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PROBLEMAS PROBLEMAS ORIGINADO ORIGINADOS S DURANTE DURANTE A CEMENTACI CEMENTACI N DE POZOS NO CONVENCIONALES
Realizado por: Kenia Vílchez
Maracaibo, Marzo 2017.
ANALISIS PROBLEMAS ORIGINADOS DURANTE A CEMENTACIÓN DE POZOS NO CONVENCIONALES
Uno de los principales problemas que se presentan en las cementaciones de pozos no convencionales como los altamente inclinados como es el agua libre El agua libre, en laboratorio es el agua que se acumula en el tope de la columna de la lechadas cuando esta se deja quieta sin perturbación. Agua libre excesiva es dañina para el cemento fraguado porque genera debilidades de adherencia en las zonas de contacto. Mientras la lechada permanece estática el agua tiende a colocarse en la parte superior de la columna debido a que las partículas tienden a sedimentar, durante este proceso de sedimentación las partículas tienden a formar tapones, la zona justo por debajo de estos tapones, tiende a fracturar dejando una fisura sin partículas. Esta fractura permanece en la columna hasta que el cemento fragua. Si en la columna se generan varias fisuras, existe la posibilidad de crear un canal de comunicación para los fluidos de la formación o pueden hacer que el cemento fraguado falle bajo presión. Adicionalmente en los pozos inclinados el problema se complica porque el agua libre crea un canal de agua en la parte superior a lo largo de la columna por donde fácilmente pueden migrar los fluidos del pozo. El valor máximo de agua libre aceptado por API es 1.4% en una columna de250 cc de cemento. Pero en casos de pozos verticales o cementaciones de zonas presurizadas, el valor debe ser cero en pruebas realizadas a la temperatura circulante. Otro escenario que se puede presentar es la descentralización de la tubería, para ello es importante su centralización mediante equipos especiales llamados centralizadores, los cuales son dispositivos mecánicos externos más simples y beneficiosos que se utilizan en las cementaciones primarias. Son diseñados para posicionar al revestidor lo más centralizado posible dentro del hoyo, generando los siguientes beneficios: mejora la calidad de la cementación, propicia una remoción adecuada del lodo de perforación y del revoque, Mejora la Distribución Axial del
cemento, disminuye el arrastre en la bajada del revestidor, ejerce una fuerza de restauración, reduce los puntos de contactos tubería formación, reduciendo las fuerzas de corrida y el desgaste de la tubería, permite la reciprocación/rotación, facilita el flujo, minimiza
la restricción de flujo, reduce la posibilidad de pega
diferencial, debido a la separación forzada de la tubería de las paredes de la formación. Otra de las razones por la cual debemos centralizar la tubería es debido a la disminución de la fuerza arrastre, esto ocurre gracias a lo siguiente: los centralizadores ejercen una fuerza de restauración que aleja la tubería de la formación, reduce los puntos de contactos tubería formación, reduciendo las fuerzas de corrida y el desgaste de la tubería, permite la reciprocación/rotación.. Facilita el flujo, minimiza la restricción de flujo. Adicionalmente la reducción de la zona de contacto formación-revestidor, reduce las posibilidades de pega diferencial, ya que la fuerza de pega diferencial que mantiene unida la tubería con la formación se reduce al reducirse el área de contacto. Por definición la fuerza de pega diferencial es directamente proporcional a la presión diferencial y al área de contacto de la tubería con el revoque del lodo el cual se encuentra inmóvil y sin transmisión de presión hidrostática. Para iniciar con el procedimiento técnico de colocación de centralizadores, definiremos el “standoff”, que no es más que la distancia porcentual mínima de separación entre un punto del revestidor y la formación y es una función del espaciamiento entre dos centralizadores contiguos. En muchos libros técnicos se define el “standoff” mínimo aceptable como 67%, en la actualidad y con el incremento de la inclinación de los pozos se exigen niveles de “s tandoff” de 90%. El
espaciamiento entre centralizadores es una función de varias variables que se relacionan mediante el modelo de vigas empotradas en los extremos. Las variables utilizadas en el cálculo son: tamaño del revestidor, desviación vertical y azimut, diámetro del hoyo, peso del lodo.
Otro problema frecuente en pozos no convencionales es la migración de fluidos con consecuencias numerosas, pero siempre se detectan inmediatamente, ya que la misma puede ocurrir entre las diferentes zonas o dentro del cemento y llegar a la superficie, ambos casos son peligrosos y potencialmente costosos. Luego de muchos esfuerzos se descubrió que la migración ocurría cuando la mezcla de cemento comienza a fraguar por la disminución en el valor de la densidad de la mezcla hasta valores cercanos a la densidad del agua, por lo que se empleó a utilizar agua de mezcla densificada con sal y más tarde se implementó el uso de espaciadores, centralizadores, programas, entre otros. La severidad de la canalización dependerá de si el flujo de gas sea más o menos cuantioso, lo que resulta en algunos casos en una pequeña acumulación de gas en la cabeza del pozo o un reventón en el caso extremo. En la actualidad se conocen tres formas de migración de gas a través del cemento o hacia la superficie. La primera es a través de la columna del lodo (revoque), que haya quedado en el cemento. Una vez que éste haya fraguado, como resultado de una mala remoción del mismo. La segunda forma de migración puede ocurrir a través de los anillos que se forman entre el revestidor que se forman entre el revestidor y el cemento o entre el cemento y la formación. Estos microanillos se originan por el encogimiento que sufre el cemento al fraguar, pudiendo las variaciones presión y temperatura agravar problema. La presencia de revoque adherido al revestidor puede también ocasionar la formación de microanillos, como una geometría irregular en el fondo del hoyo. En este caso, la intrusión de gas en la matriz del cemento ocurre por la disminución en la presión hidrostática debido a las pérdidas de fluido que ocurren mientras el cemento desarrolla resistencia (gel estático). Estas pérdidas ocasionan una reducción en el volumen, la presión en consecuencia disminuye y el gas puede penetrar. Hay que destacar que esto varía de acuerdo con el tipo de mezcla y las condiciones del pozo, ya que el desarrollo del gel estático varía con las mismas. Esto, en principio, no parece lógico, y que si el pozo está primero lleno con fluido de perforación y éste es reemplazado por el cemento, el cual suministra la presión
hidrostática adecuada, debería mantener el gas atrapado. La gran dificultad que aquí se presenta es el cambio de estado que sufre el cemento con el tiempo, de un estado líquido a gel, luego a un sólido permeable, y por último, a un estado sólido cuasipermeable. Entre los factores que influyen en la migración de gas, se tienen que las mezclas de cemento cambian de estado comento pierde la capacidad de trasmitir presión, y se requiere de cierto tiempo para que la lechada adquiera una resist encia adecuada (aproximada mente de 500 lb/100 pie2 el tiempo de un estado líquido, donde trasmite totalmente la presión, a un estado sólido en el cual no la trasmite. Este tiempo es el denominado tiempo de tránsito, y constituye un factor importante en la migración de gas. Adicionalmente, se presenta la perdida de circulación definida como La pérdida de circulación (o pérdida de retorno) se define como la pérdida total o parcial de los fluidos de bombeo o de lechadas de cemento en zonas altamente permeables, formaciones cavernosas, y fracturas naturales o inducidas durante el bombeo u operaciones de bombeo. El proceso de pérdida de fluido esta mayormente relacionado con la porosidad primaria, mientras la pérdida de circulación puede ocurrir en formaciones con porosidades tanto primarias como secundarias. Es importante resaltar la diferencia entre pérdida del filtrado y pérdida de circulación. La primera está más relacionada con la pérdida de la parte liquida de la solución (sólido +liquido) bien sea del lodo o del cemento a través de la permeabilidad de la formación debido a un diferencial de presión hacia la formación. Este tipo de pé rdida es la conocida como pérdida por filtración (“seeping lost”) y su severidad se muestra en la tabla arriba presentada. La pérdida por filtración está relacionada con la porosidad primaria. La pérdida de circulación parcial o total está relacionadas con la porosidad primaria y la secundaria. La pérdida parcial ocurre normalmente en zonas de gravas de alta permeabilidad, pequeñas fracturas naturales y a través del inicio de fracturas inducidas. La pérdida total ocurre en secciones de gravas de gran longitud; largas
fracturas naturales anchas fracturas inducidas o formaciones cavernosas. La pérdida de circulación es un problema que se mantiene en la industria hasta nuestros días, a pesar de décadas de estudios enfocados a su prevención y cura. Existen muchas formas de atacar el problema durante la perforación, pero aún la pérdida de circulación existe. Cuando se perforan áreas exploratorias siempre se corre el riesgo de penetrar en una zona desconocida proclive a tener pérdida de circulación. La pérdida de circulación en general siempre se previene durante la perforación o la cementación, sin embargo, el costo de prevenir la pérdida siempre se compara en la balanza contra la posibilidad de pérdida más los costos asociados requeridos para controlarla si esta ocurriese. La mayor influencia sobre la pérdida de circulación durante la perforación y la cementación la generan las condiciones en las que se encuentra el lodo. Esta influencia es mejor entendidas en términos de valores que permiten determinar la ECD; pérdida de filtrado; propiedades físicas y velocidad de crecimiento del revoque. Finalmente, se tiene la perdida de filtrado la cual es crucial para el éxito de la cementación la falta de control puede generar durante el bombeo la formación de nodos; cambios en la reología y tiempo de espesamiento y durante la etapa crítica incrementa el espacio poral y el encogimiento que permite la entradas de fluidos dentro de la matriz del cemento”. Adicionalmente puede causar daño en la formación especialmente en formaciones con arcillas sensibles al agua. Como valor adicional al presente análisis es importante acotar o destacar los diversos niveles de gelificacion que un cemento debe desarrollar efectivamente para evitar problemas. La gelificación primaria ocurren en los inicios de la hidratación o mojabilidad de las partículas de cemento, cuando la lechada se detiene después de mezclada. Esta gelificación puede hacer la lechada imbombeable en poco tiempo de parada. Esta gelificación puede ser detectada con la prueba de reología a temperatura ambiente, donde se puede observar valores bajos en las diferentes
velocidades, pero en la prueba de gelificación de1 0 minutos, a 3 rpm se pueden observar incrementos drástico de torque. La causa que la genera mayormente se debe a la falta de sulfato libre, que controla la reactividad de la fase aluminato, para solventar este problema se puede agregar entre 0,5% y1% de sulfato de sodio anhídrido, su efectividad se nota en la mejora de las propiedades reológicas. La gelificación secundaria ocurre durante periodos cortos de paradas durante el bombeo. Se pueden detectar con la prueba de 10 minutos de gel igual que la gelificación primaria, pero a la temperatura circulante. Esta gelificación puede generar serios problemas en el campo, ya que por periodos no prolongados de paradas, la lechada puede no ser movible nuevamente. Esta gelificación puede ser generada por diversas causas: el agua de mezcla; el cemento la temperatura los aditivos. No existe una solución única de este problema ya que todavía no se entiende bien las reacciones que se generan. Sin embargo operacionalmente se trata de solventar agregando dispersantes; mas retardador o reduciendo lo mas que se pueda el peso de la lechada. La gelificación terciaria ocurre en condiciones dinámicas y son fácilmente detectables durante la prueba de espesamiento, en cualquier momento se nota incrementos de gelificación (entre 20 y 70 BC) y la viscosidad permanece en ese nivel hasta el final de la prueba (esta gelificación es tipo meseta “plateu”. Esta gelificación puede ser gene rada por diversas causas: alta
reactividad de la fase aluminato e inestabilidad de estringita a alta temperatura, presencia de contaminantes orgánicos aún en pocas cantidades pueden causar gelificación terciaria. Por esta razón no se deben utilizar ayudantes de molienda durante la fabricaci ón del cemento petrolero porque en su mayoría son orgánicos. Para solventar esta situación se puede agregarse entre 0.1% a 1% de silicato o metasilicato de sodio el cual dispersará la lechada a temperatura circulante, aunque esta adición puede estropear en alguna medida el filtrado y acelerar la lechada. Por lo tanto debe verificar el nivel del filtrado y agregar retardador para compensar el efecto de aceleración.
La gelificación cuaternaria igual que la ternaria ocurre durante condiciones dinámicas,
pero
después
del
incremento
de
gelificación
esta
decrece
inmediatamente y se queda en un nivel igual al inicial o un poco mayor. Las causas que la generan pueden ser similares a la ternaria, pero su química es diferente. Puede ser causada por la característica del agua: aguas salobres generan este comportamiento y ciertos retardadores pueden tener generar este comportamiento. Obviamente si el agua es la causa del problema se debe cambiar. También con la ayuda de dispersantes y ayudantes de retardadores (0.2% a 1%) se logra solventar el problema.
