CEMENTOS PETROLEROS
1. INTRODUCCION Una de las etapas fundamentales durante las operaciones de perforación de pozos petroleros es la etapa de cementación, con la cual se pretende lograr el aislamiento zonal. Sin embargo, la propia experiencia de ingenieros de campo y estudios realizados han revelado que un tercio de las fallas originadas en la cementación corresponden a la migración de gas presente en las formaciones, las cuales están presentes en los distintos tramos de la columna estratigráfica a perforar y se encuentran presurizados causando diferentes problemas operacionales,, pero además el problema no solo se da a lo largo de los distintos tramos a cementar sino en el último tramo, liner de produccion cuando se trata de reservorios netos de gas. La migración de gas consiste en la invasión de gas presente en la formación dentro del anular cementado, en el cual el gas puede viajar hacia zonas de más baja presión o hacia la superficie. Debido a la magnitud del problema, se han estudiado diversas propiedades del cemento como pérdida de fluido, permeabilidad, fuerza de gel estática, entre otras, a fin de establecer cómo afectan en la migración de gas. Este problema resulta un verdadero desafío en la cementación del último tramo,
liner de produccion, en reservorios de gas o de petróleo con capa de gas, ya que es necesario controlar la invasión de fluidos hacia el pozo no solo con el fluido de perforación sino también con el cemento. Debido a la dificultad que existe para detectar el problema inmediatamente y más aún para corregirlo, se han desarrollado numerosas técnicas especializadas de cementación y sistemas de cemento con la finalidad de prevenirlo.
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2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Estudiar y realizar un análisis completo del proceso de cementación en pozos gasíferos para determinar y subsanar los problemas ocasionados en los diferentes tramos durante esta etapa.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Describir la finalidad del proceso de cementación en pozos gasíferos
Analizar los problemas que ocasionan las formaciones con acumulaciones de gas en el proceso de cementación
Detallar las posibles causas para que se de una migración de gas en el anular cementado
Dar a conocer las consecuencias que ocasionaría la migración de gas en la etapa de cementación
Proporcionar ciertas soluciones para evitar la migración de gas en el anular cementado.
3. MARCO TEORICO CEMENTACION EN POZOS GASIFEROS El objetivo principal de la cementación de pozos es proporcionar la lechada de cemento necesaria para que una vez solidificada se forme una barrera que permita lograr el aislamiento zonal. Esto con la finalidad de prevenir la migración de gas u otros fluidos presentes en la formación, además de servir como soporte para la tubería y protegerla de la corrosión.
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Figura 1. Migración de gas a través del anular cementado En el proceso de cementación de pozos gasíferos o pozos en cuya secuencia estratigráfica exista formaciones con acumulaciones de gas se generan diferentes problemas al momento de aislar estas zonas del pozo.
MIGRACION DE GAS La migración de gas, también conocida como flujo anular conlleva a la acumulación de presión detrás de las cañerías de revestimiento, este problema es llamado Sustained Casing Pressure (SCP por sus siglas en ingles). La acumulación de presión indica que existe comunicación con las formaciones lo cual significa que no ha habido un adecuado aislamiento de las distintas zonas. La migración de gas consiste en el movimiento del gas que se encuentra en la formación hacia canales creados en el anular cementado. Este fluido puede migrar hacia las zonas de más baja presión o hacia la superficie.
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Figura 2. Escenarios que muestran la migración de gas en el anular cementado El gas anular puede originarse en:
Zonas productivas
Formaciones gasíferas no comerciales
Habitualmente los flujo de gas más comunes y peligrosos se dan en el tramo intermedio, y tiene lugar generalmente después de la cementación o antes de que el cemento fragüe. El gas puede fluir a través del cemento permeable, siempre y cuando este no contrarreste con la suficiente presión hidrostática.
RUTAS DE MIGRACION DEL GAS El gas fluye por el anular a través de tres trayectorias: la interfase cemento/formación; la interfase cemento/tubería;los canales formados a través de la matriz del cemento
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Figura 3ª. Migración de gas
Figura 3b. Posibles caminos de migración de gas FACTORES QUE CONTROLAN LA ENTRADA DEL GAS PRESENTE EN LA FORMACION AL ANULAR CEMENTADO
Perdida de la lechada de cemento a la formación adyacente
Para que ocurra el proceso de deshidratación del cemento y pueda migrar el gas, debe existir una zona permeable por encima del reservorio de gas. Las partículas del cemento (torta de filtrado) se van aglomerando contra esa zona permeable por lo que no se transmite la presión hidrostática en toda la columna de cemento. Esto 5
CEMENTOS PETROLEROS trae como consecuencia que la presión hidrostática comience a disminuir hasta que se iguala o se hace menor que la presión del reservorio de gas, por lo que éste comienza a entrar en el anular.
Figura 6. Perdida de presión hidrostática debido a la pérdida de volumen
Perdida de volumen durante las reacciones de hidratación del cemento
La reducción del volumen por la reacción de hidratación ocurre en el cemento Portland durante el proceso del fraguado. Esta pérdida resulta de la combinación química del agua y los compuestos reactivos del cemento.
Desarrollo de la fuerza de gel estática dentro de la lechada
Después que la lechada de cemento se coloca en el anular, ésta se comporta inicialmente como un fluido el cual trasmite por completo la presión hidrostática. Cuando la lechada de cemento está un tiempo estática las fuerzas iónicas pueden crear una estructura terciaria débil que posteriormente se transformará en una estructura más fuerte. Esta estructura es lo que se conoce como gel, el cual se define como una estructura que posee propiedades de cohesión que pertenecen al estado sólido. Asimismo, es la que señala el punto en el cual la lechada de cemento comienza a cambiar de un fluido hidráulico que transmite completamente la presión hidrostática a un material sólido al cual se le puede medir la resistencia a la compresión.
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Figura 7. Fraguado de cemento La fuerza de gel estática (SGS por sus siglas en ingles), se define como la fuerza adhesiva de un fluido a la pared del hoyo o revestidor y el tiempo de transición se define como el intervalo durante el proceso de fraguado desde que la columna de lechada comienza a perder capacidad para transmitir toda la presión hidrostática hasta que el cemento desarrolla suficiente fuerza de gel para prevenir la entrada o migración de gas. S e ha determinado experimentalmente que este valor debe ser mínimo 500 lbf/100 ft 2. En el siguiente diagrama se muestra claramente el efecto que tiene la gelación del cemento sobre la caída de presión hidrostática hasta el punto de potencial invasión de gas. Este es uno de los puntos de mayor interés en el estudio de migración de gas, ya que teóricamente si el cemento no posee
500lb-f/100ft2 en este momento, el gas puede invadirlo. Es por esta razón que se deben realizar pruebas para verificar si realmente el cemento es capaz de controlar la entrada de gas en este punto.
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Figura 8. Efecto de la gelacion del cemento sobre la pérdida de presión hidrostática. CAUSAS MÁS PROBABLES PARA QUE SE DE LA MIGRACIÓN DE GAS
Fugas en la tubería de revestimiento Pobre desplazamiento del lodo de perforación Diseño inadecuado de la lechada de cemento Daño de la cementación primaria después del fraguado
Figura 4. Escenario de migración de gas DISEÑO INADECUADO DE LA LECHADA DE CEMENTO El flujo que tiene lugar antes de que fragüe el cemento es el resultado de la perdida de presión hidrostática al punto tal que el pozo deja de estar en condiciones de sobrebalance. Esta disminución de la presión hidrostática es el resultado de diversos fenómenos que tienen lugar como parte del proceso de fraguado del cemento. Al momento del fraguado, el cemento pierde volumen debido a dos factores: 1) Cuando la formación es permeable el sobrebalance de la presión hidrostática arrastra el agua del cemento hacia la formación. 8
CEMENTOS PETROLEROS 2) Reducción del volumen de hidratación al fraguar el cemento, debido a que el cemento fraguado es más denso y ocupa menos volumen que la lechada liquida. La pérdida de volumen sumada a la interacción entre el cemento parcialmente fraguado, pared del pozo y el casing produce una pérdida de presión hidrostática que conduce a una condición de bajo balance, lo cual conlleva a una invasión de gas.
DAÑO DEL CEMENTO DESPUES DEL FRAGUADO Los esfuerzos variables en el pozo, como operaciones realizadas después del fragüe, trabajos de expansión y contracción entre el casing y cemento, pueden generar micro espacios anulares o pasaje de flujo (Fracturas en el cemento) dificultando la adherencia y permitiendo la entrada de gas de las formaciones.
AISLAMIENTO DE GAS CON CEMENTO La integración de los fluidos de perforación, el diseño del espaciador y las técnicas de desplazamiento constituyen la base para para una buena colocación del cemento. La permeabilidad del cemento depende de la fracción sólida en la lechada.
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CEMENTOS PETROLEROS Para lechadas de alta densidad la permeabilidad tiende a ser baja mientras que para las de baja tiende a ser más elevada, sin embargo existen productos y técnicas que crean este tipo de lechada con baja permeabilidad. Durante la colocación del cemento se deben mantener condiciones de sobrebalance en las formaciones gasíferas hasta reducir la vulnerabilidad del cemento a la invasión de gas. Una técnica para aumentar o mantener el sobrebalance es la aplicación de presión al espacio anular luego de la operación de cementación usualmente mediante aplicación de presión desde superficie. Ejemplo: Bombear cemento de fraguado rápido delante del cemento convencional, para de esta manera ejercer mayor presión y evitar la invasión de gas. Las características y distribución del tamaño de la partículas de cemento pueden contribuir significativamente tanto a la resistencia al influjo de gas como al mantenimiento de un sello hidráulico sustentable. Una de las tecnologías empleadas es el empleo del cemento FlexSTONE el cual está diseñado para expandirse haciendo aún más estanco al sello hidráulico contribuyendo a evitar el desarrollo micro espacios anulares, al contrario de los cementos PORTLAND convencionales los cuales se contraen durante el fraguado.
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Figura 5. Cemento flexSTONE CONTROL DEL FENOMENO DE MIGRACION DE GAS
Alteración de las características de la lechada de cemento.
Esto logra alterando las tres características que afectan al cemento tales como, desarrollo de la fuerza de gel estática, pérdida de fluido, o reducción de volumen. Se han desarrollado algunas metodologías para crear las alteraciones necesarias. Estas incluyen el incremento del control de pérdida de fluido, ejerciendo una presión sobre el anular después que se coloca el cemento, incrementando la densidad de los fluidos en el pozo, ajustando el tiempo de espesamiento de la lechada, disminuyendo la columna de cemento, disminuyendo el tiempo de transición del cemento, incrementando la compresibilidad, o disminuyendo la permeabilidad interna del cemento
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Método mecánico
Este método consiste en colocar un sello externo al revestidor, es decir un Packer entre el casing y la formación) para retener al gas en las zonas más profundas del pozo. Este es instalado en el revestidor colgante por encima de la zona de gas, y posteriormente el cemento es colocado normalmente. Cuando el cemento es colocado y aún no ha fraguado el sello expande formando un sello mecánico para el flujo de gas.
Incremento de la presión inicial
Este método consiste en incrementar la densidad del fluido con la finalidad de aumentar la diferencia de presión para lograr que la formación de gas sea taponada. Así mismo se puede aplicar presión en la superficie o incrementar la densidad del fluido de perforación para crear los mismos efectos. Todo esto se debe realizar tomando en consideración los valores máximos permitidos de densidad y presión para evitar posibles fracturas sobre la formación.
Técnicas de ensayo de laboratorio.
Existe una gran variedad de prototipos que intentan describir o simular el proceso de migración de gas.
Cementos impermeables 12
CEMENTOS PETROLEROS La migración de gas puede ser prevenida mediante reducción de la permeabilidad de la matriz de los sistemas de cemento, esto se logra deteniendo el fluido que se mueve a través de los poros o el cierre de los poros por sí mismo. Una de las tecnologías empleadas en las lechadas de cemento para que sean impermeables, ha sido la adición de partículas de LATEX, que actúa después que se generan los esfuerzos de compresión generando una reducción y taponamiento de los espacios porosos entre los partículas de cemento, genera una reducción de la permeabilidad limitando así la migración de gas.
Figura Partículas de látex en el cemento CONSECUENCIAS QUE ORIGINA LA MIGRACION DE GAS Las consecuencias de la migración de gas son numerosas y lamentablemente éstas no se pueden detectar inmediatamente. Una de la más desastrosa es cuando la presión del gas o el flujo de gas son tan grandes que llegan a la superficie, causando generalmente la pérdida total del pozo. La cementación remedial se realiza hasta que se logra parar el flujo de gas, y la presión del gas se reduce a niveles seguros. Sin embargo, la eficiencia de este trabajo en tal situación es muy pobre debido a que los canales de gas son difíciles de localizar. Estos pueden ser tan pequeños que no se pueden rellenar con 13
CEMENTOS PETROLEROS cemento o la presión ejercida durante la cementación remedial es suficiente para causar fracturas a la formación. En general, se puede decir que los trabajos de reparación son muy costosos por lo que resulta más conveniente prevenir el problema de migración de gas que repararlo
DESAFIOS DE LA CEMENTACION DE POZOS GASIFEROS Control de Flujo de gas anular : A veces llamado migración de gas, se produce cuando el gas forma canales debido a que la columna de cemento pierde su capacidad de mantener la presión de sobrebalance en la formación. Hay dos tipos de migración de gas, una es a corto plazo, estas son las que se producen antes de que se fije el cemento, y de largo plazo, que se desarrolla después de que el cemento
se
ha
fijado.
Flujo de gas en los anulares a menudo se presenta como burbujas de gas en la parte superior del anular o en la zona de flujo de gas detectado por los registros sonicos o de los registros de temperatura. Sin embargo, incluso antes de que esta manifestación se produzca, los operadores pueden predecir con precisión el potencial de la migración de gas y el uso de uno o de una combinación de tratamientos para ayudar a prevenir el flujo de gas. Los tratamientos pueden incluir:
Mejorar el control de pérdida de fluido.
El aumento de la densidad de líquidos
Acortamiento de la columna de cemento (utilizando fase de cementación )
Aplicando la presión anular
Uso especial tixotrópico o compresibles (espumado) lodos de cemento.
Una columna de cemento debería ser suficiente para mantener una presión de sobrebalance entre el gas y la formación y evitar la migración de gas hasta que el cemento se fije. Sin embargo, a menos que los ingenieros de cementación diseñen un fluido específico para prevenir el flujo de gas durante la colocación, este no podrá mantener la capacidad de transmitir plenamente la presión hidrostática en una condición estática 14
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4. CONCLUSIONES
Gracias al presente trabajo se logró realizar un análisis de la cementación en pozos gasíferos, se pudo observar que este tipo de cementación tiene un alto grado de complejidad y por esta razón requiere cierto tipo de estrategias para su ejecución, las formaciones de la columna estratigráfica que contienen gas dificultan completamente el aislamiento entre la cañería de revestimiento y la formación y pueden generar elevados costos y problemas operacionales.
Sin embargo nuevas tecnologías y estrategias se han empleado para hacer frente a la migración de gas en el anular durante el proceso de cementación, la más importante que se considera es el control de la presión hidrostática y un buen control de los aditivos y la fuerza de gel de la lechada de cemento para controlar un fraguado óptimo para evitar perdida rápida de la presión hidrostática.
No obstante la tecnología juega un papel muy importante en el control de migración de gas, como por ejemplo cementos impermeables y aditivos que reducen la permeabilidad y porosidad del cemento impidiendo la migración en operaciones de cementación.
5. BIBLIOGRAFIA Geilhy Márquez, EVALUACIÓN DE MATERIALES CEMENTANTES PARA POZOS DEPETRÓLEO Y/O GAS CON PROPIEDADES ANTIMIGRATORIAS DEGAS, Universidad Central de Venezuela. Del lodo al cemento, Construcción de pozos de gas, Oilfield review, Schlumberger, www.slb.com Getting to the Root of Gas Migration, https://www.slb.com/~/media/Files/resources/oilfield_review/ors96/spr96/ors 96_gas_p36_49.pdf
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