitosa de los pozos padres, debido a dicho comportamiento.

 

En la Figura 7 se muestra un ejemplo de respuesta con aumento lento o gradual de presión, interacción entre pozos a diferente nivel y más de un espaciamiento.

 

 

Figura 7. Incremento de presión gradual del pozo padre

 

En ambas curvas se observó que los pozos con mayor interacción con el padre son los que se encuentran a un distanciamiento y al mismo nivel.

 

 

ANÁLISIS Y RESULTADOS

 

Las interacciones entre pozos brindan información para un mayor entendimiento de lo que hoy se conoce como efecto parent-child. Se sabe que en otros trabajos (Lindsay et al. 2018; Esmaili et al. 2021; Gupta et al. 2020), buscan entender las variables que modifican la pérdida de productividad por la interacción de pozos padre e hijo. Las variables hoy conocidas e identificadas que intervienen en el efecto parent- child son: distancia entre pozo padre e hijo, depleción del pozo padre, diseño del padre e hijo, configuración de donde está ubicado el pozo hijo con respecto a los pozos padres y el solape de las ramas horizontales entre pozos. En este trabajo las variables del efecto parent-child que se relacionaron con los frac-hits, se resumen a continuación (Fig. 8).

 

 

Figura 8. Variables del efecto parent-child relacionadas con el frac-hit.

 

Se propusieron varios casos para ejemplificar cómo las variables responden a las interacciones o frac-hits registrados en los pozos padres, explicados a continuación:

 

Diseño de fractura de los pozos hijos

 

Se identificaron dos Pad de pozos con diferentes diseños de estimulación para comparar el comportamiento de los pozos padres en cada caso. En el Pad 1 se realizó un diseño denominado alta intensidad (HDC – High Density Completion) con más punzados por etapa, y en el Pad 2 se realizó un diseño de baja intensidad (STD - Standard) con menos punzados por etapa (Fig. 9).

 

Figura 9. Áreas contactadas por hijos en Pads estimulados con diferentes diseños

 

 

Para ambos diseños de estimulación se observó que las áreas contactadas por las fracturas alcanzan al menos dos distanciamientos (600 m) de pozos para ambos niveles productivos, Orgánico y Cocina (Fig. 9). Otra observación es que, en diseños con menor número de punzados por etapa, pozos hermanos interactuaron con los padres a 900 metros, confirmando el mayor crecimiento de la media ala de fractura. Al contrario, en el diseño con mayor cantidad de punzados, se observó que los pozos hermanos contactaron a un solo padre (Fig. 10).

 

Figura 10. Diferencias entre áreas contactadas por distintos diseños de estimulación según el alcance de los eventos de frac-hits . En el mapa de la izquierda, se observa el Pad 1 con diseño HDC donde se observan interferencias hasta 600 metros. En el mapa de la derecha, el Pad 2 con diseño STD las interferencias se detectaron hasta los 900 metros.

 

Para el caso del diseño de alta intensidad se cuenta además con la oportunidad de entender los fenómenos de interacción entre diferentes horizontes geológicos. En muchos casos, los pozos fracturados en la Cocina contactaron a pozos en el Orgánico, pero pozos del Orgánico no contactaron a la Cocina (Fig. 11).

 

Figura 11. A) sin frac-hits de pozos Orgánicos con la Cocina.

 B) Conexiones débiles de la Cocina con el Orgánico

 

 

Definición de una nueva variable: Intensidad máxima

 

De los dos tipos de respuestas identificadas anteriormente (en la hipótesis del fenómeno) en los pozos padres se observó que estaban condicionadas por el nivel de navegación de los pozos padres e hijos, ya que cuando estos se encuentran al mismo nivel existen interacciones hidráulicas con respuestas directas de frac-hit y grandes magnitudes de presión, mientras que cuando están en distintos niveles las interacciones son de menores magnitudes (Seth 2020). Además, se concluyó que el distanciamiento entre pozos padre-hijo, la configuración, el tiempo de producción del padre, juegan un papel importante en el tipo de respuesta de presión de los pozos padres. Se buscó una variable que logre caracterizar estas interacciones entre los pozos hijos con los padres.

 

Se define la intensidad máxima del pozo hijo (Int Max) como la suma de intensidades de cada etapa para

todos los padres contactados por cada pozo hijo:= �

 

Esta variable busca cuantificar las etapas que tuvieron mayores intensidades y por lo tanto mayor conexión con el pozo padre generando ineficiencias en la fractura ejecutada en el pozo hijo. Se interpreta que estas etapas en particular podrían presurizar el pozo padre con fluido y no generar un sistema de fracturas en el pozo hijo.

 

Depleción del Pozo Padre

 

En este caso se representó la depleción del padre con la variable tiempo de producción de un numero discreto de pozos. Para ver el impacto de la variable tiempo de producción del padre, se establecieron criterios de filtrados de datos tales como la distancia entre pozos padres e hijos de 250 a 350 metros, un solapamiento de rama horizontal significativo y pozos padres que alcancen la presión de estabilización máxima. Se estiman las intensidades máximas generadas por un hijo en el padre a analizar. De no alcanzar la presión de estabilización la intensidad máxima depende de la cantidad de etapas compartidas.

 

En la Figura 12.A, se graficaron las curvas de incremento de presión por frac-hits generadas por sus pozos hijos y en la Figura 12.B, se muestra una tendencia de como varia la intensidad máxima para este caso, a mayor tiempo de producción del padre, mayor es la intensidad máxima alcanzada por cada pozo hijo.

 

Figura 12: A) curva de presión de boca de los pozos padres.

B)Intensidad Máxima vs Tiempo de producción del pozo padre

 

Solapamiento de ramas entre padre e hijos

 

Los pozos padres no siempre se encuentran 100% alineados al pozo hijo, eso quiere decir que las longitudes de pozo y posicionamiento de landing point varían en cada caso de Pad. Por lo tanto, existen casos donde el porcentaje de rama horizontal enfrentada a un pozo padre es menor, como se observó en el ejemplo de los pozos del sur del Pad 2 en la Figura 10 y en la Figura 13.A.

 

Esta observación no es menor para la interpretación de las curvas de presión de los pozos padres, donde la presurización de este depende de cuántas etapas enfrentadas existan entre pozos padre e hijo. Si las etapas son pocas es probable que no alcance la presión de estabilización de la etapa 3, antes descripta en la hipótesis del fenómeno.

 

En este caso el solapamiento entre pozos es representado por la cantidad de etapas compartidas entre pozo padre e hijo. En la Figura 13.B se muestra como la intensidad máxima aumenta con el mayor número de etapas compartidas entre pozos, mostrando una clara proporcionalidad entre las mismas. Para obtener esta comparación se normalizaron otras variables tales como: distancia a un rango acotado de 240 a 350 m, pozos padre e hijo a mismo nivel, esto se consigue usando la variable de clasificación del pozo padre, seleccionando lateral-closer.

 

Figura 13: A) Ejemplo de solapamiento de pozo padre e hijo.

B) Etapas compartidas padre e hijo vs intensidad máxima del hijo

 

Distancia Mínima entre pozo padre e hijo

 

Esta es una de las variables de mayor influencia en el efecto parent-child y por lo tanto en la estrategia de desarrollo de los campos a través de la evaluación del well spacing de pozos. Se analizaron las relaciones con las variables del frac-hits: intensidad, magnitud y tiempo de delay, las que se exponen a continuación.

 

En la Figura 14, se muestra la correlación entre dichas variables, en el eje de las ordenadas se encuentran las variables de frac-hits vs la distancia mínima entre pozos en el eje de las abscisas y el color de los datos discrimina la ocurrencia de la interferencia en relación al horizonte o nivel productivo (igual o distinto).

 

Figura 14. Variables de frac-hits vs Distancia mínima entre pozos padre e hijo

 

Como se observa en la Figura 14, la interacción entre diferentes niveles es baja a los distanciamientos ejecutados, verificando el entendimiento actual sobre la baja ocurrencia de conexión a diferentes niveles. Por otro lado, se observa que las variables de intensidad y magnitud comienzan a disminuir a partir de una distancia identificada (línea vertical punteada), por ahora no asociada a un diseño de estimulación en particular. Las mismas, disminuyen a partir de aproximadamente 370 metros. De esta observación surge la conclusión de alejar los pozos nuevos a una distancia mayor al espaciamiento estándar del campo, como una medida mitigatoria del efecto parent-child.

 

Relación de la variable Intensidad máxima con la productividad

 

Para cuantificar la perdida de EUR se utilizó el P50 de la productividad esperada de cada población de los pozos hijos, de acuerdo con el diseño, nivel de navegación y zona de fluido. Se pudo constatar que estas pérdidas superan el 20% de la performance esperada para cada pozo hijo.

 

Los pozos contemplados en este análisis cumplen las siguientes condiciones: el pozo padre se encuentra a una distancia entre 240 a 400 m y las magnitudes de frac -hits son mayores a 1 kg/cm2, para no incorporar interpretaciones erróneas. Respecto a los pozos hijos, sólo se incluyeron los que tuvieron datos completos de frac-hits.

 

En la Figura 15, se relacionó la intensidad máxima, con las pérdidas de productividad del pozo hijo, observándose que a mayores intensidades máximas existe mayor probabilidad de tener perdidas en el pozo hijo.

 

Figura 15. Relación de pérdidas de productividad vs intensidad máxima de cada hijo

 

Los pozos agrupados en la franja de valores negativos no tuvieron perdidas y superaron la productividad esperada. Los pozos ubicados en la franja de valores positivos tuvieron perdidas de productividad en el pozo hijo. Se ha observado un comportamiento similar en ambos niveles productivos de la Cocina y Orgánico.

 

La intensidad de los frac- hits tiene una clara correlación con la productividad del pozo hijo, por lo que disminuirla colaboraría con la mitigación del efecto parent-child. Se trata de una aproximación de la eficiencia de cada etapa del hijo.

 

CONCLUSIONES

 

  • A diferentes diseños de estimulación los frac-hits ocurren de igual manera, generando áreas de contacto similares. El incremento de punzados reduce la distancia recorrida por el frac-hit. Por ejemplo, el diseño STD contactó 900 m versus el diseño HDC que contactó 600 metros. En referencia al alto de fractura se observó que en el diseño HDC en el nivel Cocina crece y contacta el nivel Orgánico, con bajas intensidades mientras que la fractura en el nivel Orgánico no crece hacia la Cocina.
  • Los frac-hits también brindan una primera aproximación del área contactada por la fractura de los hijos, verificando que no hay un crecimiento uniforme de las mismas, parte por la ineficiencia de las fracturas que van a llenar el pozo padre sin generar reservorio nuevo.
  • Se definió una nueva variable, Intensidad máxima, que representa la suma de las intensidades de las etapas que interactuaron con los pozos padres y se correlacionó con las variables del efecto parent-child, demostrando correlación con las variables de depleción del pozo padre, solapamiento de rama horizontal padre-hijo y distancia entre pozos.
  • Se identificó una distancia mínima de ~370 m a partir de la cual los frac-hits comienzan a disminuir su intensidad. En función de esta observación, se entiende que ampliar el distanciamiento es una de las medidas de mitigación del efecto parent-child, aunque en detrimento de la cantidad total de pozos del campo. Este análisis es aplicable para Loma Campana no necesariamente extrapolable para todos los yacimientos no convencionales de la Fm. Vaca Muerta.
  • La intensidad máxima está relacionada con las pérdidas de productividad del pozo hijo. Es posible identificar en tiempo real las etapas que están siendo ineficientes y eventualmente la posibilidad de aplicar ajustes en el diseño de estimulación. A mayor cantidad de etapas con intensidades altas más pérdida de productividad se observó en el pozo hijo.
  • En una próxima fase de análisis se buscará entender la performance de los pozos padres post-frac-hits.
  • Conociendo que la intensidad está relacionada con la eficiencia de cada fractura del pozo hijo se buscará ganar mayor entendimiento del impacto con cada variable del efecto parent-child, a través de un análisis del tipo data analytic, con el objeto de mitigar la ineficiencia de las etapas que disminuyen la productividad del pozo hijo.

 

AGRADECIMIENTOS

 

Las autoras de este paper queremos expresar nuestro agradecimiento al equipo de estudio de Loma Campana, Martin Castello por su colaboración, a Luciana De Marzio y Ana Laura Marlats por sus sugerencias, aportes y revisión cuidadosa que han realizado a nuestro trabajo.

 

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