El petróleo ha sido utilizado de una u otra forma desde tiempos antiguos. El mayor aumento en la demanda de petróleo se debió a la invención del motor de combustión interna, el auge de la aviación comercial y la importancia del petróleo para la química orgánica industrial.
En la década de 1840, la demanda de petróleo como combustible para iluminación en América del Norte y en todo el mundo creció rápidamente. La pregunta sobre qué constituyó el primer pozo comercial de petróleo es difícil de responder.
El pozo de Edwin Drake en 1859 cerca de Titusville, Pensilvania, es popularmente considerado el primer pozo moderno. Drake's well es probablemente el más destacado porque:
Aunque el petróleo era conocido antes de esto, no existía un mercado apreciable para él. Sin embargo, los estudios del crudo mostraron que era una buena fuente de queroseno si se obtenía suficiente cantidad.
Edwin Drake fue contratado por la Compañía Seneca Oil para investigar depósitos petroleros sospechosos en Titusville, Pensilvania. James Townsend, presidente de la Compañía Seneca Oil, envió a Drake al sitio en la primavera de 1858. Los empleadores de Drake buscaban suficiente petróleo crudo para establecer una nueva empresa, proporcionando queroseno para lámparas.
Drake decidió perforar de la manera de los perforadores de pozos de sal. Compró una máquina de vapor en Erie, Pensilvania, para accionar la perforadora. Inicialmente utilizó la máquina de vapor para accionar la perforadora, pero su éxito fue limitado en encontrar un rendimiento comercial sostenible.
Cuando los intentos de excavar grandes pozos en el suelo fallaron debido a la filtración de agua, Drake decidió intentar utilizar un sistema de percusión (cable-herramienta) en su lugar.
Con la perforación por cable-herramienta:
Sin embargo, dos características del método de cable-herramienta son desfavorables:
El primer pozo de perforación por cable-herramienta de Drake se excavó en una isla artificial en el arroyo Oil Creek. Tomó algún tiempo para que los perforadores atravesaran las capas de grava y agua. A los 16 pies, los lados del pozo comenzaron a colapsar.
Aquellos que lo ayudaban comenzaron a desesperarse, pero no Drake. Fue en este punto que ideó la idea de un tubo de conducción. Este tubo de hierro fundido consistía en juntas de 10 pies de largo (3,0 m). El tubo se hundió en el suelo. A los 32 pies encontraron roca madre. Las herramientas de perforación ahora se bajaron a través del tubo y se utilizó vapor para perforar a través de la roca. Sin embargo, el avance fue lento. Se progresó a razón de solo tres pies por día.
Después de dificultades iniciales para localizar las piezas necesarias para construir el pozo, lo que resultó en que su pozo fuera apodado "la locura de Drake", Drake tuvo éxito.
Mientras tanto, multitudes de personas comenzaron a reunirse para burlarse de la operación aparentemente improductiva. Drake también se quedaba sin dinero. Increíblemente, la Compañía Seneca Oil había abandonado a su hombre, y Drake tuvo que depender de amigos para respaldar la empresa.
El 27 de agosto, Drake perseveró y su broca alcanzó una profundidad total de 69,5 pies (21 m). En ese momento, la broca golpeó una grieta. Los hombres guardaron todo por el día. La mañana siguiente, el perforador de Drake, Billy Smith, miró dentro del pozo en preparación para otro día de trabajo. Se sorprendió y se deleitó al ver crudo subiendo. Drake fue llamado y el petróleo fue extraído a la superficie con una bomba manual. El petróleo se recolectó en una bañera.
Drake es famoso por pionero un nuevo método para producir petróleo del subsuelo. Perforó utilizando tuberías para prevenir el colapso del pozo, permitiendo que la perforadora penetrara cada vez más profundamente en el suelo.
Métodos anteriores para recolectar petróleo habían sido limitados. La recolección de petróleo del suelo consistía en recogerlo de donde ocurría naturalmente, como de filtraciones de petróleo o pozos poco profundos excavados en el suelo.
Drake intentó el último método inicialmente cuando buscaba petróleo en Titusville. Sin embargo, falló en producir cantidades económicamente viables de petróleo. Métodos alternativos de excavar grandes pozos en el suelo también fallaron, ya que el colapso por filtración de agua casi siempre ocurría.
El paso significativo que dio Drake fue hundir un tubo de hierro de 32 pies a través del suelo hasta la roca madre debajo. Esto permitió a Drake perforar dentro del tubo, sin que el pozo colapsara por la filtración de agua. El principio detrás de esta idea todavía se emplea hoy por muchas empresas que perforan en busca de hidrocarburos.
El primer equipo de perforación rotativa fue desarrollado en Francia en la década de 1860; sin embargo, rara vez se usó porque se creía erróneamente que la mayoría del petróleo estaba bajo formaciones de roca dura que podían perforarse fácilmente con equipos de percusión.
El sistema de perforación rotativa que circula fluido para eliminar los recortes de roca se utilizó con éxito en Corsicana, Texas, donde los perforadores que buscaban agua descubrieron petróleo.
La perforación rotativa opera presionando los dientes de la broca firmemente contra la roca y girándola. Simultáneamente, un fluido, generalmente un líquido que incluye arcilla y agua llamado lodo de perforación, se fuerza a salir de aberturas especiales en la broca a alta velocidad. Esto obliga al lodo y a los recortes de roca a alejarse de la broca y regresar a la superficie.
A finales del siglo XIX, Patillo Higgins, que vivía cerca de Beaumont, Texas, observó la inflamabilidad de los manantiales de gas en su propiedad, ubicada en lo que más tarde se conocería como el campo petrolero Spindletop.
En agosto de 1892, George W. O'Brien, George W. Carroll, Patillo Higgins y otros formaron la Compañía Gladys City Oil, Gas, and Manufacturing para realizar perforaciones exploratorias en la colina Spindletop.
La compañía perforó muchos pozos secos y tuvo problemas, ya que los inversores comenzaron a dudar en invertir más dinero en perforaciones sin petróleo que mostrar.
Usando un sistema rotativo el 10 de enero de 1901 a una profundidad de 1.139 pies, lo que ahora se conoce como el Lucas Gusher lanzó petróleo a más de 150 pies en el aire a una velocidad de 100.000 barriles de petróleo al día. Tomó nueve días antes de que el pozo fuera controlado.
Spindletop fue el mayor gusher que el mundo había visto y catapultó a Beaumont a convertirse en una ciudad próspera. La población de Beaumont de 10.000 habitantes se triplicó en tres meses y eventualmente subió a 50.000. La especulación llevó a que los precios de la tierra aumentaran rápidamente. Para finales de 1902, más de 600 empresas se habían formado, incluyendo ExxonMobil y Texaco, y 285 pozos activos estaban en operación.
En la carrera por desarrollar Spindletop, Howard Hughes Sr. patentó una broca de roca rotativa de dos conos que revolucionó la perforación. El 20 de noviembre de 1908, presentó las patentes básicas para la broca de roca Sharp-Hughes, y el 10 de agosto de 1909 recibió la patente estadounidense 930.758 y la patente estadounidense 930.759 para esta broca de roca.
La broca de perforación rotativa de dos conos de Hughes penetró roca media y dura con diez veces la velocidad de cualquier broca anterior, y su desarrollo revolucionó la perforación de pozos petroleros.
Es improbable que él haya inventado realmente la broca de rodillos de dos conos, pero su experiencia legal lo ayudó a entender que las patentes eran importantes para capitalizar la invención.
Los sismómetros son instrumentos que miden los movimientos del suelo, incluyendo las ondas sísmicas generadas por terremotos, erupciones volcánicas y otras fuentes sísmicas. Los registros de las ondas sísmicas dan a los exploradores petroleros detalles sobre las estructuras y estratos debajo de la superficie terrestre. A partir de estos datos, el geólogo puede obtener una visión de los límites entre las capas de roca.
Los sismógrafos estaban en uso ya en 1841 exclusivamente para medir terremotos. Durante la Primera Guerra Mundial, el científico alemán Dr. L. Mintrop inventó un sismógrafo portátil, que instaló en tres lugares frente al enemigo. Cuando una pieza de artillería disparaba, utilizaba los datos de vibración para calcular la ubicación precisa de la artillería para que pudiera ser destruida.
Después de la guerra, Mintrop invirtió el proceso al provocar una explosión a una distancia conocida y, al medir el tiempo de reflexión de las ondas de choque subsuperficiales, pudo estimar la profundidad de las formaciones rocosas. Después de probar sus teorías en el campo, Mintrop formó Seismos, la primera empresa de exploración sísmica. Seismos fue contratada por la Compañía Gulf Production y rápidamente demostró la efectividad de la herramienta para localizar formaciones de reservorios petroleros probables.
Mejoras posteriores desarrolladas en la década de 1960 permitieron imágenes subsuperficiales en 2-D y más tarde, en la década de 1980, imágenes sísmicas en 3-D.
El registro de pozos, también conocido como registro de barrenos, es la práctica de hacer un registro detallado (un registro de pozo) de las formaciones geológicas atravesadas por un barreno. El registro puede basarse ya sea en la inspección visual de muestras traídas a la superficie (registros geológicos) o en mediciones físicas realizadas por instrumentos bajados al pozo (registros geofísicos).
El registro de pozos puede hacerse durante cualquier fase de la historia de un pozo:
Una muestra de núcleo contiene la mayor información ya que es una medición directa de una gran pieza de roca. O se utiliza un barril de núcleo adjunto a la tubería de perforación o un dispositivo adjunto a un cable de registro toma un núcleo lateral. Una vez que la muestra es traída a la superficie, se empaqueta y se envía a un laboratorio para análisis. Las muestras de núcleo pueden proporcionar una comprensión clara de la litología, porosidad, permeabilidad y, lo más importante, contenido de hidrocarburos de los estratos. Esta información ayuda a determinar el potencial de producción de petróleo de las capas muestreadas.
A medida que avanzaba la tecnología, el registro eléctrico entró en uso generalizado. Un instrumento llamado sonda se baja al barreno por una línea conductora o cable eléctrico. La sonda mide y registra propiedades eléctricas, radiactivas o acústicas de las diversas formaciones perforadas y transmite su información hacia arriba por el cable a un registrador. La porosidad, permeabilidad y contenido de fluidos son los objetivos principales del registro de pozos, especialmente para las rocas de reservorio objetivo.
Un registro de Potencial Espontáneo (SP) registra las corrientes eléctricas que fluyen en las formaciones rocosas. La mayoría de los minerales son no conductores de electricidad cuando están secos. Sin embargo, algunos, como la sal, son excelentes conductores cuando están disueltos en agua.
A medida que los fluidos de perforación invaden una formación permeable, el potencial espontáneo provoca corrientes débiles que fluyen desde la roca más salina no invadida hacia la roca invadida. El registro SP puede utilizarse para identificar visualmente los límites de las capas y calcular la salinidad del agua de formación.
Los dispositivos de registro de resistividad miden y registran la resistencia de una formación al flujo de electricidad. Una alta saturación de agua salada disminuye la resistividad, mientras que el petróleo y el gas aumentan la resistividad, ya que los hidrocarburos son malos conductores. Los registros de resistividad comunes incluyen el registro de foco lateral, el registro de inducción y el registro de micro resistividad.
Los dispositivos de registro de radioactividad, incluyendo registros gamma y de neutrón, miden la radiactividad natural e inducida.
Los registros gamma registran las emisiones de elementos naturalmente radiactivos en los sedimentos de formación. Dado que estos elementos se lixivian de rocas porosas y permeables, un dispositivo de registro gamma puede identificar formaciones impermeables tales como esquisto y arenas llenas de arcilla.
El registro de neutrón emite radiación desde la sonda, bombardeando la roca alrededor del hoyo para determinar principalmente la porosidad.
Los dispositivos de registro acústico también se llaman registros sónicos y operan bajo el entendimiento de que el sonido viaja mejor a través de roca densa que a través de roca más porosa.
La correlación de datos proporcionados por varios métodos de registro diferentes puede proporcionar una imagen clara de las rocas de reservorio objetivo. Es importante tener en cuenta que, debido al costo del registro de un pozo y la información superpuesta proporcionada, no todos los tipos de registros se realizan en cada pozo que se perfora.
A medida que se perforan y registran más pozos en un campo determinado, se vuelve más fácil predecir y determinar dónde se extenderá y terminará el reservorio petrolero productivo. Sin embargo, con un nuevo descubrimiento, es fundamental tomar algunas mediciones de presión para ayudar a estimar la extensión lateral del reservorio.
La presión puede medirse mediante una prueba de formación (DST) o prueba del tubo de perforación (drill-stem test) o mediante un cable de registro. Ambos métodos implican aislar el reservorio potencial para recuperar una muestra de fluidos y tomar mediciones de presión. Lo que se recupera y los datos de presión obtenidos ayudan a determinar si se ha encontrado un reservorio comercial.
Para la década de 1930, las compañías de exploración petrolera se dieron cuenta de que existían reservorios de petróleo y gas en aguas poco profundas mar adentro. Sin embargo, el problema seguía siendo cómo perforar cuando la plataforma de perforación debe estar sobre el agua y al mismo tiempo mantenerse estable contra cualquier acción de olas fuertes. La solución fue un tipo de plataforma conocida como sumergible.
La forma más temprana de plataforma sumergible fue la barca con postes. Consistía en una barca con varios postes de acero adjuntos y anclados. Se colocó una cubierta sobre la parte superior de los postes, y el equipo de perforación se instaló en la cubierta. Las barcas con postes no pueden usarse en aguas que excedan los 30 pies de profundidad.
Mejoras posteriores en este concepto resultaron en barcas con forma de barco y plataformas de perforación autónomas. Mientras que la barca con forma de barco debe ser remolcada al lugar, la plataforma de perforación autónoma viaja con su propia propulsión. En aguas profundas, las plataformas de perforación autónomas y las barcas con forma de barco están ancladas de manera similar a como un barco oceánico puede estar anclado o pueden mantenerse en posición mediante posicionamiento dinámico. Aquí se utilizan propulsores controlados por computadora para mantener la posición de las plataformas.
Otra plataforma de perforación marina temprana fue la plataforma sumergible tipo botella, que tiene varios cilindros de acero o "botellas" que cuando se llenan de agua descansan en el fondo del océano. Cuando es momento de mover la plataforma, el agua se bombea hacia afuera, y la plataforma es movida por remolcadores al nuevo lugar. Las plataformas tipo botella generalmente están diseñadas para operar en una profundidad máxima de agua de 100 pies, aunque algunas han sido construidas que pueden trabajar en hasta 175 pies de agua.
La continuación de la exploración hacia la perforación marina más profunda resultó en nuevos diseños sumergibles. La plataforma elevable (jack-up) hizo posible la perforación en aguas hasta de 350 pies con algunas operativas en hasta 600 pies. Las jack-up son plataformas soportadas por el fondo que pueden ser soportadas por columnas o por celosía. Las patas columnares son cilindros de acero mientras que las patas de celosía abierta se asemejan a una torre. Ambos tipos tienen cascos estancos que pueden flotar en la superficie del agua mientras se mueven a su posición.
Hoy en día, el tipo más común de plataforma marina es la plataforma de acero. Esta consiste en la "chaqueta", que es una sección vertical alta fabricada a partir de tubo de acero. La chaqueta de acero está fijada al fondo del océano usando pilotes hincados. Se colocan secciones adicionales de tubo de acero una encima de otra. Sobre el nivel del agua están las instalaciones para la tripulación de perforación y la plataforma de perforación. Este sistema ha sido utilizado para perforar pozos en hasta 1.000 pies de agua.
Existen otros diseños de plataformas de perforación oceánica que se utilizan en situaciones especiales, incluyendo las plataformas de gravedad de concreto utilizadas en el Mar del Norte y la plataforma de cajón de acero utilizada en la Inlet Cook de Alaska.
Las técnicas de perforación direccional se emplearon en la década de 1970. Normalmente, los pozos se perforan verticalmente; sin embargo, hay muchas ocasiones en las que es útil poder perforar en un ángulo. Los pozos direccionales se perforan rectos hasta un nivel predeterminado y luego se curvan gradualmente.
Al cambiar la dirección de la broca en pequeños incrementos de no más de 2 a 3 grados a la vez, es posible perforar muchos pozos en un reservorio desde una sola plataforma marina. Los pozos direccionales también pueden desviarse desde una línea de costa para alcanzar un reservorio bajo aguas cercanas. Además, los pozos direccionales son muy útiles para evitar líneas de falla, que pueden causar problemas en el pozo, así como en casos donde es indeseable colocar una plataforma en un lugar determinado debido a un obstáculo o por razones ambientales.
Las brocas de perforación direccional pueden utilizarse para:
Varias herramientas especiales están disponibles para asistir en la perforación direccional. La más común implica el uso de una subunidad doblada y un motor de fondo.
Una subunidad doblada es un corto tramo de tubo que está roscado en ambos extremos y ligeramente doblado en el medio. Se instala en la sarta de perforación entre el collar de perforación más bajo y el motor de fondo. Un motor de fondo es accionado por lodo de perforación, eliminando así la necesidad de rotar la sarta de perforación.
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