Cementación de Pozos Petroleros
Fabricio Escalera Vincenti Lodos, Cementos y Fluidos de Intervención 5/10/2011
Cementación de Pozos Petroleros
Objetivo: Investigar todo lo referente a la cementación de pozos petroleros, de tal manera que quede bien comprendido el tema, conociendo los procedimientos, características, ventajas y otros con respecto a la cementación, ya que este proceso es muy importante a la hora de trabajar en pozos Hidrocarburíferos. Introducción: Al perforar un pozo de petróleo o de gas se hace necesario aislar la zona de la perforación de todas las filtraciones de agua que puedan ocurrir ya que la comunicación de fluidos de las distintas capas (gas, petróleo, agua) origina una pérdida en la producción del pozo. El procedimiento rutinario es encamisar la perforación con un caño de acero al carbono (al que se denomina casing) y rodear a esta con una capa de cemento que, además de ayudar al aislamiento, protege al casing de la corrosión. Se denomina lechada de cemento a las suspensiones de cemento en agua a las que se adicionan diferentes sustancias llamadas aditivos según las propiedades que se pretenden alcanzar, de acuerdo a las condiciones de pozo (presión, temperatura, profundidad, etc.) tipo de cañerías entubadas y/o problemas que se pretendan solucionar. La lechada de cemento se usa también para trabajos de remediación o reparación en pozos productores. Es usada para sellar por ejemplo cañerías perforadas cuando una zona productora empieza a producir grandes cantidades de agua o para reparar fugas en las cañerías. CEMENTO Definición.- Se denomina cemento a un conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (árido grueso o grava, más árido fino o arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia pétrea Historia: El uso de materiales de cementación es muy antiguo; los egipcios utilizaban yeso calcinado impuro, los griegos y los romanos empleaban al principio caliza calcinada que es un tipo de roca sedimentaria constituida principalmente por carbonato de calcio. Posteriormente, se hicieron mezclas de cal con agua, arena y piedra triturada o ladrillo y tejas quebradas; este fue el primer concreto de la historia. Los griegos empleaban la cal mezclándola con arena lo que los llevo a descubrir que ciertas arenas de origen volcánico, molidas y mezcladas con la cal producían morteros (mezclas
firmes y resistentes a las aguas dulces o marinas). Para esto empleaban una piedra volcánica que llamaban Tierra de Santorin en recuerdo a la isla en la cual fue descubierta. Cuando los romanos conquistaron a los griegos, estos últimos les transmitieron el conocimiento que tenían sobre los morteros. Este pueblo descubrió una arena volcánica de color rojo en un lugar llamado Pozzoli, cerca del volcán Vesubio, dicha arena, que llamaron Puzolana, contiene compuestos de silicio-aluminatos que se combinan con la cal para formar un cementante que endurece bajo el agua, es decir, una cal hidratada. José Aspdin en 1824 patentó un cemento que fue obtenido por la fusión de caliza y arcilla, el lo llamo cemento “Portland”, porque este producto se parecía mucho a las rocas que habían en las islas de Portland en Inglaterra. Este producto al mezclarse con agua tenía la propiedad de endurecerse y se uso primeramente en trabajos de la construcción. Recién en 1903 el señor Frank Hill uso el cemento en la industria petrolera en un pozo que producía las agua que petróleo. Frank Hill propuso mezclar 50 sacos de cemento con agua, desplazarlos al pozo y ponerlos frente al nivel productor, como la lechada no reacciona con el petróleo, este solo sellaba las partes por donde el agua podía entrar y dejaba libre al petróleo para poder producir. Después de esta operación el pozo empezó a producir más petróleo, la técnica sigue usándose en la actualidad. En 1920 Halliburton logro perfeccionar la operación de cementación teniendo en cuenta las condiciones de presión y temperatura. Hasta el año 1940 todas las cementaciones realizadas en el mundo eran con lechada que estaba formada con agua y cemento, es a partir de este año que se empiezan a fabricar distintos aditivos para cambiarle las propiedades a la lechada. En la actualidad conocemos más de 50 aditivos que se pueden usar en las lechadas de cemento. Fabricación. La caliza y la arcilla son obtenidas de canteras, dependiendo de la dureza se usa una pala cargadora o explosivos. Los materiales crudos se muelen y mezclan vigorosamente, así se obtiene una mezcla homogénea en las proporciones requeridas, para lograrlo existen dos procesos: Seco y Húmedo.
PROCESO SECO.- Se preparan las materias primas y se pasan a un molino para homogeneizar el tamaño de las partículas y su cantidad. Se pasan por un separador de aire y se les lleva a silos mezcladores para su almacenamiento antes de pasarse al horno rotatorio.
PROCESO HÚMEDO.- A diferencia del anterior, este proceso efectúa una mezcla de las materias primas con agua para mantener en forma más homogénea la mezcla. También se les pasa por un molino para uniformar el tamaño de partícula y posteriormente, se pasa a unos contenedores que mantienen en movimiento la mezcla antes de pasarlo al horno rotatorio. Es el menos recomendable por que requiere más energía para deshidratar la mezcla.
Esta mezcla de materia cruda seca o húmeda, según el proceso de fabricación, se alimenta en la parte más elevada del horno rotatorio inclinado, a un caudal uniforme. HORNO ROTATORIO.- Los hornos rotatorios son receptáculos cilíndricos metálicos, revestidos interiormente por material refractario, con una longitud de 30 a 60 m., la inclinación que tienen es de 10° a 20°, su diámetro va de 1,5 a 3 m. con motores que hacen que el horno gire, precisamente este giro y la inclinación del horno hacen que el material vaya viajando lentamente por gravedad a la parte inferior del mismo. El horno se calienta con gas a temperaturas de 1430 ºC a 1540 ºC. Estas temperaturas originan reacciones químicas entre los ingredientes de la mezcla cruda, resultando un material llamado Clinker. El clinker se deja enfriar a temperatura ambiente con una corriente de aire, en un área inmediata al horno, construida bajo diseño para controlar la velocidad de enfriamiento. Una vez frío, se almacena y se muele posteriormente en molinos de bola, para darle el tamaño deseado a las partículas. El clinker se alimenta al molino de cemento conjuntamente con una dosificación de sulfato de calcio deshidratado, con lo que se obtiene el producto terminados de cemento Portland.
Clasificación de los cementos API
CEMENTOS CLASE “A”.- Está diseñado para emplearse a 1.830 m. (6.000 pies) de profundidad como máximo, con temperaturas de 77 ºC (170 ºF) y donde no se requieran propiedades especiales. Esta clase de cemento es el más barato CEMENTOS CLASE “B”.- Está diseñado para emplearse a 1.830 m. (6.000 pies) de profundidad como máximo, con temperaturas de 77 ºC (170 ºF) y donde se requiere moderada a alta resistencia a los sulfatos. CEMENTOS CLASE “C”.- Está diseñado para emplearse a 1.830 m. (6.000 pies) de profundidad como máximo, con temperaturas de 77 ºC (170 ºF), donde se requiere alta resistencia a la compresión temprana, se fabrican en los tres grados de resistencia a los sulfatos (baja, moderada y alta). CEMENTOS CLASE “D”.- Este cemento se emplea de 1.830 (6.000 pies) hasta 3.050 m. (10.000 pies) de profundidad con temperaturas de hasta 110 ºC (230 ºF) y presión moderada. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos.
CEMENTOS CLASE “E”.- Este cemento se emplea de 3.050 (10.000 pies) hasta 4270 m. (14.000 pies) de profundidad con temperaturas de 143 ºC (290 ºF) y alta presión. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. CEMENTOS CLASE “F”.- Este cemento se usa de 3.050 (10.000 pies) hasta 4880 m. (16.000 pies) de profundidad con temperaturas de 160 ºC (320 ºF), donde exista alta presión. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. CEMENTOS CLASE “G” Y “H”.- Comúnmente conocidos como cementos petroleros, son cementos básicos para emplearse desde la superficie hasta 2240 m. (8.000 pies), tal como se fabrican. Pueden modificarse con aceleradores o retardadores de fragüe, para usarlos en un amplio rango de condiciones de presión y temperatura. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. La composición química de los cementos clase G y H son esencialmente iguales. CEMENTOS CLASE “J”.- Se quedo en fase de experimentación y fue diseñado para usarse a temperaturas estáticas de 177 ºC (351 ºF) de 3660 (12.000 pies) a 4880 m. (16.000 pies) de profundidad, sin necesidad de empleo de harina sílica, que evite la regresión de la resistencia a la compresión.
ADITIVOS QUÍMICOS Los cementos utilizados en la industria petrolera, no son más que un cemento común junto con una variedad de aditivos que puedan cambiar sus propiedades dependiendo de la utilidad que necesitemos dentro de un determinado pozo. Estos aditivos pueden ser sólidos y/o líquidos (solución acuosa). Entre ellos tenemos: Aceleradores: se usan en pozos donde la profundidad y la temperatura son bajas. Para obtener tiempos de espesamiento cortos y buena resistencia a la compresión en corto tiempo. Pueden usarse: cloruro de calcio (CaCl2, más usado), silicato de sodio (Na2SiO3), cloruro de sodio (NaCl), ácido oxálico (H2C2O4), etc. Retardadores: hacen que el tiempo de fraguado y el desarrollo de resistencia la compresión del cemento sea más lento. Los más usados son: lignitos, lignosulfonato de calcio, ácidos hidroxicarboxílicos, azúcares, derivados celulósicos, etc. Extendedores: se añaden para reducir la densidad del cemento o para reducir la cantidad de cemento por unidad de volumen del material fraguado, con el fin de reducir la presión hidrostática y aumentar el rendimiento (pie3/saco) de las lechadas. Entre los más usados se tienen: bentonita, silicato de sodio (Na2SiO3), materiales pozzolánicos, etc. Densificantes: aditivos que aumentan la densidad del cemento o que aumentan la cantidad de cemento por unidad de volumen del material fraguado, con el fin de aumentar la presión hidrostática. Los más usados: barita, hematita, ilmenita, etc.
Controladores de Filtrado: aditivos que controlan la pérdida de la fase acuosa del sistema cementante frente a una formación permeable. Previenen la deshidratación prematura de la lechada. Los más usados son: polímeros orgánicos, reductores de fricción, etc. Antiespumantes: ayudan a reducir el entrampamiento de aire durante la preparación de la lechada. Los más usados son: éteres de poliglicoles y siliconas. Dispersantes: se agregan al cemento para mejorar las propiedades de flujo, es decir, reducen la viscosidad de la lechada de cemento. Entre ellos tenemos: polinaftaleno sulfonado, polimelamina sulfonado, lignosulfonatos, ácidos hidrocarboxilicos, polimeros celulósicos.
OPERACIONES DE CEMENTACIÓN Son las operaciones con lechadas de cemento que se efectúan con fines específicos en los pozos petroleros. Clasificación de las Cementaciones La clasificación de las operaciones de cementación se realizan de acuerdo con los objetivos que se persiguen, en este sentido tenemos: • Cementación Primaria. • Cementación Forzada. • Tapones de Cemento. Cementación Primaria.- La cementación primaria es el proceso que consiste en colocar cemento en el espacio anular, entre la cañería de revestimiento y la formación expuesta del Agujero, asegurando un sello completo y permanente. Objetivos de la Cementación Primaria 1. Proporcionar aislamiento entre zonas del pozo que contienen gas, aceite y agua. 2. Soportar el peso de la propia cañería de revestimiento. 3. Reducir el proceso corrosivo de la tubería de revestimiento con los fluidos del pozo y con los fluidos inyectados de estimulación. 4. Evitar derrumbes de la pared de las formaciones no consolidadas. El reto principal es obtener sellos hidráulicos efectivos en las zonas que manejan fluidos a presión. Para lograrlo es indispensable mejorar el desplazamiento del lodo de perforación del tramo del espacio anular que se va a cementar consiguiendo así una buena adherencia sobre las caras de la formación y de la tubería de revestimiento, sin canalizaciones en la capa de cemento y con
un llenado completo. Se ha vuelto práctica común que para cumplir con el segundo y tercer objetivos, el cemento debe desarrollar un esfuerzo compresivo mínimo de 500 psi (35 Kg/cm2) dentro de las primeras 8 horas. Este valor es producto de la práctica. Cementación Forzada.- Es el proceso que consiste en inyectar cemento a presión a través de disparos o ranuras en la cañería de revestimiento al espacio anular. Esta es una medida correctiva a una cementación primaria defectuosa. Objetivos de la Cementación Forzada 1. Mejorar el sello hidráulico entre dos zonas que manejan fluidos. 2. Corregir la cementación primaria en la boca de una cañería corta (liner) o en la zapata de una cañería cementada, que manifieste ausencia de cemento en la prueba de goteo. Esta prueba consiste en la aplicación al agujero descubierto, inmediatamente después de perforar la zapata, de una presión hidráulica equivalente a la carga hidrostática, que ejercerá el fluido de control con el que se perforará la siguiente etapa. Esto se realiza durante 15 a 30 minutos, sin abatimiento de la presión aplicada. 3. Eliminar la intrusión de agua al intervalo productor. 4. Reducir la relación gas petróleo. 5. Sellar un intervalo explotado. 6. Sellar parcialmente un intervalo que se seleccionó incorrectamente. 7. Corregir una canalización en la cementación primaria. 8. Corregir una anomalía en la cañería de revestimiento.
Tapones de Cemento.- Los tapones comprenden un cierto volumen de lechada de cemento, colocado en el agujero o en el interior de la cañería de revestimiento. Objetivos de los Tapones de Cemento 1. Desviar la trayectoria del pozo arriba de un pescado o para iniciar la perforación direccional. 2. Taponar una zona del pozo o taponar el pozo. 3. Resolver un problema de pérdida de circulación en la etapa de perforación.
Herramientas o Accesorios de cementación. Hay diferentes tipos de herramientas o accesorios para el desarrollo de una buena cementación, éstos son:
ZAPATA GUIA Una zapata guía es colocada en la primera pieza de cañería que se va a bajar al pozo, tiene la punta de la nariz redondeada para pasar cualquier saliente, desviación u otra irregularidad del pozo y evitar desestabilizar el pozo. Las zapatas guías no contienen válvulas de contra presión, ni mecanismos de control de flujo. La nariz y los componentes internos son construidos de materiales re-perforables (molibles), como son el cemento y aluminio. El cuerpo generalmente es construido del mismo acero que las conexiones de las tuberías de revestimiento, típicamente K-55 o N-80. Las zapatas guías son generalmente usadas en profundidades someras o moderadas combinadas con un collar flotador o uno de auto llenado.
EQUIPO DE FLOTACIÓN: A medida que se incrementa la profundidad de perforación, las estructuras de las torres de perforación se ven sometidas a mayores esfuerzos y fatigas por incremento de la longitud y peso de las cañerías de revestimiento. El uso de equipos de flotación reduce estos esfuerzos y fatigas, aprovechando el efecto de flotación aplicado a las tuberías. Los equipos de flotación consisten de zapatas y collares especiales con válvulas de contrapresión que impiden la entrada de los fluidos del pozo. Conforme la tubería es bajada, la carga al gancho del bloque viajero (o Top Drive) es reducida. La cañería debe ser llenada desde superficie cada 5 a 10 cañerías.
COLLAR FLOTADOR
El collar flotador se coloca 1 o 2 piezas de cañerías arriba de la zapata guía. El collar flotador contiene una válvula de contra flujo que no permite a la lechada de cemento retornar hacia arriba de la cañería. Esto es necesario porque la lechada de cemento en el espacio anular generalmente tiene mayor densidad que el fluido de desplazamiento (lodo o agua) dentro de las cañerías, en este sentido se crea un efecto de tubo en U. Algunas veces el zapato guía también tiene una válvula de contra flujo como precaución (estas zapatas se llaman “Zapatas Flotadoras”)
CENTRALIZADORES Una gran necesidad en la tecnología de la cementación es el centrado de las cañerías de revestimiento que se van a cementar. Los centralizadores son nervaduras metálicas abisagradas que se instalan en la sarta de cañerías de revestimiento con la finalidad básica de centrarla y asegurar una buena cementación alrededor de la misma. Sus funciones básicas son: • Disminuir los problemas de resistencia al bajar la cañería al pozo. • Centrar la cañería de revestimiento. • Minimizar problemas de pegamiento por presión diferencial. • Reduce los problemas de canalización del cemento. Los centralizadores se requieren particularmente en pozos desviados, donde la cañería tiende a quedarse sobre la parte baja de los pozos. Los canales de lodo tienden a formarse en estas partes bajas, evitando un buen trabajo de cementación. El espaciamiento de los centralizadores varía dependiendo de los requerimientos de cada operación de cementación. En zonas críticas y lugares en el pozo con desviación elevada, se deben espaciar estrechamente, mientras que pueden no ser necesarias en otras partes de la sarta de cañerías.
RASCADORES/RASPADORES/ARAÑADORES Son dispositivos que se corren sobre las cañerías con la finalidad de remover el revoque del lodo de perforación depositado sobre las paredes del pozo y disolver el lodo gelificado o floculado. A veces son usados sobre las formaciones productoras. Pueden ser de alambres de acero o cables de acero; por tanto, la buena adherencia entre la tubería de revestimiento y el cemento y entre el cemento y la formación dependerá de la limpieza de la película de lodo.
TAPONES El tapón de cemento es una barrera entre el lodo y el cemento, el cual provee una separación física entre los dos fluidos. Las malas operaciones de cementación, especialmente alrededor del zapado de la cañería, son el resultado de lechada de cemento contaminada por el lodo. Las principales funciones de un tapón de cemento son: • Separar el lodo del cemento. • Limpiar el interior de la cañería de revestimiento de lodo de perforación antes de que la lechada sea bombeada y limpia el interior de la cañería de revestimiento de la película de cemento que queda después de que se bombeo el volumen completo del mismo. • Prevenir la canalización del cemento. • Otorgar una indicación en superficie de que la lechada fue totalmente desplazada a su lugar. • Permitir presurizar la cañería para ser probada.
Tapon superior inferior (vista en corte)
Tapones superior e inferior
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CABEZA DE CEMENTACION Las cabezas de cementación con contenedores de acero de alta resistencia a la presión interna y a la tensión, que albergan uno o los dos tapones inferior y superior, un sistema mecánico o hidráulico para soltar los tapones durante la operación de cementación, en el momento que se requiera sin parar la operación. Proveen la concesión entre la línea de descarga de la unidad de cementación y el tope de la sarta de cañerías. Estas piezas son usadas en las operaciones de cementación primaria. Se encarga de liberar el tapón inferior, al momento de que se mezcla y bombea hacia abajo la lechada de cemento, luego libera el tapón superior para desplazar el cemento sin necesidad de romper la conexión con el tope de las cañerías. Normalmente se usa lodo para desplazar la lechada de cemento, para lo cual se pueden usar bombas de cementación o las bombas de lodo del equipo de perforación. Para que las operaciones sean más cómodas se debe instalar la cabeza de cementación lo más próxima del nivel del piso de la torre de perforación.
Problemas Comunes de Cementación Problemas comunes que afectan todos los trabajos de cemento incluyen:
Condición pobre del agujero (patas de perro, estabilidad del agujero descubierto, desgastes, llenado del agujero, cama de recortes, etc.) Condición pobre del lodo (altas fuerzas de gel y punto de resistencia, alta perdida de fluido o filtración, enjarre grueso, alto contenido de sólidos, perdida de material de circulación, incompatibilidad de lodo/cemento). Centralización pobre (el cemento no se coloca uniformemente alrededor de la tubería de revestimiento, dejando lodo en el sitio). Perdida de Circulación Presión Anormal Presión Subnormal Presión Alta
Conclusiones: La cementación tiene una gran importancia en la vida del pozo, ya que los trabajos de una buena completación dependen directamente de una buena cementación. Entre los objetivos de la cementación de pozos petroleros está: evitar que las aguas superficiales contaminen los acuíferos, así como también el de aumentar la resistencia mecánica y a la corrosión de las tuberías de revestimiento, entre otros. En cementaciones de tuberías, éstas deben estar correctamente centradas en la perforación (centradores), existiendo suficiente margen de diámetro entre tubería y perforación. El tipo de cemento y los aditivos que se utilicen dependerán de cada caso en concreto. Bibliografía:
http://industria-petrolera.blogspot.com/2009/01/cementacion-de-revestidores.html http://www.scribd.com/doc/18686951/Cementacion-de-Pozos http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020148241/1020148241_02.pdf http://www.cienciahoy.org.ar/ln/hoy83/cemento.htm http://www.scribd.com/doc/25850057/Tema-1-Tema-1-–-Cementos
http://www.scribd.com/doc/25850084/Cementacion-de-Los-Distintos-Tipos-de-Casing
http://www.scribd.com/doc/25291115/Cementacion-de-Pozos
