G.- CAPITULO III- Factores que influyen en el diseño de una lechada de cemento

CAPITULO III

CAPITULO III

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE UNA LECHADA DE CEMENTO 3.1.- Introducción Antes de que una lechada de cemento sea bombeada dentro del pozo, una variedad de pruebas de laboratorio son realizadas para asegurar un buen comportamiento comportamiento de la lechada cuando sea bombeada bombeada y desplazada en el agujero del pozo. Los factores que afectan afectan el diseño de una lechada de cemento cemento son: 3.1.1.- Profundidad, presión y temperatura: temperatura: La temperatura y la presión dependen directamente de la profundidad del pozo. Contando con el dato de la profundidad, densidad y el gradiente de temperatura se obtienen los datos de temperaturas, y presiones con las que se procede el diseño de la lechada de cemento. Ellos afectan afectan en el tiempo de cuan largo la lechada permanecerá bombeable y cuan bien esté desarrollara los esfuerzos necesarios para soportar la tubería.

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE UNA LECHADA DE CEMENTO

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La temperatura tiene más pronunciada influencia que la presión, ocasiona que la lechada se deshidrate y fragüe, causa el desarrollo de esfuerzos más

rápidamente, al mismo tiempo genera un

acortamiento en el tiempo de bombeabilidad. bombeabilidad. 3.1.2.- Tiempo de bombeabilidad: bombeabilidad : El tiempo de bombeabilidad bombeabilidad es la magnitud magnitud de tiempo en en el cual la lechada permanecerá en un estado fluido. Simulando condiciones de presión y temperatura de fondo de pozo, permite conocer el tiempo con el que se cuenta para efectuar la operación de cementación. Es importante no confundir el Tiempo Bombeable de una lechada con el Tiempo de Fraguado de la misma. El límite de la bombeabilidad bombeabilidad ha sido establecido establecido cuando cuando la lechada adquiere 100 Bc. o unidades de consistencia. Si se desea un tiempo largo de bombeabilidad, entonces un retardador tiene que ser seleccionado s eleccionado Si se desea desea un tiempo corto de bombeabilidad, bombeabilidad,

entonces un

acelerador debería ser utilizado. Ensayos de Laboratorio se llevan a cabo utilizando una muestra de lechada (cemento, agua y aditivos si es necesario) simulando las condiciones de temperatura y presiones del pozo.


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Mientras se aplica presión y calor a la lechada colocada en el Consistómetro HP-HT (Fig.21)

(36)

, continuamente se lee y registra

en un grafico la consistencia de la misma.

Fig.21: Consistómetro HP-HT

3.1.3.- Densidad: La densidad debe estar regida por el principio de que cada fluido como mínimo es 1 LPG más pesado que el anterior, Ej. El espaciador es 1 LPG mas pesado que el lodo y el cemento es 1 LPG mas pesado que el espaciador. Considerando las condiciones del pozo (presión de poro y gradiente de fractura) dictaminaran la selección de la lechada.


-46-

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El dato de densidad se lo puede conseguir en forma manual con una balanza presurizada (Fig. 22)

(37)

, que reduce las burbujas de aire

entrampadas en la mezcla a un mínimo espacio con aproximadamente 30 psi de presión, o con una balanza para lodos estándar ( Fig.23)

Fig. 22: Balanza presurizada

(38)

.

Fig. 23: Balanza de lodo estándar

3.1.4.- Calidad del agua de mezcla Los requisitos de calidad del agua de mezcla no tienen ninguna relación obligada con el aspecto bacteriológico (como es el caso de las aguas potables), sino que básicamente se refieren a sus efectos sobre el comportamiento y cambios en las propiedades de la lechada. La primera función del agua es humedecer los sólidos del cemento y llevar estos al fondo del pozo. Idealmente el suministro de agua para la mezcla del cemento debe ser razonablemente limpio y libre de

(37) y (38)

Laboratorio de cementación de HALLIBURTON


-47-

CAPITULO III

químicos solubles, sedimentos, materia orgánica, alcalinos y otros contaminantes. Los materiales inorgánicos (cloruros, sulfatos, hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos) aceleraran el tiempo de frague, dependiendo de la concentración en que están presentes. Estos productos cuando están mezclados con el agua en pequeñas concentraciones, tienen un efecto dañino en los pozos poco profundos. Esta misma agua si se utiliza en pozos profundos con alta temperatura, causara un frague prematuro de la lechada de cemento, particularmente si el agua contiene ciertas cantidades carbonatos y bicarbonatos. 3.1.5.- Resistencia a las salmueras de fondo de pozo La susceptibilidad del cemento a la corrosión por las aguas de formación ha sido objeto de muchos estudios, las salmueras de formación que contienen sulfato de sodio, magnesio y cloruro de magnesio son considerados agentes destructivos de fondo de pozo, son generalmente los químicos más corrosivos para el cemento, reacciona con la cal y el aluminato tricalcico en el cemento para formar largos cristales de sulfanatos de calcio, estos cristales requieren mas espacio de poro que el cemento fraguado puede proporcionar, entonces ellos causan una expansión excesiva y una deteriorización eventual de la columna de cemento.


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3.1.6.- Control de filtrado: La perdida de fluido es la fuga de la fase liquida de la lechada, esta medida en volumen por unidad de tiempo. La perdida de filtrado a través de un medio permeable causara una elevación en la viscosidad de la lechada y una rápida deposición de revoque, restringiendo el flujo, adicional a esto puede existir penetración del filtrado hacia la formación ocasionando daño al yacimiento. Los factores que influencian en la perdida de filtrado de la lechada son el tiempo, presión, temperatura y permeabilidad. El API ha especificado un ensayo para medir la filtración en 30 min. con 1000 psi de presión y la temperatura de pozo (BHCT). El procedimiento emplea un equipo denominado Stirring Fluid Loss (Fig.24)

(39)

que simula las condiciones del pozo donde puede ocurrir

pérdida de fluido. Una lechada con agua y cemento puede tener filtrado mayor a 1000 cc, por esta razón si la lechada va ser desplazada a zonas potencialmente productivas y permeables se debe controlar su filtrado con el agregado de aditivos reductores de pérdida por filtrado.


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CAPITULO III

Fig.24: Stirring Fluid Loss

3.1.7. - Viscosidad En cementaciones primarias, la lechada debe tener una buena viscosidad o consistencia para lograr mayor eficiencia en el desplazamiento de lodo y todavía permitir una buena adherencia entre la formación y la cañería. Las lecturas de viscosidad son tomadas con el viscosímetro FANN 35. (Fig.25)

(39) y (40)

(40)

.



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Fig. 25: Viscosímetro FANN 35

a)

Viscosidad Plástica (VP).

Es generalmente descrita como la resistencia al flujo causada por la fricción mecánica, esta principalmente afectada por la concentración de sólidos, tamaño y forma de las partículas sólidas. Generalmente un aumento en la viscosidad plástica significa un aumento en el porcentaje volumétrico de sólidos, una reducción en el tamaño de partículas sólidas, un cambio en la forma de las mismas.


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La formula para calcular la viscosidad plástica según el modelo reológico de Bingham es la siguiente: (41)

PV = 1.5 * ( L300

b)

−

L100 )

Punto cedente (YP).

Es la resistencia al flujo causada por las fuerzas de atracción entre partículas, esta fuerza de atracción es una consecuencia de las cargas eléctricas sobre la superficie de las partículas dispersas en la fase fluida. La magnitud de esa fuerza es función del tipo de sólidos y las cargas eléctricas asociadas con ellos. La formula para calcular el punto cedente según el modelo reológico de Bingham es la siguiente: (42)

YP = L300

(41) y (42)

− VP

API S ecification 10A, Edición 22, 1995, P. 78


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3.1.8.- Contenido de agua en las lechadas:

(43)

Para reducir la posibilidad de que se formen canales de fluidos de cemento, el diseño de la lechada debe minimizar la cantidad de agua libre, esta cantidad de agua es dada en términos específicos, definidos a continuación: a) Agua máxima: es la cantidad de agua de mezcla para cualquier composición de cemento dado, que dará un volumen igual al volumen de lechada sin mas que 1.5% de agua libre. Es la cantidad generalmente utilizada en la mayor parte de las cementaciones, porque nos da el máximo rendimiento que es requerido para cada saco de cemento. b) Agua normal: es la cantidad de agua de mezcla que lograra una consistencia de 11 Bc´s medidos en un consistómetro atmosférico después de 20 minutos de agitación. El API usa unidades de consistencia porque los valores obtenidos no son valores de viscosidad reales. El agua normal es a veces llamada agua óptima porque este provee

una lechada buena y

bombeable. c) Agua mínima: es la cantidad de agua de mezcla que nos dará una consistencia de 30 Bc´s después de 20 minutos de agitación. Este rendimiento se expresara en una lechada espesa que pude ser usada, por ejemplo, para controlar la perdida de circulación.

(43)

SMITH, Dwight y HALLIBURTON, LOC. CIT. P. 44


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3.1.9.- Tipo de fluido de perforación y aditivos del mismo: Un problema característico a considerar en cementación de pozos es el efecto de remoción del fluido de perforación durante el desplazamiento, la contaminación y la dilución por el lodo pueden dañar el sistema de cementación, debido a los químicos contenidos en el lodo. Alguna contaminación

de este género ocurre durante muchos

trabajos, pero probablemente muchos de estos ocurren cuando el cemento es puesto en el sistema de lodo que esta altamente tratado con químicos. Si el cemento esta blando cuando es reperforado es señal de que existió contaminación con el lodo. El mejor camino para combatir los efectos adversos de los aditivos del lodo de perforación es usar espaciadores o lavadores, estos ayudan a eliminar la contaminación por dentro de la cañería y limpian el espacio anular entre la cañería y la formación. A continuación se dará un ejemplo de los posibles problemas debido a los aditivos del lodo. Tabla Nº 7


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TABLA Nº 7: EFECTOS DE LOS ADITIVOS DEL FLUIDO DE PERFORACION SOBRE LA LECHADA: (44) Aditivo

Propósito

Sulfato de bario (Baritina)

Efecto sobre la lechada

incrementar el peso del lodo

incrementa la densidad

Para Ajustar el PH

Acelera el frague

Componentes del calcio

Para acondicionar el agujero y

Acelera el frague

CaOH, Ca(OH)2 , CaCl2

controlar el PH

Cloruro de calcio (CaCl 2)

Inhibidores de arcillas

Acelera el frague

Cloruro de sodio (NaCl)

Inhibidores de arcillas

Acelera el frague

Hidrocarburos

Para controlar la perdida de fluido

Reduce la densidad

BaSO4 Cáusticos NaOH, NA2CO3

y para lubricar el pozo Sellantes

Para sellar perdidas hacia

Retarda el frague

celulosa, gomas

la formación

Adelgazantes

Para dispersar los sólidos del

lignosulfanotos, lignitos

lodo

Emulsificantes

para formar petróleo en agua

Lignosulfonatos, etileno,

o agua el lodos base petróleo

Retarda el frague

Para proteger aditivos orgánicos

Retarda el frague

Retarda el frague

sulfonatos de hidrocarburos Bactericidas

contra la descomposición bacterial Aditivos controladores de filtrado

(44)

SMITH, Dwi ht

para reducir la perdida de fluido

Retarda el frague

hacia la formación

HALLIBURTON, LOC. CIT. P. 50


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CAPITULO III

3.1.10.- Esfuerzo a la compresión: Esta prueba nos permite conocer máximo esfuerzo compresivo que alcanza la lechada. Un valor general aceptado es 500 psi como mínimo de resistencia a la compresión para sustentar a la cañería y continuar con las operaciones. (45) La decisión de cuanto esperar para que el cemento adquiera suficiente resistencia a la compresión como para perforarlo es función del tiempo de fraguado o WOC, este a su vez depende de: 



Las temperaturas de curado del cemento dentro del pozo. El tipo de cemento que se esta usando, su densidad y el tipo de aditivo que contiene.

De acuerdo a las normas API los cubos de lechada (Fig.26)

(46)

ser curados en un equipo denominado Autoclave (Fig.27)

deben (47)

a

temperatura estática del pozo, luego deben ser sometidos a una fuerza (método destructivo) para así obtener su resistencia compresiva.

Fig. 26: Cubos de lechada (46) y (47)



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CAPITULO III

Fig. 27: Autoclave

3.1.11.- Migración de fluidos de formación: La migración de fluidos de formación después de la cementación primaria ocurre cuando los fluidos se mueven hacia la superficie o dentro de otra zona a través de canales creados en el espacio anular El flujo puede ser a través de canales, flujo micro anular o flujo a través de cemento fraguado. La invasión de fluido durante el fraguado del cemento se debe a que la lechada de cemento atraviesa cuatro etapas principales al progresar desde un estado enteramente líquido a solidó (tiempo de transición) (Fig.28)

(48)

. Cuando la resistencia estática del gel de la

lechada alcanza un punto conocido como esfuerzo cortante crítico de

(48)

HALLIBURTON PAPER, Annular Gas Migration


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CAPITULO III

la pared del pozo, el fluido de la formación puede entrar a la lechada porque la presión transmitida por la lechada es igual a la presión de poro de la formación (Fig.29)

(49)

. El esfuerzo cortante crítico es

también el punto de comienzo para el periodo crítico de hidratación. El final del periodo crítico de hidratación ocurre cuando la matriz del cemento debe ser impermeable para prevenir la migración del gas o fluido. Durante el periodo critico de hidratación, la lechada es muy vulnerable a la migración de fluido. En consecuencia, un periodo crítico de hidratación corto es una de las características clave que una lechada de cemento debe poseer cuando existen peligros de flujos de agua o gas. Finalmente, el cemento endurecido o fraguado deberá poseer baja permeabilidad para proveer un aislamiento por zonas efectivo y duradero.

Fig. 28: Etapas principales del proceso de fraguado de una lechada de cemento (49)



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CAPITULO III

Perdida de presión hidrostática con el transcurso del tiempo (Fig. 29)

Fig.29: Perdida de presión hidrostática hasta llegar a ser iguales a la presión de formación


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CAPITULO III

3.1.11.1.- Secuencia para la formación de canales de gas:(50) Paso 1:

Paso 2:

La lechada es ubicada en

Los esfuerzos estáticos de

el espacio anular, se

gel comienzan a desarrollarse,

comporta como un fluido

existe perdida de fluido hacia

y

la formación, la reducción de

transmite

completa

presión hidrostática.

volumen causa una perdida de presión.

Zona Permeable

Perdida de filtrado

Zona de gas

(50)



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CAPITULO III

Paso 3:

Paso 4:

El sobre balance de presión

La migración es una guía para

es perdida: la migración de

la formación de canales de

fluido continua en zonas de

gas y estos se vuelven

baja presión, el gas entra al

permanentes después de que

pozo

la lechada fraguo.

y

la

migración

comienza en el anular.

Perdida de fluido

Entrada

Canales de gas

de gas


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CAPITULO III

3.1.11.2.- Relación entre Esfuerzo de gel, tiempo de transición y la migración de gas: (51) La migración del gas es generalmente atribuido a la perdida de presión hidrostática, una lechada de cemento tiene que lograr suficiente esfuerzo de gel en un temprano fragüe para resistir el flujo de gas, un valor de esfuerzo de gel usado para contener fugas de gas es usualmente alrededor de 500 lb/100 ft2. (Fig.31), es llegando a este valor donde termina el tiempo de transición. El desarrollo del esfuerzo de gel usualmente empieza después de que el bombeo a cesado y continuamente incrementa hasta que el cemento desarrolla el fragüe. Como el esfuerzo de gel es desarrollado, la columna de cemento empieza prácticamente a soportarse así misma, la presión hidrostática de la columna empieza a reducir hasta que esta llega a auto soportarse. Las propiedades que afectan la habilidad del cemento para mantener la presión hidrostática son la perdida de filtrado, el agua libre, el esfuerzo de los geles y la compresibilidad. Cualquier perdida de filtrado de la lechada corresponderá a un decremento en la presión hidrostática. 1 . 67 *

FPG

(51)

=

L D

OBP

D

=

D h

−

D p

SMITH, Dwight y HALLIBURTON, LOC. CIT. P. 9


- 62 -

CAPITULO III

Donde: FPG

=

Factor Potencial de Flujo de gas para un esfuerzo de gel de

500lb/100ft2 L

=

Altura del cemento (ft)

D

=

Diámetro (in)

Dh

=

Diámetro del agujero

D p

=

Diámetro de la Cañería

OBP

=

Presión Sobre balanceada Inicial (presión hidrostática inicial

cuando el cemento este en la zona de presión del gas). Si el FPG es menor a 1, significa teóricamente que no existen problemas de migración de gas, controlando el filtrado y usando buenas técnicas de desplazamiento deberían prevenir cualquier problema de migración de gas. Si FPG esta en el rango de 1 a 5, los parámetros del trabajo de cementación necesitan cambios para reducir el valor FPG, la densidad del lodo, la densidad de la lechada, la altura de la columna de cemento pueden ser las variables para bajar el FPG hasta un valor aceptable. Cuando el FPG es >1, las alternativas a ser consideradas son: 



Incrementar la resistencia a la compresión de la lechada Utilizar una lechada tixotrópica


- 63 -

CAPITULO III

Ambas alternativas claramente son preferidas cuando los cambios del trabajo no pueden ser realizados para producir un FPF <1 ya que desarrollaran 500lb/100ft2 de esfuerzo de gel durante el de tiempo de transición requerido. Los rangos del factor potencial de flujo son los siguientes (Fig.30)(52)

1 2 3 4 5 6

Condición de Flujo 1 Menor

7 8 9 10

Condición de flujo 2 Moderado

Condición de flujo 3 Severo

Fig.30: Rangos del factor potencial de flujo de gas

El flujo potencial de gas puede ser reducido por un incremento en la presión de sobre balance, este sobre balance esta definido como la diferencia entre la presión hidrostática en el punto potencial de flujo y la presión de poro de la formación a esa profundidad. Cuando existe un sobre balance, la presión diferencial mantiene el gas en la formación mientras el cemento desarrolla esfuerzo de gel,

(52)

HALLIBURTON PAPER, Annular Gas Mi ration


- 64 -

CAPITULO III

cuanto mayor sea el diferencial, más tiempo tendrá el cemento para pasar con seguridad a través de la fase de transición (Fig.31)

Cemento fraguado

(53)

.

Cemento duro

Presión Sobre balanceada Presión de formación

Fig. 31: Flujo de gas durante el tiempo de Transición gelificado

3.1.12.- Propiedades mecánicas 3.1.12.1.- Elasticidad: Es la propiedad de un material el cual es capaz de volver a su forma original después de experimentar un esfuerzo de deformación, en las lechadas WellLife, los materiales sólidos son asumidos para comportarse elásticamente lineales antes que el daño al material ocurra, el comportamiento de la elasticidad de los sólidos esta definido por dos parámetros: (53)



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CAPITULO III





Modulo de Young Coeficiente de Poisson

a) Modulo de Young: La relación entre la tensión o esfuerzo y la deformación de un solidó sometido a dicho esfuerzo es denominada modulo de Young o módulo de elasticidad del material. (Fig. 32). La columna de lechada de cemento sin ningún aditivo es frágil, por tal motivo son incluidos a la lechada de cemento aditivos especiales para mejorar su flexibilidad . Para el cemento cuanto menor es el modulo de Young, mas flexible es. Los cementos del sistema de cementación WellLife son mas elásticos ya que con su bajo modulo de Young soportan mayores deformaciones para generar una misma tensión que un cemento estándar.

e

=

σ ε

Fig.32: Modulo de Young FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE UNA LECHADA DE CEMENTO

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CAPITULO III

e

=

σ = ε =

Modulo de elasticidad de Young Tensión generada por la deformación Deformación relativa

b).- Coeficiente de Poisson: Si sometemos un elemento de roca a una carga de tracción simple, se produce en ella un aumento de longitud en la dirección de la carga, así como una disminución de las dimensiones laterales perpendiculares a esta. El coeficiente de Poisson es la relación entre la deformación transversal ( ∆r ) y la deformación axial ( ∆l ) de un cuerpo que es sometido a un esfuerzo longitudinal dentro de los limites de elasticidad. (Fig.33) Expresado matemáticamente:

v=

∆r ∆l

Fig. 33: Coeficiente de poisson FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE UNA LECHADA DE CEMENTO

- 67 -

CAPITULO III

3.1.12.2.- Plasticidad La plasticidad es la propiedad mecánica de un material de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico. Materiales como los cementos, a pesar de comportarse de una manera frágil en el régimen de tensión, muestra un comportamiento plástico cuando ocurre deterioro en la compresión. En las lechadas WellLife, el siguiente modelo es adoptado para los cementos: 13.2.1.- Modelo Mohr-Coulomb Se trata de un modelo elastoplástico sin endurecimiento y con elasticidad lineal. También se lo conoce como criterio de la fricción interna. El criterio de Mohr- Coulomb muestra que una fractura ocurre cuando se logra vencer la resistencia cohesiva del material y la resistencia a deslizarse de los planos. (Fig.34) Se expresa matemáticamente mediante la siguiente ecuación

= ± (C + σ nTan θ )


- 68 -

CAPITULO III

Donde τ =

Esfuerzo de corte (Psi)

C = Resistencia σ n = θ =

cohesiva del material (Psi)

Esfuerzo normal al plano de corte (Psi)

Angulo de fricción interna (Grados)

Fig.34:

Representación grafica del circulo de Mohr

Este modelo plástico esta definido por dos paramentos (Fig.35): Cohesión Angulo de fricción a) Cohesión (C) Es el esfuerzo teórico por encima de la cual la deformación plástica es asumida que ocurra, esta expresado en unidades de esfuerzo.


- 69 -

CAPITULO III

b) Angulo de fricción (θ ) El ángulo interno de fricción de un material de acuerdo al comportamiento plástico de Mohr-Coulomb esta representado como el ángulo

θ

formado entre una línea horizontal y la

pendiente de la cohesión. 2500

2000

) i s 1500 p ( s s e r t S r a e h 1000 S

Cohesison = 404 psi

Cohesión

Angulo de fricción

Friction Angle = 11.4°

θ

500

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Normal Stress (psi)

Fig.35: Parámetros del círculo de Mohr-Coulomb


- 70 -

G.- CAPITULO III- Factores que influyen en el diseño de una lechada de cemento

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