15 s a d e a d z r n o f ó i s c e u n c o i e j c E a y t n o e ñ m e s i e D C
Terminación
GUÍA DE
Guía de Diseño y Ejecución de
CONTENIDO
Cementaciones forzadas
1. OBJETIVO 2. INTRODUCCIÓN 3. DEFINICIONES 4. TEORÍA DE LA CEMENTACIÓN FORZADA 5. PARÁMETROS DE DISEÑO 6. METODOLOGÍA DE DISEÑO 7. SECUENCIA OPERATIVA APÉNDICE 1 Nomenclatura APÉNDICE 2 Cálculo de una cementación forzada APÉNDICE 3 Referencias ANEXO 1 Diagrama de ujo para una cementación forzada con empacador recuperable ANEXO 2 Diagrama de ujo para una
cementación forzada con retenedor de cemento
ANEXO 3 Diagrama de ujo para una cementación forzada con tubería
franca La cementación forzada es un proceso
mediante el cual el cemento es inyectado o forzado en los disparos y en el espacio anular entre la tubería de revestimiento y la formación, a menudo se requiere obtener una trayectoria de ujo hacia el espacio anular y normalmente no se espera retorno de uido en la supercie. Los disparos o el espacio anular se llenan con cemento permitiendo el incremento en la presión de bombeo para “forzar” la lechada
de cemento al área deseada, alcanzando su estado sólido o fraguado, lo que forma un tapón que bloquea el movimiento de uidos.
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CONTENIDO
Cementaciones forzadas
1. OBJETIVO 2. INTRODUCCIÓN 3. DEFINICIONES 4. TEORÍA DE LA CEMENTACIÓN FORZADA 5. PARÁMETROS DE DISEÑO 6. METODOLOGÍA DE DISEÑO 7. SECUENCIA OPERATIVA APÉNDICE 1 Nomenclatura APÉNDICE 2 Cálculo de una cementación forzada APÉNDICE 3 Referencias ANEXO 1 Diagrama de ujo para una cementación forzada con empacador recuperable ANEXO 2 Diagrama de ujo para una
cementación forzada con retenedor de cemento
ANEXO 3 Diagrama de ujo para una cementación forzada con tubería
franca La cementación forzada es un proceso
mediante el cual el cemento es inyectado o forzado en los disparos y en el espacio anular entre la tubería de revestimiento y la formación, a menudo se requiere obtener una trayectoria de ujo hacia el espacio anular y normalmente no se espera retorno de uido en la supercie. Los disparos o el espacio anular se llenan con cemento permitiendo el incremento en la presión de bombeo para “forzar” la lechada
de cemento al área deseada, alcanzando su estado sólido o fraguado, lo que forma un tapón que bloquea el movimiento de uidos.
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1. OBJETIVO El presente documento tiene como objetivo el establecer los fundamentos, diseño y ejecución de una cementación
forzada con las diferentes técnicas de colocación, así como, proporcionar al ingeniero de pozo, los principales elementos técnicos que le permitan conceptualizar el proceso de una
cementación planeación
forzada hasta
su
desde
la zona que se encuentra en explotación se vuelve económicamente incosteable; por lo que se requiere aislarlo para continuar con la explotación de una zona superior. Existen diversas razones para llevar a cabo un trabajo de cementación forzada,
siendo las más comunes:
la
ejecución;
además, que cuente con los elementos necesarios para interpretar los resultados de las pruebas de laboratorio a las cuales se someten las lechadas de cemento.
a. Corrección de cementaciones primarias debido a canalizaciones o altura insuciente de cemento en el espacio anular. b. Eliminación de inujos de agua de las zonas productoras. c. Reducción en la Relación de Gas-
Aceite, Agua-Aceite, aislando el
2. INTRODUCCIÓN En las diferentes fases de construcción de un pozo, es imperativa la introducción y cementación de tuberías de revestimiento con la nalidad de proteger el agujero perforado y a las zonas de interés, a este tipo de trabajos
d.
se
f.
les
denomina
cementaciones
e.
primarias.
Los resultados de estas cementaciones en un buen porcentaje no son satisfactorios, por lo que hay la necesidad de efectuar trabajos remediales a las mismas para garantizar el aislamiento de las zonas de interés o productoras mediante un sello hermético, a este tipo de trabajos se les conoce como cementación forzada o remediación. Las cementaciones forzadas se pueden realizar durante la vida productiva de un pozo, el cual llega un momento en que
2
g.
h.
aporte de gas o agua de intervalos adyacentes. Reparación de la Tubería de Revestimiento debido a corrosión o roturas. Abandono de zonas improductivas o depresionadas. Taponamiento total o parcial de intervalos múltiples en pozos de inyección, con la nalidad de mejorar la misma a la zona deseada. Probar intervalos múltiples en pozos exploratorios aislando uno a uno, con la nalidad de evitar interferencias e interpretaciones erróneas durante las pruebas de producción. Sellar zonas de perdida de circulación.
Este documento, tiene como premisa el proporcionar una referencia rápida para el diseño y ejecución de trabajos de cementación forzada, así como también,
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discretizar los criterios de diseño e interpretación de los resultados.
3. DEFINICIONES Con la nalidad de obtener una mayor claridad de la terminología a utilizar en la descripción del mecanismo y de las
diferentes técnicas de colocación, es necesario en primera instancia denir algunos conceptos relacionados con la cementación forzada. Cemento. Mezcla compleja de caliza, sílice, erro y arcilla, los cuales son
molidos y calcinados, que al entrar en contacto con el agua forma un cuerpo sólido. Esta mezcla de ingredientes se muele, se calcina en hornos horizontales con corriente de aire y se convierte en clinker, el cual contiene todos los componentes del cemento, excepto el sulfato de calcio, que se le agrega como ingrediente nal.
Requerimiento de agua. Este término reere a la cantidad de agua por saco de cemento que se requiere para generar la lechada. Rendimiento de la lechada. Es el volumen de uido producido cuando un saco de cemento y aditivos se mezclan con agua, generando la lechada, se expresa en litros/saco. Presión de bombeo. Es la presión requerida para forzar el ltrado de la lechada en la formación sin fracturarla. Gasto de inyección. Es el volumen de uido que será bombeado por unidad de tiempo, normalmente se expresa en bbl por minuto (bpm). Presión nal. Presión deseada para garantizar la deshidratación del cemento al término de la operación.
Gradiente de fractura es una función Lechada de cemento. Suspensión altamente concentrada de partículas sólidas (cemento) en el agua.
de esfuerzo de sobrecarga, la presión
Deshidratación de cemento. Es el proceso mediante el cual, el cemento forma un enjarre y se endurece en la cara de la formación.
Presión de cierre instantáneo es la
Filtrado de uidos. Es el volumen líquido perdido en la matriz de la roca en un determinado lapso de tiempo.
Presión hidrostática es la presión ejercida por una columna de un uido a una profundidad vertical dada y actúa de igual forma y en todas direcciones.
de formación y la relación entre los esfuerzos verticales y horizontales.
registrada por un manómetro en el momento preciso de para la inyección de cualquier uido.
Enjarre. Es la película que se forma con la depositación de sólidos al ltrase el uido en un medio poroso.
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4. TEORÍA DE LA CEMENTACIÓN FORZADA
Cementación primaria
TR Cemento deshidratado
La cementación forzada es un proceso mediante el cual, la lechada de cemento es inyectada o forzada hacia la formación a través de los disparos o roturas en la tubería de revestimiento, a una presión mayor a la que ejercen los uidos contenidos en ella, los cuales son desplazados a su interior sin romper o fracturarla. El efecto de la presión y la temperatura hace que el cemento se deshidrate y
alcance su estado sólido formando un enjarre, el cual bloquea el movimiento de uidos hacia el pozo. Independientemente de la técnica utilizada para la colocación de la lechada de cemento, esta es sometida a una presión diferencial contra el medio poroso de la formación, lo que resulta en un proceso de ltración de la fase acuosa y los productos miscibles en ella hacia la matriz de la
roca, mientras que los sólidos de la mezcla se depositan en el exterior de la misma, lo que forma un enjarre y que con el paso del tiempo se consolida. La gura 1, esquematiza la formación de nodos de cemento que se van formando cuando la lechada es inyectada y pierde la fase acuosa por la ltración de la misma hacia la formación.
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Nodos de Cemento
FORMACIÓN
Figura 1. Esquematización de la inyección de cemento en una perforación de la TR.
El enjarre formado tiene una permeabilidad alta a su inicio, pero a medida de que las partículas de cemento se acumulan, el espesor del mismo y su resistencia hidráulica aumentan. La velocidad de la formación del enjarre
esta en función de: a. b. c. d.
Permeabilidad de la formación. Presión diferencial aplicada. El tiempo. Capacidad de la lechada a perder uido a condiciones de pozo.
La deshidratación de una lechada de cemento esta en función de la velocidad de pérdida del agua de la misma. Cuando una lechada de cemento es
inyectada contra una formación con baja permeabilidad, la deshidratación de la lechada es lenta, debido a que la velocidad de perdida de ltrado es baja.
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Por lo contrario, en formaciones de alta permeabilidad, la deshidratación de la lechada es rápida, debido a que la velocidad de pérdida de ltrado es alta; consecuentemente, el pozo puede bloquearse por enjarre y los canales a través de los cuales acepta cemento deberán estar puenteados. La gura 2 esquematiza el proceso de deshidratación de la lechada de cemento en función a la velocidad de perdida de ltrado en la formación.
4.1. Métodos de la cementacíón forzada Generalmente la inyección de la lechada de cemento es realizada a través de los disparos hechos en la tubería de revestimiento y para la colocación de la misma, se puede realizar principalmente de dos maneras: a. Inyección de lechada a baja presión. b. Inyección de lechada a alta presión.
4.1.1. Cementación forzada a baja presión TR totalmente tapado
TR parcialmente tapado Disparos completamente llenos Disparos parcialmente Llenos
Figura 2. Esquematización del efecto de la perdida de ltrado en la formación.
La lechada ideal para una cementación forzada deberá ser diseñada entonces para controlar la velocidad de construcción del enjarre y permitir que éste sea uniforme con un ltrado proporcional sobre toda la supercie permeable. Las bases teóricas y prácticas relativas
a los fundamentos de la formación del enjarre, se localizan en las publicaciones de Binkley, Dumbauld y Hook.
En este tipo de cementacíón forzada el objetivo es, la de llenar las cavidades de los disparos de cemento deshidratado. El volumen de cemento es normalmente pequeño, debido a que la lechada de cemento no es bombeada hacia la formación, por lo que es primordial mantener un preciso control de la presión en el fondo (Ph + Ps), ya que a una mayor presión al gradiente de fractura podría producir un rompimiento de la formación. Para tener el control de la presión en el fondo debe realizarse una prueba de admisión, con la nalidad de establecer el gasto máximo permisible sin exceder la presión de fractura y el volumen de uidos a forzar a la formación. Esta técnica se ha vuelto más eciente con el desarrollo de lechadas de cemento con bajo ltrado y en combinación de herramientas en el fondo del pozo (empacadores recuperables
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o retenedores de cemento), se evita exceder la presión de fractura de
dentro de las fracturas, permitiendo que la misma llene las zonas deseadas.
la formación, mediante la inyección continua de la lechada o haciendo paros (estáticos) durante la misma.
La cementación forzada mediante este concepto se realiza en una sola etapa, ya que en bombeos alternados o periodos de espera, las propiedades de lechadas con bajo ltrado, causan que el enjarre se compacte en la formación o dentro de los disparos, mientras el resto de la lechada permanece uida dentro de la tubería de revestimiento o en la sarta de trabajo.
Se pude decir, que el objetivo de una cementacíón forzada a alta presión, es la de establecer la presión necesaria para deshidratar la lechada de cemento contra las paredes de la formación y sellar los canales de la misma para evitar el ujo de los uidos desde las fracturas a los disparos.
4.1.2. Cementación forzada a alta presión En algunos casos, una cementacíón forzada a baja presión no lograra los objetivos del trabajo, debido a la ineciencia en la remoción de uidos
o sedimento que se encuentra en el interior de las cavidades de los disparos. Esta obstrucción hace que
la comunicación entre la formación y el pozo no sea eciente, ya que, las pequeñas cavidades o canalizaciones pueden permitir el ujo de los uidos de formación, pero a su vez, no permitan el ujo de la lechada de cemento. Para la colocación de la lechada por detrás de la tubería de revestimiento o cerca de los disparos, es necesario el rompimiento de la formación excediendo la presión de fractura (Figura 3) y los uidos que se encuentran en frente a la lechada de cemento son desplazados
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Figura 3. Representación de la generación de la fractura vertical por efecto de la alta presión de inyección.
Durante una cementacíón forzada bajo este concepto, el inicio y orientación de la fractura creada no puede
ser controlada, ya que en algunas formaciones (rocas sedimentarias), generalmente el esfuerzo de tensión es bajo y la compactación de la roca se origina principalmente por el esfuerzo de sobrecarga (peso de las formaciones). La propagación de la fractura inducida
esta en función del gasto de inyección y de la viscosidad de la lechada de cemento, por lo que, a altos gastos de bombeo se genera fracturas largas y el
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requerimiento de volumen de lechada es mayor para llenarlas.
las técnicas de colocación de la lechada de cemento.
En este tipo de cementacíón no deben bombearse lodos o uidos con baja perdida de uido por delante de las lechadas de cemento, debido a que ellos no se ltrarían en la formación y no podrían ser reemplazados por la misma.
4.1.3. Colocación por balanceo (Bradenhead)
Para evitar taponamientos en los disparos, debería bombearse un bache lavador con alta perdida de ltrado, con la nalidad de limpiar el sedimento en los disparos que pudiera obstruir la inyección de la lechada de cemento hacia la formación.
Esta técnica normalmente se emplea en cementaciones forzadas a baja presión y no existe duda acerca de la capacidad del cabezal y tubería de revestimiento para soportar la presión de inyección.
podría ser contra prudente, ya que la mayoría de las fracturas inducidas son verticales, aun cuando el espacio anular es sellado, la comunicación vertical entre las zonas pudiera establecerse.
Esta técnica utiliza una sarta de trabajo sin herramientas (tubería franca), preferentemente de producción, y el extremo de la misma se ubica por lo general debajo de la zona a cementar; según sea la necesidad, se puede emplear un bache viscoso con la misma densidad de la lechada de cemento, para evitar que la columna que ejerce la misma, se precipite al fondo del pozo.
Como se menciono con anterioridad, las cementaciones forzadas se
Una vez ubicada la sarta de trabajo en su sitio, se coloca la lechada de
pueden realizar a baja o alta presión dependiendo de los requerimientos del pozo, para logar esto, existen técnicas de colocación empleadas en la cementacíón forzada, siendo estas:
cemento frente la zona de interés
En algunos casos, fracturar la formación
a. Colocación por balanceo e inyección de la lechada (bradenhead). b. Colocación a través de herramientas. i. Empacadores recuperables. ii. Retenedores de cemento. A continuación se describen brevemente
como un tapón balanceado; se levanta la tubería lentamente por encima del nivel de cemento o baches a una profundidad de seguridad, se procede el llenado del pozo y se cierran los preventores para iniciar la inyección de la lechada de cemento en la zona de interés, con gasto constante para alcanzar la presión nal requerida.
Se recomienda que la inyección del cemento sea dual, o sea, por la tubería y el espacio anular entre la TP y TR. Figura 4.
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Es importante, previo a la colocación e inyección de la lechada de cemento, realizar una prueba de admisión para vericar el gasto y la presión de inyección. Esta técnica es muy utilizada debido a su simplicidad, ya que no se requiere ningún empacador y todas las tuberías están limpias de cemento antes de realizar la inyección.
revestimiento y el cabezal durante la inyección de la lechada. Esta técnica puede ser dividida en dos métodos: i. Herramientas recuperables ii. Herramientas molibles La profundidad de asentamiento de la herramienta depende de la longitud del intervalo a cementar y la ubicación de los coples de la tubería de revestimiento (apoyado mediante un registro de coples).
Rams Preventores
4.1.4.1. Cementación forzada mediante herramientas recuperables Tubería franca
Las herramientas o empacadores recuperables pueden anclarse y desanclarse muchas veces, lo que proporciona mas exibilidad que las herramientas molibles (retenedores de
cemento), normalmente cuentan con Cemento
(a)
(b)
Figura 4. Representación esquemática de la colocación de la lechada de cemento (a) y el forzamiento de la misma (b).
4.1.4. Cementación forzada con herramientas La razón principal para usar herramientas en una cementación forzada, es para aislar la tubería de
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una válvula de circulación que permite el paso de los uidos a través de ella y evita el efecto “pistón” durante la introducción de la misma al pozo. Al nal de la cementacíón, se descarga la presión, se desancla la herramienta y se establece la circulación en inversa para desalojar el exceso de lechada de cemento. Figura 5. Además, junto con el empacador recuperable puede introducirse un tapón puente para apoyar el peso que ejerce la columna de la lechada de cemento; antes de la operación de cementacíón, se coloca un tapón de arena de fractura sobre el mecanismo
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de recuperación del tapón puente para prevenir el asentamiento del cemento sobre él. Una vez que el empacador y el tapón puente son anclados y probados, se da inicio a la cementacíón forzada. Durante la espera del tiempo de fraguado, el empacador y la tubería son recuperados a la supercie y se efectúan los preparativos de molienda y se limpia el pozo para recuperar el tapón puente.
i. Proveer un medio efectivo en la inyección de la lechada de cemento cuando se trabaja con paros de presión (estáticos), usualmente en
formaciones altamente fracturadas o de alta permeabilidad, que no soportarían el peso de la columna del cemento. ii. Prevenir el retorno de la lechada mientras se deshidrata el cemento. iii. Aislar la presión de circulación en inversa para desalojar el exceso de cemento de la zona cementada.
Válvula de circulación
Empacador recuperable
Cemento
iv. Prevenir el rompimiento del enjarre del cemento en el proceso de deshidratación del mismo, cuando se tiene una alta presión diferencial negativa. Los retenedores de cemento pueden ser anclados con línea de acero o con tubería, cuando se necesita exactitud en
el asentamiento, estos son colocados con línea de acero; sin embargo, el conector o stinger debe ser introducido con la tubería de trabajo. Figura 5. Representación esquemática de la colocación de la lechada de cemento con empacadores recuperables.
El retenedor de cemento cuenta con un puerto de comunicación, el cual
al conectarlo con el stinger esta en posición de apertura y viceversa,
cuando el stinger es desconectado del
4.1.4.2. Cementación forzada mediante herramientas molibles En este método se utilizan los retenedores de cemento en lugar de los empacadores recuperables, para:
retenedor, el puerto se cierra.
Cuando el stinger no esta conectado en el interior del retenedor de cemento, la lechada es circulada cerca de él, en
ese momento el stinger es conectado
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al retenedor e inicia la cementacíón forzada; al nalizar la cementacíón, el
a. Inyección de lechada con bombeo continua (Running Squeeze).
stinger se desconecta y se circula en inversa para desalojar el exceso de la lechada. En algunos casos, antes de circular, la lechada puede ser dejada como un tapón de cemento encima del retenedor y posterior circular en inversa para limpiar la sarta de trabajo. Figura 6. Dependiendo del objetivo de la intervención del pozo, esta herramienta tiene la exibilidad de ser molida para dejar paso libre a otras herramientas y continuar los trabajos en el mismo.
Retenedor de
b. Inyección de lechada de cemento con bombeo intermitente (Hesitation Squeeze).
4.1.5. Inyección de lechada con bombeo continuo (Running Squeeze) Este método de inyección se aplica generalmente cuando se presentan las
siguientes condiciones: i. ii. iii. iv.
Flujos de agua salada. Recementación de zapatas. Recementación en la boca de liners Zonas con pérdida de circulación
cemento
Cuando se presentan esos casos,
generalmente se necesita exceder Cemento emento
la presión de fractura de formación para inyectar la lechada de cemento, por lo que, se requiere de una rápida deshidratación del cemento para limitar
la extensión de la fractura, reducir
Figura 6. Representación esquemática de la colocación de la lechada de cemento con retenedor de cemento.
Independientemente, si la cementacíón forzada se realiza a baja o alta presión, con o sin el empleo de herramientas,
existen dos métodos de inyección de la lechada:
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el volumen de lechada a inyectar y alcanzar un sello cerca de la vecindad del pozo. Por estas razones, la lechada contiene únicamente, cemento, agua y aditivos para retardar o acelerar el fraguado según sea la necesidad. Durante la cementacíón forzada, la lechada es inyectada continuamente hasta alcanzar la presión nal deseada (esta puede estar por encima o por debajo de la presión de fractura).
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4.1.6. Inyección de lechada de cemento con bombeo intermitente (Hesitation Squeeze) Este método de inyección se aplica generalmente cuando se presentan las
siguientes condiciones: i. ii. iii. iv.
Intervalos grandes o múltiples Canalizaciones o suras Formaciones depresionadas
Formaciones naturalmente fracturadas
comparación de una cementación forzada con bombeo continuo (Running Squeeze), pero se requieren de largos periodos de intermitencia para iniciar a construir el enjarre. Básicamente, los diseños de la lechada son con baja perdida de ltrado, lo cual permite formar el enjarre en combinación de gastos de inyección bajos y con largos tiempo de paros o estáticos (no mayores a 30 minutos).
La duración del estático o intermitencia, Este método consiste en bombear la lechada de cemento de manera intermitente a bajo gasto (0.25 a 0.50 bpm), lo que genera bajas presiones de inyección para obtener la deshidratación de la misma dentro de los disparos y en la formación, esto se debe al bajo ltrado de la lechada (baja perdida de uidos en la formación) y en combinación con paros o estáticos durante la inyección por intervalos de tiempo de 10 a 20 minutos, con la nalidad de generar el enjarre y así obtener la presión necesaria para deshidratar la lechada de cemento. Figura 7. Al inicio de la inyección de la lechada de cemento, la perdida de ltrado es alta debido a que no se ha formado el enjarre, a medida que este se va creando, el ritmo de la perdida disminuye a un punto que se considera despreciable, mientras que la presión de inyección se incrementa. En este método los volúmenes de lechada son normalmente bajos en
dependerá de estos dos parámetros, la perdida de ltrado en la formación y del gasto de inyección.
Figura 7. Comportamiento de la presión de inyección con bombeo intermitente.
4.2. Diseño de la lechada de cemento Los diseños de la lechada de cemento para las cementaciones forzadas deben contemplarse para formaciones de baja y alta permeabilidad, tener en cuenta el objetivo de la misma y de la técnica de colocación a utilizar para realizar la operación.
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Cuando la cementacíón forzada se realiza en formaciones con baja permeabilidad, el ritmo de perdida de ltrado es baja, lo que produce que las lechadas se deshidraten lentamente, causando un no taponamiento de los disparos o canales y el tiempo de operación es excesivo. Caso contrario,
e. Apropiado tiempo de espesamiento, con la nalidad de conocer con seguridad y anticipadamente el tiempo de operación antes de que ocurra la deshidratación de la misma.
cuando se realizan en formaciones de
con el agua de mezclado, cemento y
alta permeabilidad, la pedida de ltrado es mayor, ocasionando que la vecindad del pozo pueda llenarse de lechada y alcanzar una alta deshidratación, lo que origina un puenteo de los canales de la formación o en los disparos.
aditivos a utilizar en la operación.
Las propiedades de la lechada de cemento deben diseñarse de acuerdo a las características de la formación a aislar y de la técnica a utilizar para
la colocación de la misma, de manera general, obtener:
deben
diseñarse
para
Para cada trabajo de cementación forzada, deben realizarse pruebas de laboratorio
Antes de iniciar el trabajo, se debe analizar el agua de mezclado para vericar si existe contaminación en la misma. Además, durante la operación se deben tomar muestras del agua de mezcla, cemento, aditivos y lechada, con la nalidad de realizar pruebas posteriores. Mediante el empleo de un simulador, se reproduce el proceso de la cementación
forzada y se estudia el fenómeno hidráulico, cuidándose los aspectos de
a. Baja viscosidad, con la nalidad de penetrar en las pequeñas suras de la formación. b. Bajo esfuerzo de gel, para facilitar el movimiento de la lechada y prevenir incrementos de la presión de inyección en supercie. c. Valores bajos de agua libre. d. Apropiado control de pérdida por ltrado, con objeto de garantizar el llenado optimo de las suras o disparos y mantener las propiedades de la lechada a lo largo de la colocación.
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seguridad de los materiales a utilizar y los límites permisibles para el manejo de la presión tanto en las tuberías como en los cabezales.
4.2.1. Aditivos de lechada de cemento Para el diseño optimizado de la lechada de cemento, se cuentan con los siguientes aditivos:
Aceleradores. Son productos químicos que reducen el tiempo de fraguado de
los sistemas de cemento e incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva.
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Retardadores. Son productos químicos que prolongan el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento.
Extendedores. Son materiales que bajan la densidad de los sistemas de cemento y/o reducen la cantidad de cemento por unidad de volumen del producto fraguado. Densifcantes. Son materiales que
incrementan
la
densidad
de
los
sistemas del cemento.
Dispersantes. Son productos químicos que reducen la viscosidad de las lechadas de cemento. Controladores de fltrado. Son materiales que controlan la pérdida
de la fase acuosa de los sistemas de cemento, frente a zonas permeables.
Controlador de pérdida de circulación. Son materiales que controlan la pérdida de cemento hacia zonas débiles de la formación o fracturas.
Aditivos especiales. Son los aditivos complementarios, tales como: antiespumantes, controladores de la regresión de la resistencia compresiva, etc.
4.2.2. Espaciadores y limpiadores Para que la lechada de cemento se deshidrate es necesario remover los materiales que pudieran contaminarla en la zona de los disparos y en la cara de la formación. Cuando se trata de
pozos nuevos, normalmente debería removerse los materiales que conforman el uido de perforación (enjarre) durante la cementación primaria; en el caso de los pozos existentes, se deben remover la depositación de incrustaciones, la corrosión, los nos o paranas que aporta la formación. Para ello se bombean baches lavadores que por su composición química, ayuda a dispersar y diluir el uido de perforación, por ejemplo: una solución débil de ácido clorhídrico remueve el uido de perforación base agua, el ltrado del lodo e incrustación de carbonatos. En el caso de incrustaciones de sulfato y paranas deben ser removidas con otros uidos. El volumen del bache lavador generalmente debería ser igual al volumen utilizado para remover el daño presente en la zona de los disparos y en la cara de la formación. Además de los uidos que se utilizan para la remoción de materiales en el pozo, es necesario evitar que la lechada de cemento pudiera contaminarse y para ello, se utilizan uidos que actúan como separadores entre los uidos presentes en el pozo y la lechada de cemento, ya que, de no hacerlo, al estar en contacto con los uidos de perforación o reparación, pudiera modicar sus propiedades esenciales (perdida de uido, tiempo de fraguado, viscosidad, etc.).
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Los baches separadores son bombeados durante la operación por enfrente y atrás de la lechada,
de lechada, la cual esta en función del ancho y altura de las fracturas creadas.
generalmente es agua tratada y los volúmenes están en el orden de 5 a 10 bbl, según sea la necesidad. Cuando
la
lechada
de
cemento
se inyecta contra la formación, es necesario enviar por delante un bache lavador de 50 a 100 gal por pie de intervalo disparado, separado por un uido compatible del mismo volumen.
Cuando se utiliza el método de inyección de lechada continua, los volúmenes son superiores a los 100 bbl, este volumen puede ser minimizado fracturando a bajo gasto y manteniendo la presión de inyección por debajo de la presión de propagación de la fractura. Si la cementacíón es realizada a alta presión y gasto, la longitud de fractura
se desarrolla, resultando en una gran
4.3. Volumen de lechada Para efectuar el cálculo del volumen de lechada de cemento dependerá de: a. La longitud del intervalo y número de disparos. b. La técnica de colocación a utilizar. c. El gasto de inyección. d. El volumen de lechada para llenar la vecindad del pozo. e. El exceso de cemento con base a la experiencia de la zona. Una cementación forzada a baja presión requiere de la construcción del enjarre en cada túnel del disparo, en algunos casos menos de un barril de volumen puede ser suciente; sin embargo, para comodidad del trabajo comúnmente se mezcla un volumen de 5 a 15 bbl y se utilizan gastos de bombeo de 0.25 bpm. En una cementación a alta presión, se requieren grandes volúmenes
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cantidad de cemento bombeado dentro de la formación. Para una referencia rápida en la determinación del volumen de lechada, se pueden utilizar las siguientes reglas de campo (reglas de dedo): a. El volumen no debe exceder la capacidad de la sarta de trabajo, ya que podría ejercer suciente presión hidrostática para fracturar la formación. b. Utilizar dos sacos de cemento por cada pie de intervalo disparado (incrementar esta relación para
formaciones fracturadas o grandes intervalos disparados). c. Si se inyecta a un gasto de 2 bpm y alcanzamos el rompimiento de la formación, el volumen mínimo a utilizar son 100 sacos; para gastos bajos y sin rompimiento de la formación, utilizar 50 sacos. d. El volumen dentro de la sarta de trabajo debe limitarse para no crear un exceso en la columna de lechada
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que no pueda ser desalojada por circulación en inversa. e. La presión de supercie e hidrostática deben controlarse durante el trabajo,
una alta columna de cemento durante el desplazamiento podría causar el rompimiento de la formación en zonas depresionadas. f. Cuando la necesidad de utilizar grandes volúmenes de cemento (fracturas naturales), el uso de lechas de baja densidad son recomendadas. g. El exceso de lechada de cemento puede ser determinado según la experiencia de la zona.
4.4. Limites de presión de inyección Para establecer los límites de presión que debemos ejercer durante una cementación forzada, se debe
considerar: a. La presión interna y al colapso de la tubería de revestimiento. b. La máxima presión permisible en los cabezales. c. La máxima presión diferencial permisible sobre la herramienta a utilizar, sea recuperable o molible. d. La presión de supercie aplicada al espacio anular, debe ser menor a la presión interna y colapso de la tubería de revestimiento y de los cabezales. e. La presión de circulación para desalojar el exceso de la lechada, debe ser menor a la presión interna de la tubería de revestimiento y de la presión de inyección. f. Se debe realizar el cálculo de la
presión diferencial entre la tubería de revestimiento y la de la tubería utilizada en la sarta de trabajo, para evitar que alguna de ellas sufra colapso o ruptura. Una vez establecida las presiones de trabajo de los tubulares, herramientas y cabezales, debemos considerar un margen de seguridad para evitar
cualquier daño en ellos durante la operación, por lo regular es del 20 % de las presiones permisibles de trabajo, o sea, que la presión máxima permisible a aplicar durante la operación seria del 80 % de presión de trabajo. Cuando se utilizan empacadores recuperables o retenedores de cemento, se debe aplicar un margen de seguridad sobre la presión diferencial que puedan soportar, ya que si existe una comunicación al espacio anular, la tubería de revestimiento pudiera colapsarse.
4.5. Pruebas de laboratorio Es importante que antes de realizar un trabajo de cementacíón forzada, se veriquen las propiedades de la lechada de cemento, a través de pruebas de laboratorio especicadas en la Norma API SPEC 10, siendo estas las principales:
Prueba de reología. En esta prueba se determinan las propiedades reológicas de las lechadas de cemento, tales como: viscosidades y esfuerzo de corte. Además, por medio de un simulador de
15
Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
hidráulica, se puede calcular: el gasto máximo para no fracturar la formación, el caballaje hidráulico requerido para el trabajo, la presión de fricción, y el tiempo requerido para efectuar la operación. Prueba de pérdida por fltrado. Con esta prueba se determina la relativa efectividad de una lechada de cemento para retener su fase acuosa, o para perder una porción de esta fase como ltrado hacia la formación.
Un control insuciente de pérdida de ltrado da como resultado una lechada deshidratada y puenteada, evitando que esta pueda ser bombeada hasta su posición nal.
tiempo bombeable de una lechada, es aquel en el que esta permanece en estado uido a condiciones de prueba, a temperatura y presión de fondo del pozo. Se determina utilizando un consistómetro que nos permite medir el tiempo en el que se alcanza la resistencia que impide su movimiento y dene el tiempo de operación. Se considera que una lechada de cemento no es bombeable cuando alcanza de 70 a 100 unidades de consistencia.
Prueba del esfuerzo compresivo. Con esta prueba se determinar el esfuerzo compresivo (carga que soporta por
Para una cementación forzada, una
unidad de área el cemento sin que
pérdida de ltrado generalmente oscila en un rango de 50 a 100 cc en 30 minutos.
se produzca su ruptura), el cual nos indica el tiempo de espera necesario, entre la colocación de una lechada y la siguiente operación a desarrollar en el pozo.
Prueba de agua libre. Mediante esta prueba se determina si una lechada de cemento puede tener problemas con la separación de agua después de que esta ha sido colocada en el fondo del pozo. Si la lechada libera agua, el resultado será la presencia de áreas acanaladas
en el cemento fraguado, agua o cemento ligero en la cima de la columna de cemento, o asentamiento de sólidos a través de la columna de cemento.
16
Prueba de tiempo bombeable. El
La regla generalmente aceptada es que una resistencia a la compresión de 500 psi, es la mínima aceptable para la mayoría de las operaciones de cementación.
EI desarrollo de la resistencia a la compresión a las 8 horas debe ser mínimo de 105 kg/cm2 (1500 psi) en condiciones ambientales de presión y temperatura.
Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
5. PARÁMETROS DE DISEÑO Para llevar a cabo un trabajo de cementación forzada exitoso, primero
i.
es necesario familiarizarse con: i. Los objetivos ii. La terminología iii. Las consideraciones de planeación de los trabajos iv. Filtrado v. Viscosidad vi. Temperatura de fondo vii. Permeabilidad viii. Tiempo bombeable ix. Resistencia a la compresión x. Reología de la lechada de cemento y de los baches xi. Presión de inyección xii. Tipo de cemento xiii. Límites mecánicos
j.
k.
l. m.
espacio anular cuando se utilicen herramientas. La presión máxima de circulación para desalojar el exceso de lechada a la supercie, tomando en cuenta las características de la tubería de revestimiento y cabezales. Consultar el expediente del pozo desde su perforación hasta su terminación, anotando los aspectos relevantes y obtener el estado mecánico del pozo. Fijar la presión de fractura de la formación frente al intervalo de recementación. Obtener la presión y el gasto de la prueba de admisión. Denir a través de que se va a forzar el cemento: tubería franca, retenedor, empacador recuperable o permanente.
Una vez familiarizado con la terminología empleada en la cementación forzada,
el ingeniero encargado del diseño de la misma, requiere considerar lo siguiente: a. El objetivo del trabajo. b. El tipo de uido en el pozo. c. La temperatura estática del fondo del pozo. d. Diferencia de profundidad entre los disparos y el empacador (si se utiliza). e. La presión máxima de inyección con base a la capacidad en la sarta de trabajo, tubería de revestimiento, preventores, y otros equipos que se vayan a utilizar. f. El sistema de lechada de cemento con sus aditivos. g. El volumen de lechada a utilizar. h. La presión máxima permisible en el
6. METODOLOGÍA DE DISEÑO El personal encargado de diseñar las operaciones de cementacíón forzada, además de conocer su objetivo, requiere seguir los pasos siguientes:
1. Recopilación de información básica (historial del pozo) La información mínima requerida para
el diseño es: a. Características de las tuberías de producción y revestimiento (diámetro interno y externo, presión interna y colapso, profundidad).
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Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
b. Características del intervalo disparado (longitud, diámetro del disparo, fase, densidad de cargas). c. Características de la formación (tipo, profundidad, presión de fondo, presión de poro y fractura, temperatura de fondo, porosidad, permeabilidad). d. Parámetros de la prueba de admisión efectuada al intervalo a recementar (gasto y presión de admisión e inyección, tipo de uido utilizado). e. Registros de cementación y su interpretación.
2. Diseño de la lechada de cemento, bache lavador y espaciador Las lechadas de cemento son diseñadas para alcanzar un aislamiento efectivo en las zonas de interés y se basa entre otras, en las siguientes
3. Cálculos para la cementación En el diseño de una cementación forzada, se debe determinar con base a la prueba de admisión: a. b. c. d. e. f. g. h.
El volumen de lechada
Cantidad de cemento Cantidad de agua Volúmenes de baches Volumen para el desplazamiento
Presión inyección Gasto de inyección
Presión hidrostática que ejerce la lechada i. Con base a la presión hidrostática de la lechada, determinar la presión
y gasto máximo de circulación
consideraciones:
4. Simulación de la cementación
a. Propiedades de la lechada (densidad, tiempo bombeable, reología, pérdida de uido) b. Propiedades del cemento fraguado (desarrollo de esfuerzo compresivo, permeabilidad, adherencia) c. La reología tanto de la lechada de cemento como la de los baches (lavador y espaciador) d. Consideraciones económicas (rendimiento, aditivos, equipo) e. Disponibilidad de cemento y aditivos (molienda, lotes, procedencia) f. Determinación del volumen de
Para realizar la simulación se debe
cemento
18
g. Dosicación del cemento en la planta y su transporte al pozo
considerar: a. Los gradientes de presión de poro y fractura. b. La densidad y características reológicas de los uidos utilizados en la operación, incluyendo el comprendido en el pozo. c. Volúmenes y características reológicas de los uidos a emplear (Lechadas, baches y desplazamiento). d. Gastos de bombeo. e. Accesorios especiales que reduzcan el área de ujo.
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5. Comentarios adicionales
b. Si es en silo estacionario se deberá
energizar con aire diez minutos a. Observaciones b. Recomendaciones operativas c. Alternativas de acción en caso de problemas
6. Programación de la logística Con base a los puntos anteriores, revisar la capacidad de equipo que se utilizará en la operación, tales como: a. Unidad de alta presión b. Equipo de medición de parámetros c. Tanques de almacenamiento de uidos d. Tanques de almacenamiento del cemento y aditivos e. Equipo auxiliar f. Equipo de seguridad y protección personal
7. SECUENCIA OPERATIVA 7.1. Previo a la ejecución de la cementacíón forzada I.
Revisión del equipo para la Operación
a. Dependiendo de la cantidad de cemento a utilizar y del tiempo disponible antes de la operación, se moverá en silo estacionario o unidad transportadora de cemento (trompo), revisando que no esté tapada la descarga del cemento por efecto de la humedad.
antes de iniciar la operación; si es un trompo, represionar con aire para descargar el cemento; vericar
que la descarga del cemento al embudo de mezclado sea uniforme, para que la densidad de la lechada también sea homogénea. c. Vericar que se cuente con el agua suciente para la operación y comprobar que la Unidad de Alta Presión, el gasto de abastecimiento sea como mínimo de 3 bpm. d. Debe contarse con el volumen necesario de agua en las presas, que las bombas estén en condiciones normales de operación, que la unidad de alta no esté tapada y vericar el gasto. e. Cuando se este utilizando lodo de emulsión inversa y sea necesario bombear volúmenes de diesel, debe instalarse una línea adicional para el suministro a la unidad de alta, vericando el gasto. f. Corroborar el buen funcionamiento de la unidad de alta presión, motores, bombas, manómetros, válvulas, toberas de mezclado y líneas de descarga al pozo, una para la bomba de inyección de la lechada y otra para conectar el espacio anular.
19
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II. Revisión de Herramientas
Materiales
y
La supervisión del material que se va a emplear, de acuerdo con la operación a realizarse, es de suma importancia; de esto dependerá el éxito de ella. a. Revisar y calibrar la herramienta que se va a introducir, así como las
condiciones mecánicas y el estado de la misma. b. Las combinaciones que se utilicen requieren estar perfectamente calibrados, tanto sus diámetros interiores y exteriores, así como el grado y peso del material con el que estén construidas. c. Vericar que la longitud de la tubería de trabajo este correcta, ya que de lo contrario se asentaría la herramienta en una zona no deseada, ocasionándose pérdidas de tiempo y erogaciones indebidas. d. Tener la información completa de las características del cemento,
tales como: i. ii. iii. iv.
Diseño Reología Tixotropía Tiempo bombeable, etc.
Estas características se determinan en el laboratorio, tomándose en
consideraron los siguientes factores: v. Profundidad del pozo vi. Temperatura vii. Tipo de lodo
20
viii. Agua
que se utilizara en el mezclado
ix. Objetivo de la inyección x. La prueba de admisión
III. La prueba de admisión Se le denomina así a la operación de aplicar presión hidráulica para establecer un gasto determinado, la presión de admisión variara de acuerdo
a las diferentes formaciones, ya que en cada una de ellas se presentan
columnas
geológicas
diferentes
constituidas por diversos tipos de roca. La presión de admisión no debe sobrepasar el gradiente de fractura, el cual se dene como:
Gf = Pci + (Ph / D)
(1)
7.2 Programa Operativo de Cementación Forzada con Herramienta Cuando se utilizan herramientas tanto recuperables como molibles, la secuencia de actividades es la
siguiente: 1. Escarear la tubería de revestimiento hasta la profundidad donde se va a anclar el retenedor o empacador recuperable. 2. Introducir la herramienta seleccionada a la profundidad establecida, calibrando la tubería. 3. Con la herramienta a 100 m debajo
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de la mesa rotaria, probar su efectividad con circulación. 4. Con la herramienta con la posición de anclaje, establecer la circulación y vericar el peso de la sarta, con movimiento reciprocante, para tener información; y después de operación saber si existe problema de atropamiento. 5. Instalar conexiones superciales y líneas de control, y probarlas de
acuerdo con el estado mecánico del pozo, así como de la operación a efectuar. 6. Anclar la herramienta según el procedimiento establecido por el proveedor de la misma. 7. Probar la efectividad de la herramienta con: peso, tensión, presión y por espacio anular, la presiona que se aplique dependerá del estado mecánico del pozo y de la tubería de revestimiento. 8. Si es retenedor, soltar la herramienta, levantar el soltador arriba del retenedor para probar la efectividad del mismo, cerrando los preventores y aplicando una presión equivalente al 30 % del valor de la presión interna nominal de la tubería de menor grado. 9. Conectar el soltador al retenedor y efectuar la prueba de admisión al intervalo por recementar con gasto constante, registrando las presiones hasta obtener la de admisión, observando simultáneamente la presión del espacio anular y el peso de la tubería. 10. Descargar la presión de la tubería y cuanticar el volumen admitido para
el cálculo de cemento aproximado,
considerando los criterios antes mencionados. 11. Existen tres condiciones básicas que pueden presentarse para
efectuar una recementación forzada, utilizando un retenedor permanente, cuando: a. Exista una perdida total de circulación. Cuando se presenta este escenario, la operación se
realiza desde el inicio conectado al retenedor; se procede a bombear el volumen de cemento calculado y la etapa de desplazamiento con el uido programado (diesel o agua) a un gasto bajo con un volumen equivalente a menos de 200 m antes de llegar al retenedor; si al llegar a este volumen de desplazamiento se obtiene cierta presión, desconectar el soltador, circular en inversa y sacarlo a la supercie. En caso contrario, si no se alcanza presión nal, desconectar el soltador, circular en inversa y levantarlo a una profundidad de seguridad (mínimo 200 m), esperar fraguado en un promedio de ocho horas, bajar el
soltador, conectar el retenedor y si admite, repetir la operación; en caso contrario, continuar con el programa del pozo. b. La densidad del cemento es mayor que la del lodo. Cuando se
tiene circulación y la densidad del cemento es mayor que la densidad del lodo, se efectúa la operación con el soltador arriba del retenedor, se
21
Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
cierran los preventores y se circula por el múltiple de estrangulación según la presión. Se procede a bombear los volúmenes calculados de los baches separadores (agua) y la lechada de cemento; al llegar el agua a la parte inferior del
anular, posteriormente la de la tubería de producción, se desancla el soltador, se cierran los preventores y se circula a la inversa; abrir preventores, sacar el soltador y continuar con el programa. Para pronta referencia consultar los anexos 1 y 2.
soltador, conectar éste al retenedor, represionar el espacio anular con el 30 % de resistencia nominal de la presión interna del grado mas bajo que se tenga en esa tubería de revestimiento. Posteriormente se procede a inyectar la lechada a un gasto bajo hasta alcanzar la presión nal programada. Después de haber alcanzado la presión programada, deberá descargarse primero la presión del espacio anular y posteriormente la de la tubería de producción; desanclar el soltador y circular a la inversa, bombeando dos veces la capacidad de la tubería de producción, abrir los preventores y continuar con el programa del pozo. c. La densidad de cemento es menor que la del lodo de perforación. Si la
densidad del cemento es menor a la densidad del lodo de operación, se levanta el soltador arriba del retenedor, se bombean los volúmenes separadores seguido del cemento programado hasta colocar el separador frente al retenedor; conectarse el soltador, cerrar los preventores, represionar el espacio anular y proceder a inyectar el cemento hasta alcanzar la presión nal programada. Se descarga la presión del espacio
22
7.3.
Secuencia operativa para cementacíón forzada con tubería franca
Para este tipo de trabajos la secuencia
es la siguiente: 1. Bajar la tubería a la profundidad programada, calibrándola de acuerdo a su diámetro. 2. Circular hasta homogenizar las columnas, vericando el nivel del lodo en las presas. 3. Instalar las líneas de alta presión, una a la válvula de manifol de la tubería de producción y la otra a la válvula lateral del árbol que comunica con el espacio anular; ambas líneas se deben probar a una presión mayor a la esperada. 4. Con el preventor cerrado efectuar la prueba de admisión y posteriormente abrirlo 5. Bombear el primer separador, dependiendo del tipo de lodo en operación y bombear el cemento programado. 6. Levantar la tubería arriba de la
cima del cemento con un margen de seguridad. 7. Cerrar el preventor e inyectar el
Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
8.
9. 10.
11.
12.
cemento por vía directa y por espacio anular alternadamente, para evitar
de ujo, de acuerdo con la operación a efectuar.
cualquier anillo de cemento que
c. Si alguna de las condiciones mencionadas en dichos diagramas no se cumple, no se ejecute la operación hasta que la condición sea satisfactoria, de acuerdo con el objetivo de esta. d. En caso de que la presión de admisión sea baja, se recomienda el uso de la tubería franca, teniendo en cuenta la resistencia a la presión interna de la tubería de revestimiento, ya que en la mayoría de los casos necesita quedar represionada en espera de fraguado. e. En caso de que la inyección del cemento se haga con tubería franca debe de bombearse el volumen de lodo previamente calculado hasta que el primer bache de agua este en el extremo de dicha tubería; se cierran los preventores y se inyecta, para evitar cualquier anillo de
atrape la sarta. Si se alcanza la presión programada dejar represionado el tiempo necesario. Descargar la presión, abrir preventor y sacar tubería. Si no se alcanza la presión programada, sobredesplazar el cemento, bombeando en directo y por espacio anular simultáneamente. Repetir la operación desde el punto numero cuatro hasta alcanzar la presión nal programada. Continuar con el programa del pozo.
Para pronta referencia consultar el anexo 3.
Recomendaciones:
cemento, inmediatamente circular a. Cualquiera que sea el objetivo de una cementacíón forzada, antes de iniciarse la operación tiene que instalarse dos líneas de alta presión, una a la válvula de manifoul que se ubica en la parte superior de la tubería de producción y la otra a la válvula lateral del árbol que comunica con el espacio anular; ambas líneas se deben probar a una presión mayor (50 kg/cm2) a la que se espera utilizar en la operación, para estar seguros de
que no fallara en el momento de ejecutar el trabajo. b. Leer cuidadosamente los diagramas
en inversa el tiempo necesario para que salga lodo del fondo. levántese la tubería 100 m de su posición anterior. f. Cuando se utilice tubería franca y la presión para inyectar la lechada de cemento es alta, la operación debe efectuarse con la tubería fuera del nivel del cemento. g. Si es necesario dejar el pozo represionado, la presión no deberá exceder de 30 % de la resistencia interna de la tubería de revestimiento para no fatigar el material. h. Para evitar taponamiento en la herramienta cuando se utilice cemento
23
Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
i.
j.
k.
l.
con obturante, es recomendable el uso de la tubería franca. Cuando se este desplazando la lechada de cemento, se requiere rotar la tubería para mantener el cemento en agitación y evitar un atropamiento de la sarta. Cuando se coloque la tubería franca a poca profundidad, se recomienda que el último cople quede inmediatamente debajo de los arietes del preventor, para evitar que se deslice hacia arriba. Cualquiera que sea el tipo de herramienta que se utilice en una cementación forzada, la tubería de revestimiento tiene que ser escareada. Se debe efectuar una prueba de admisión previa a la cementacíón forzada para determinar la cantidad de cemento por utilizar.
7.4 Elaboración del reporte de la operación
Para el caso de abandono de intervalos, primeramente se debe alcanzar una presión nal y posteriormente se efectúa una prueba de admisión para asegurarse de su efectividad por un lapso de 15 a 30 minutos con la presión que se espere del siguiente intervalo a explotar o una prueba de aligeramiento de columna para vericar que no se tengan aportaciones de uidos de la formación.
APÉNDICE 1. NOMENCLATURA Gf
C
Gradiente de fractura, psi/pie Presión instantánea de cierre, psi Presión hidrostática, psi Profundidad, pies Barriles Espacio anular Cementacíón forzada Volumen en la tubería, bbl Capacidad tuberías, E.A., bbl
H
Altura máxima de la columna
Llevar acabo cuidadosamente el reporte nal de la operación con datos dedignos para elaborar estadísticas; esto con el n de comparar resultados de las diferentes operaciones, anotando además en el
Pci Ph D bbl E.A. CF
mismo las recomendaciones necesarias
Vt
para mejorar las operaciones futuras.
7.5. Evaluación de la cementacíón forzada La evaluación de este tipo de operaciones se hace de acuerdo con
24
su objetivo; es decir, si ésta se efectúo para corregir una canalización en una cementación primaria, se evaluará mediante la aplicación de un registro sónico de cementación y/o la aplicación de presión en las zonas disparadas, vericando que exista buen sello en los oricios de los disparos y en la zona de falta de adherencia manifestada por el registro.
h rL rf
Pseg
de la lechada, pies Profundidad de los disparos, pies Densidad de la lechada, lb/gal Densidad del uido de control, lb/gal Presión de seguridad, psi
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Vcmt Ctp
Volumen de lechada, pies3 Capacidad tubería sarta, pie3/pie Vdespini Volumen desplazamiento inicial, bbl Volumen de tubería sarta, bbl Vtp Vseg Volumen de seguridad, bbl BHFP Presión de fractura en el fondo, psi
Dint
Profundidad de la cima del
Phini
intervalo, pies Presión hidrostática inicial, psi
Phn
inicial en la supercie, psi Presión hidrostática nal, psi
Psmaxini Presión máxima de inyección Psmaxn Presión máxima de inyección nal en la supercie, psi
APENDICE 2. CÁLCULO DE UNA CEMENTACIÓN FORZADA En esta sección describiremos en forma general la secuencia de cálculos básicos que se deben de realizar para un trabajo de cementación forzada (CF).
1. Información requerida: a. Determinar la técnica de colocación de la lechada: con herramientas o tubería franca. b. Características de la lechada:
parámetros se obtienen por tablas. e. Establecer la profundidad de asentamiento de la herramienta o tubería franca. f. Cima y base del intervalo disparado. g. Gradiente de fractura de la formación de interés. h. Establecer el margen de seguridad de presión máxima en la inyección de la lechada (Pseg).
2. Cálculos básicos Con base a la información requerida, se procede a realizar los cálculos correspondientes: a. De tablas referentes a las características de las tuberías, se obtienen las capacidades, ejemplo: TP 3 ½” 12.95 #/ft = 0.024 bbl/m TR 95/8” 47 #/ft = 0.240 bbl/m b. Con base a las capacidades de las tuberías, determinamos los volúmenes que ocuparían, tanto en la sarta de trabajo, tubería de revestimiento y espacio anular, esto
con la siguiente ecuación:
densidad, requerimiento de agua, rendimiento de la lechada, estos parámetros son obtenidos en el laboratorio. c. Características del uido de control: tipo, densidad, etc. d. Características de las tuberías: sarta de trabajo y revestimiento: diámetro externo e interno, peso, límites de presión interna y colapso, estos
Vt = D * C
(2)
c. Se determina la máxima columna de lechada de cemento que puede soportar la formación sin fracturarse,
mediante la siguiente ecuación: (Gf * h - Pseg) – 0.052 * h * H=
0.052 * (
L-
f
(3)
f )
25
Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
d. Una vez determinada la altura máxima permisible de lechada de cemento, calculamos el volumen de la misma para esa altura, con la
siguiente ecuación: Vcmt = H * Ctp
(9)
j. Con este parámetro calculamos la presión máxima en la supercie de desplazamiento para inyectar la lechada de cemento.
(4)
e. Con los parámetros anteriores, determinamos el volumen de desplazamiento inicial de la lechada,
usando la ecuación siguiente: Vdespini = V tp - Vcmt - Vseg
Phn = 0.052 * rL * Dint
Psmaxn = BHFP - Pseg - Phn
(10)
k. Con los valores del volumen de cemento (Vcmt) en el eje “Y” y la presión
máxima de inyección (Psmaxn) en el
eje “X”, se gracan en coordenadas cartesianas para obtener el perl de inyección de la lechada de cemento durante la operación (Gráca 1).
(5)
f. Procedemos a calcular la presión
de fractura en el fondo de la zona de interés, con la ecuación: BHFP = Gf * Dint
(6)
g. Se determina la presión hidrostática que ejerce la columna de la lechada de cemento y el uido de control,
utilizando la siguiente ecuación:
mediante la siguiente ecuación: (8)
i. Durante el desplazamiento se tiene
un momento toda la columna con lechada de cemento, por lo que calculamos la presión hidrostática que ejerce la misma con la
ecuación:
26
V
Psmaxfin (psi)
Phini = 0.052 * rL * H + 0.052 * rf * (Dint - H) (7) h. Calculamos la presión máxima en la supercie para iniciar la inyección de la lechada sin fracturar la formación,
Psmaxini = BHFP - P seg - Phini
) s e l i r r a b ( t m c
Gráca 1. Presión máxima permisible en la supercie.
Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
APENDICE 3. REFERENCIAS Gerencia de Ingeniería y Tecnología Perforación y Mantto. de Pozos, SEDE Guía Práctica para Diseñar y Efectuar Cementaciones Primarias
Petróleos Mexicanos
Gerencia de Ingeniería y Tecnología Perforación y Mantto. de Pozos, SEDE Procedimiento operativo para efectuar una cementación forzada con retenedor de cemento permanente
Eric B. Nelson Well Cementing
PEP Subdirección Marina Subgerencia de Ingeniería UPMP, D.M. Manual básico de cementaciones
Subdirección de Producción Primaria Procedimientos de operación de Ingeniería Petrolera
George C. Howard & C.R. Fast Squeeze cementing operations SPE 950053 Servicios a Pozos, SLB Conventional squeeze cementing engineering manual
Subdirección de Perforación y Mantto.
de Pozos 100 años de la Perforación en México Ingeniería de cementaciones
Servicios a Pozos, Halliburton Manual de cementaciones Sección 8
27
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ANEXO 1. DIAGRAMA DE FLUJO PARA UNA CEMENTACÍÓN FORZADA CON EMPACADOR RECUPERABLE DEFINIR OBJETIVO DE LA OPERACIÓN REVISAR ESTADO MECÁNICO E HISTORIA DEL POZO ELABORAR PROGRAMA Y FORMATO DE OPERACIÓN REVISIÓN DE EQUIPOS DE OPERACIÓN 1. ESTADO DE SILOS 2. SUMINISTRO DE CEMENTO Y CANTIDAD 3. SUMINISTRO DE AGUA, CANTIDAD Y CALIDAD 4. SUMINISTRO DE LODO (CANTIDAD) 5. SUMINISTRO DE DIESEL Y CANTIDAD 6. ESTADO DE LA UNIDAD DE ALTA
REVISIÓN DE MATERIALES 1. CONDICIONES Y ESTADO DE LA HERRAMIENTA 2. COMBINACIONES NECESARIAS 3. LONGITUD Y AJUSTE DE LA TUBERÍA DE TRABAJO 4. CARACTERÍSTICAS DEL CEMENTO: REOLOGÍA, TIXOTROPÍA, PÉRDIDA DE FILTRADO
1. ESCARIAR TUBERÍA DE REVESTIMIENTO 2. METER EMPACADOR RECUPERABLE A LA PROFUNDIDAD PROGRAMADA CALIBRANDO 3. VERIFICAR PESO DE LA SARTA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE) 4. INSTALAR CONEXIONES SUPERFICIALES Y PROBAR A CONDICIONES DE POZO
a
ANCLAR Y EMPACAR VERIFICANDO POR TUBERÍA DE REVESTIMIENTO Y POR E.A. CON PREVENTOR CERRADO EFECTUAR PRUEBA DE ADMISIÓN
ADMITE
NO
REDISPARAR
SI SI
NO
EXISTE PÉRDIDA TOTAL
BOMBEAR ESPACIADOR Y LECHADA DE CEMENTO.
SI
CEMENTO MAS PESADO QUE EL LODO
NO
ANCLAR EMPACADOR Y ABRIR VALVULA DE CIRCULACION
DEZPLAZAR E INYECTAR CON LODO A BAJO GASTO.
ABRIR VALVULA DE CIRCULAR
DESCARGAR Y ESTRANGULAR DE ACUERDO A LA PRESIÓN DE BOMBEO
DESANCLAR EMPACADOR Y LEVANTAR, LONGITUD EQUIVALENTE AL VOLUMEN DE CEMENTO.
BOMBEAR ESPACIADOR Y LECHADA DE CEMENTO CON MARGEN DE SEGURIDAD
BOMBEAR ESPACIADOR Y LECHADA DE CEMENTO CAPACIDAD DE TUBERIA DE REVESTIMIENTO CON MARGEN DE SEGURIDAD.
ESPERAR FRAGUADO.
CERRAR VALVULA DE CIRCULAR
CERRAR VALVULA DE CIRCULAR. BAJAR A LA PROFUNDIDAD DE ANCLAJE.
REPRESIONAR ESPACIO ANULAR CON 50% DE RESISTENCIA A LA PRESION INTERNA. NO
OBSERVA COMUNICACION PARCIAL O TOTAL
INYECTAR LECHADA DE CEMENTO. SI
PRESION FINAL DESEADA
SI
SUSPENDER INYECCION Y DESANCLAR EMPACADOR.
SI
CIRCULACION INVERSA
NO
BOMBEAR A LA SUPERFICIE EL CEMENTO. SACAR EMPACADOR.
DESCARGAR PRESION FINAL EN TUBERIA DE PERFORACION Y TUBERIA DE REVESTIMENTO.
DESANCLAR HERRAMIENTA Y LAVAR.
DESANCLAR EMPACADOR.
DEJAR REPRESIONADA LA TUBERIA DE PERFORACION Y LA DE REVESTIMIENTO.
CIRCULAR INVERSA LA CAPACIDAD DE LA TUBERIA DE PERFORACION.
ESPERAR FRAGUADO.
ABRIR PREVENTOR.
SACAR HERRAMIENTA
SACAR EMPACADOR. ESPERAR FRAGUADO. ELABORAR REPORTE.
28
a
NO
SACAR EMPACADOR A LA SUPERFICIE.
Guía de Diseño y Ejecución de Cementaciones forzadas
ANEXO 2. DIAGRAMA DE FLUJO PARA UNA CEMENTACÍÓN FORZADA CON RETENEDOR DE CEMENTO DEFINIR OBJETIVO DE LA OPERACIÓN REVISAR ESTADO MECÁNICO E HISTORIA DEL POZO ELABORAR PROGRAMA Y FORMATO DE OPERACIÓN REVISIÓN DE EQUIPO 1. ESTADO DE SILOS DE CEMENTO 2. SUMINISTRO DE CEMENTO Y CANTIDAD 3. SUMINISTRO DE AGUA, CANTIDAD Y CALIDAD 4. SUMINISTRO DE LODO Y CANTIDAD 5. SUMINISTRO DE DIESEL Y CANTIDAD 6. ESTADO DE LA UNIDAD DE ALTA REVISIÓN DE MATERIALES 1. CONDICIONES Y ESTADO DE LA HERRAMIENTA 2. COMBINACIONES NECESARIAS 3. LONGITUD Y AJUSTE DE LA TUBERÍA DE TRABAJO 4. CARACTERÍSTICAS DEL CEMENTO: REOLOGÍA, TIXOTROPÍA, RENDIMIENTO DE AGUA, PÉRDIDA DE FILTRADO OPERACIONES 1. ESCARIAR LA TUBERÍA DE REVESTIMIENTO 2. METER RETENEDOR A PROFUNDIDAD PROGRAMADA CALIBRANDO. 3. VERIFICAR PESO DE LA SARTA (MOVIMIENTO HACIA ARRIBA Y HACIA ABAJO) 4. PROBAR CONEXIONES SUPERIORES DE ACUERDO A CONDICIONES DEL POZO. 5. ESTABLECER CIRCULACION 6. ANCLAR Y SOLTAR RETENEDOR 7. LEVANTAR SOLTADOR ARRIBA DEL RETENEDOR, CERRAR PREVENTOR Y PROBAR HERMETICIDAD. 8. ENCHUFAR SOLTADOR. EFECTUAR PRUEBA DE ADMISIÓN NO
ADMITE SI
SI
CON SOLTADOR CONECTADO BOMBEAR ESPACIADOR Y LECHADAD DE CEMENTO DEZPLAZAR CON AGUA O DIESEL CAPACIDAD DE TUBERIA DE PERFORACION.
DESCONECTAR SOLTADOR, LEVANTAR Y CIRCULAR INVERSA.
ESPERAR FRAGUADO. CONECTAR SOLTADOR AL RETENEDOR.
NO
EXISTE PÉRDIDA TOTAL SI
DENSIDAD DEL CEMENTO MAYOR A LA DENSIDAD DEL LODO
NO
LEVANTAR SOLTADOR ARRIBA DEL RETENEDOR.
LEVANTAR SOLTADOR ARRIBA DEL RETENEDOR.
CERRAR PREVENTOR
BOMBEAR ESPACIADOR Y LECHADA DE CEMENTO CAPACIDAD DE TUBERIA DE REVESTIMIENTO CONSIDERANDO UN MARGEN DE SEGURIDAD.
ESTRANGULAR DESCARGA DE ACUERDO A LA PRESION DE BOMBEO. BOMBEAR ESPACIADOR Y LECHADA DE CEMENTO CAPACIDAD DE TUBERIA DE PERFORACION CONSIDERANDO UN MARGEN DE SEGURIDAD. CONECTAR SOLTADOR.
CONECTAR SOLTADOR A LA HERRAMIENTA.
CERRAR PREVENTOR
PRESIONAR ESPACIO ANULAR AL 30% DE LA RESISTENCIA A LA PRESION INTERNA. INYECTAR LECHADA DE CEMENTO A BAJO GASTO. SI
ALCANZAR PRESION FINAL DESEADA
NO
DESCARGAR PRESION DEL ESPACIO ANULAR Y TUBERIA DE PERFORACION. SOBREDESPLAZAR LEVANTAR SOLTADOR. LEVANTAR SOLTADOR CIRCULAR INVERSA LA CAPACIDAD DE LA TUBERIA DE PERFORACION. ESPERAR FRAGUADO ABRIR PREVENTOR. SACAR SOLTADOR. ELABORAR REPORTE.
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ANEXO 3. DIAGRAMA DE FLUJO PARA UNA CEMENTACÍÓN FORZADA CON TUBERÍA FRANCA DEFINIR OBJETIVO DE LA OPERACIÓN REVISAR ESTADO MECÁNICO E HISTORIA DEL POZO ELABORAR PROGRAMA Y FORMATO DE OPERACIÓN REVISIÓN DE MATERIALES 1. CONDICIONES Y ESTADO DE LA HERRAMIENTA 2. COMBINACIONES NECESARIAS 3. LONGITUD Y AJUSTE DE LA TUBERÍA DE TRABAJO 4. CARACTERÍSTICAS DEL CEMENTO: REOLOGÍA, TIXOTROPÍA, RENDIMIENTO DE AGUA, PÉRDIDA DE FILTRADO 1. ESTADO DE SILOS 2. SUMINISTRO DE CEMENTO Y CANTIDAD 3. SUMINISTRO DE LODO Y CANTIDAD 4. SUMINISTRO DE LODO Y CANTIDAD 5. SUMINISTRO DE DIESEL Y CANTIDAD 6. ESTADO DE LA UNIDAD DE ALTA 1 BAJAR TUBERIA FRANCA A LA PROFUNDIDAD PROGRAMAD A. 2. CIRCULAR TIEMPO NECESARIO PARA ACONDICIONAMIENTO DE LODO. 3. INSTALAR CONEXIONES SUPERIORES Y PROBAR DE ACUERDO A CONDICIONES DEL POZO. 4. CERRAR PREVENTOR Y EFECTUAR PRUEBA DE ADMISION.
1. BOMBEAR ESPACIADOR SEGUN SEA BASE DE LODO. 2. BOMBEAR LECHADA DE CEMENTO. 3. BOMBEAR ESPACIADOR. 4. DESPLAZAR CON EL VOLUMEN DE LODO CALCULADO.
SI
OBSERVO CIRCULACION DURANTE LA OPERACION
LEVANTAR TUBERIA DE PERFORACION SOBRE CIMA DE CEMENTO.
NO
LEVANTAR LA TUBERIA DE PERFORACION LA LONGITUD DEL TAPON.
LLENAR POZO CON LODO. CERRAR PREVENTOR Y VALVULAS LATERALES. INYECTAR POR TUBERIA DE PERFORACION Y ESPACIO ANULAR ALTERNADAMENTE.
ALCANZO PRESION FINAL DESEADA SI
DEJAR REPRESIONADO POR AMBAS RAMAS. ESPERAR FRAGUADO. ABRIR PREVENTOR. SACAR LA TUBERIA DE PERFORACION A LA SUPERFICIE. ELABORAR REPORTE.
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NO
EFECTUAR SOBRE DEZPLAZAMIENTO. ESPERAR FRAGUADO.
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