GUÍA DE LABORATORIO
INTRODUCCIÓN El laboratorio de cementación es el lugar donde diseñan y evalúan las lechadas de cemento y mediante diferentes pruebas nos permite verificar los requerimientos de un pozo en particular, simulando las condiciones que tendrá el pozo, tales como: presión y temperatura, Esta simulación se la hace con el fin de tener resultados más cercanos a los reales y así tener la seguridad de utilizar o no una determinada lechada en el pozo, ara realizar dichas pruebas se debe recopilar la información necesaria para diseñar la lechada de cemento idónea para el pozo a cementar! revio a la cementación física del pozo, es necesario llevar a cabo un diseño del traba"o con cálculos estáticos y#o dinámicos que se realiza con los datos estimados del pozo y los reales de los ensayos de laboratorio, tiene como finalidad poder ser aprobado por el cliente con tiempo, realizar cambios si es necesario evitando inconvenientes y prever equipos y materiales necesarios! El ingeniero encargado de los ensayos de laboratorio, debe conocer las características básicas de la mezcla y los parámetros a obtener, pudiendo dar rangos de concentración de productos a utilizar o rango de valores a obtener y proveyendo los fluidos específicos del pozo $agua y lodo% si la comple"idad del diseño, determinada por el ingeniero responsable, lo requiere! &ste prepara la lechada y realiza los ensayos requeridos, 'Ensayo de lechadas de cemento y reflu"os (avadores y Espaciadores en (aboratorio)! Este informará al *ng! responsable mediante el '*nforme de (aboratorio de (echadas) el resultado de los ensayos realizados, este último verifica y aprueba la formulación en base a lo requerido por el cliente!
OBJETIVOS Objetivo General +nalizar de manera ob"etiva los diferentes elementos que podemos encontrar en un laboratorio de cementación para poder determinar la lechada que utilizaremos en la cementación de un pozo petrolero!
Objetivos ese!"#i!os de
escribir de manera clara y detallada los procedimientos que se realizan en un laboratorio cementación previo a la cementación de un pozo de petróleo! +nalizar las curvas obtenidas a trav-s de soft.are que los equipos nos permiten simular!
/ealizar conclusiones sobre equipos y venta"as y desventa"as y problemas que se pueden dar en el funcionamiento de los equipos!
$ARCO TEÓRICO (a norma +*0123 es la encargada de desarrollar las pruebas certificadas que se realizan a las lechadas de cemento para determinar sus propiedades! Esta norma consiste en especificaciones de pruebas para lechadas, procedimientos de ensayos operacionales, así como procedimientos para simular condiciones de yacimiento o en el fondo del pozo! +lgunas de estas pruebas son: 4iempo de bombeo! 5ontenido de agua! /eología! 6uerzas compresivas! erdidas de fluidos!
ADITIVOS UTILI%ADOS EN EN EL EL DISE&O DISE&O DE LEC'ADAS ( )RE*LUJOS+
Ce,entos+ (os cementos se clasifican en dos tipos principales dentro de la industria petrolera y su uso varía de acuerdo a las propiedades requeridas!
Retar-a-ores. producto químico utilizado para prolongar el tiempo de espesamiento de una lechada, entre ellos se encuentran los siguientes! 0
7/08: para ba"as temperatura entre 122 y 192 6, disminuye viscosidad!
0
7/012: para altas temperatura entre 822 y 8;2 6, disminuye viscosidad!
0 filtrado!
iacel0(<(: iacel0(< (: para temperaturas entre 1=2 y 822 6, viscosifica y ayuda a controlar
0
(ignosulfonato de 7odio y 5alcio $ 2!101>%
0
+gua 7aturada con 7al $1=019 (bs # sc %
0
(ignosulfonato de 5alcio $ 2!101!2= %
0
5?@E5 $5arboAimetil0 @idroAietil 5elulosa%
0
7al $5loruro de 7odio% B12>
A!elera-ores. reducen el tiempo de espesamiento de una lechada de cemento y ayudan a aumentar la tasa de desarrollo de resistencia a la compresión, ideal en pozos de poca profundidad y ba"as temperaturas! 0
5loruro de calcio: viscosifica se utiliza en pozos someros! $ hasta 8> %
;2 C6
0 ?etasilicato de sodio: es el de uso común, viscosifica y se puede utilizar como entendedor, controla el agua libre e incrementa la resistencia! 0
5loruro de potasio: su uso más común es como inhibidor de arcillas!
0 5loruro de sodio: se utiliza mayormente en estimulaciones, en concentraciones mayores al D> en lugar de acelerar, retarda! $ 10=> % B12 > 000000 /etardador 0
3óraA $a83FGF!12@8G% 4etraborato de 7odio ecahidratado
0
7ilicato de 7odio $ iesel + %! 7istema iesel
Controla-ores -e #iltra-o. se utiliza con el fin de reducir la p-rdida de la fase acuosa de la lechada en zonas porosas del hoyo para evitar la deshidratación prematura de la misma!
revienen la deshidratación del cemento y evitan la disminución de la columna de cemento debido a la perdida de agua, lo cual o rigina reducción de la presión e"ercida por la columna hidrostática! Evitar daño a las formaciones productoras! 5ementaciones rimarias: filtrado H 8=2 mlI 6orzamientos: máAimo 1=2 ml! Entre estos se tienen: 0
olímeros Grgánicos, (áteA, 5emento con 3entonita y dispersante!
0
6508: a demás de controlar filtrado, dispersa la lechada!
0
65088: a demás de controlar filtrado viscosifica la lechada!
0
iacel0(<(: actúa como controlador de filtrado a temperaturas por encima de 8226!
Disersantes. reducen la viscosidad de operación de la lechadaI modifican lechadas de ba"o peso a ser colocadas a trav-s de una formación de ba"o gradiente de fractura! 7e agregan al cemento para proveer propiedades de flu"o y permitir el bombeo de la lechada de cemento en flu"o turbulento a menor caudal, minimizando así los requerimientos de potencia hidráulica! isminuyen la viscosidad, ba"an el punto cedente y la resistencia de gel! Entre ellos se tienen: 0 olímeros de cadena larga, (ignosulfonato de 5alcio y 5loruro de 7odio, @idoAalatos olisacáridos! 0
640F: puede actuar tambi-n como retardador pero no debe usarse para tal fin!
E/ten-e-ores. se utilizan para aumentar el rendimiento de una lechada reduciendo la cantidad de cemento necesario para preparar una lechada! 4ambi-n disminuye la densidad de la mezcla y por ende el riesgo de fracturas a formaciones d-biles! 0 3entonita: puede ser utilizada en concentraciones superiores al 8=>, contribuye con la suspensión de sólidos presentes en la mezcla! 0
+tapulguita
$2!=0 F>%
0
@idrocarburos aturales :Jilsonita, 5arbón $10=2 (bs#scs%
0
7ilicato de 7odio $10 9!= (bs#scs%
0
ozolanas, tierra iatomacea, 5enizas en polvo, erlitas EApandidas
Retro0resi1n t2r,i!a. utilizados para evitar la reducción de la resistencia a la compresión de la lechada por efecto de alta temperatura! 0 8D26!
760D8= $7ilica fluor%: utilizado para temperatura estática de fondo por encima de
Densi#i!antes. aumentan la densidad o peso por unidad de volumen de una lechada proporcionando la presión hidrostática requerida para el control del pozo! 0 @ematina: es utilizado para las lechadas de cemento, aumenta la viscosidad de la lechada, es convenirte utilizarla con un dispersante!
0
3arita: utilizada en los espaciadores!
0
5arbonato de calcio: utilizado en los espaciadores!
0
+rena
Anti,i0ratorios. minimizan la despresurización de la lechada disminuyendo la movilidad del gas a trav-s del cemento la que contribuye a la prevención el flu"o de gas por el anular despu-s de cementado! 0 6(0DFF y J+7 6*K: viscosifican, son utilizados tambi-n como controlador de filtrado cuando se requieren muy ba"os volúmenes de filtrado!
Alivianantes. reducen en gran medida la densidad de la lechada de cemento para ser utilizada en los casos en los que se requieren ba"o peso como el caso de zonas ladronas! 0 Es#elite. utilizada en profundidades de hasta 12=22 pies donde se requieren densidades por el orden de L a 18 lpg! 5on densidades de M!= l pg se pueden alcanzar alta resistencias iniciales a ba"as temperaturas
)RU EBAS DE L ABOR ATO RIO DENSIDAD
(a densidad de una lechada en la actualidad es determinada por dos tipos de balanza: la convencional ó de lodo y balanza presurizada! (a diferencia de una balanza y otra es que la balanza presurizada es más eAacta, debido a que reducen las burbu"as de aire entrampadas en la mezcla a un mínimo espacio!
eterminación de la densidad: 7e utiliza para ello un equipo llamado balanza de lodos! En el laboratorio se pondrá especial cuidado en eliminar todo el aire contenido en la muestra de cemento!
TIE$)O DE ES)ESA$IENTO
7e refiere a el tiempo en que una lechada de cemento permanece lo suficientemente fluida como para ser bombeada al pozo ba"o condiciones de presión y temperatura!
(a prueba de tiempo de bombeo determina la longitud de tiempo que una lechada puede permanecer bombeable ba"o condiciones simuladas del pozo! (a prueba de tiempo de bombeo puede simular temperatura, presión y tiempo! Gtros factores que pueden afectar la bombeabilidad de la lechada durante un traba"o no pueden ser simuladas eAactamente durante una prueba de tiempo de bombeo en el laboratorio $contaminación del fluido, p-rdida de fluido a la formación, variaciones imprevistas de temperatura, apagados no planeados en el bombeo, etc%! ebido a que estos factores no pueden ser simulados, es preciso simular los condiciones del pozo conocidas de la manera más eAacta posible para determinar el tiempo de bombeo de la lechada para ser bombeada en el pozo! 4al vez sea -sta la prueba de laboratorio más usada en el campoI determina durante cuánto tiempo la lechada permanece en estado fluido, $y por consiguiente bombeable% ba"o una serie de
condiciones dadas en el laboratorio! $resión y temperatura%! El aparato que se usa para determinar el tiempo de bombeabilidad es el consistóme tro, que puede ser atmosf-rico o presurizable! ENO*G
Consist1,etro Es un equipo que determina la consistencia que va adquiriendo la lechada a medida que esta se somete a las condiciones del pozo! ara conseguir esto el equipo tiene un soft.are que simula condiciones de presión y temperatura con el fin de que los resultados sean los más reales posibles, este equipo posee las siguientes características: PQelocidad de giro de la paleta o del vaso 1=2 / POnidad de medida 35 P?edios de calentamiento: agua o aceite de más o menos D 35 P6recuencia de calibración una vez al mes
El recipiente con la lechada gira a velocidad constante, $movido por un motor el-ctrico% dentro de un baño de aceite, a trav-s del cual, se le aplica la temperatura y la presión deseada! entro del recipiente aislado, hay una pateta conectada a un resorteI a medida que la lech ada gira, trata de arrastrar la paleta en el sentido de la corriente! Ona lechada más viscosa e"ercerá una fuerza mayor en la paleta, la cual a su vez, trasmitirá mayor torque al resorte y -ste se mide por medio de un potenciómetro, del que esta dotado el aparato!
(os resultados son mostrados en un cuadro mediante una simulación! El tipo de bombeabilidad es determinado cuando la consistencias alcanza los 122 3arden $Onidades de consistencia%
CONTROL
DE *ILTRADO
7e realiza con el fin de estimar la cantidad de filtrado que tendrá la lechada en estudio! ara esto se utiliza el filtro prensa de alta presión y alta temperatura el cual posee una celda que contiene una malla de filtrado donde se vierte la lechada previamente acondicionada en el consistómetro atmosf-rico, luego esta celda se introduce en la camisa de calentamiento y se le conecta la manguera de presión que suministra 1222 psi por la parte superior del equipo! +l instante que se transfiere la presión a la celda se pone en marcha el cronómetro por D2 minutos $tiempo de duración del ensayo%, luego se mide el volumen de filtrado recolectado y se multiplica por 8 para obtener el valor resultante a la prueba! Ona prueba de p-rdida de fluido determina la efectividad de una lechada de cemento en prevenir la p-rdida de agua desde la lechada a una formación en el pozo! os tipos de pruebas se realizan, la prueba por agitación y la estática! En la mayoría de casos, las circunstacias e vitan que obtengas una muestra de la formación o simular las condiciones del pozo eAactamente! 5onsecuentemente, usamos un tamaño de tamiz normalizado para simular la permeabilidad de una formación promedio! 6iltrado de ba"a presión: 7e aplican 122 psi y se va leyendo la cantidad de liquido que cae en el cilindro graduado a los 1#F, 1R8, 1, 8, y = minutos de iniciada la prueba, y luego a intervalos de =
minutos cada uno! 7i la muestra se deshidrata totalmente antes de media hora, se registra el tiempo que tardó en hacerlo! El filtrado se reporta en cc#D2 minutos a 122 psi!
El filtro prensa de alta presión, incorpora un baño a una temperatura controlable a fin de simular las condiciones realesI la temperatura a la cual se hizo la prueba, deberá estar registrada en el reporte! Es debido a -sta venta"a que el filtro de alta presión se utiliza más que el de ba"a, y los resultados obtenidos son eApresados como cc de filtrado cada D2 minutos a 1222 psi!
AGUA LIBRE ara este ensayo se acondiciona la lechada en el consistómetro atmosf-rico y luego se transfiere a un cilindro graduado cerrando herm-ticamente la parte superior del mismo, seguidamente se coloca en una superficie plana y sin vibraciones por un periodo de dos horas, tiempo en el cual se mide el volumen de fluido libre que se a separado de la lechada!
eterminación del contenido de agua en la lechada! Ona vez que se ha preparado la lechada en el mezclador, se le agita en un consistómetro a presión atmosf-ricaI se vuelve a pasar por el mezclador, y luego se le de"a en un cilindro de vidrio graduado de 8=2 ml, perfectamente tapado para evitar la evaporación! +l cabo de dos horas de reposo, se habrá acumulado agua en la parte del recipiente, ese volumen de agua eApresado en mililitros, es el contenido de agua libre de la lechada!
VISCOSIDAD (os ensayos de reología permiten determinar el comportamiento de la lechada de cemento ante diferentes caudales de bombeo! En el laboratorio el equipo más utilizado para realizar esta prueba es el viscosímetro 6ann D= donde se obtienen las lecturas del dial a D22, 822, 122, ;2, D2, 82, 12, ; y tres rpm las cuales se utilizan para el cálculo de nS, TS, viscosidad plástica y punto cedente a trav-s de un soft.are o programa de computo! (a prueba de reología determina la propiedades aparentes del fluido $viscocidad plástica, punto de cedencia, propiedades de fricción, dureza del gel, etc!% de una lechada de cemento, usando un viscosímetro rotacional como el 6ann de ; o 18 velocidades!
eterminación de las propiedades reológicas: El viscosímetro de 6ann, es un aparato de tipo rotacional, movido por un motor sincronizado a dos velocidades diferentes que permite obtener velocidades rotacionales de ;22, D22, 822, 122, ; y D /?!
On cilindro eAterior o rotor, gira a una velocidad constante para cada a"uste de /?, que es trasmitido a la lechada de cemento que lo rodea y -sta, a su vez, produce un cierto torque en un cilindro interior o bob sobre el que actúa un resorte! (a torsión que adquiere el resorte puede relacionársela con la viscosidad de la lechada y medirla de esta manera!
RES
ISTENCIA A LA CO$)RESIÓN
(os ensayos utilizados para determinar la resistencia a la compresión son de dos tipos, el primero es un ensayo no destructivo para el cual empleamos el +nalizador Oltrasónico de 5emento $O5+%, en el cual la lechada sometida a las condiciones del pozo es atravesada por una onda ultrasónicaI esta es registrada por sensores y analizada por un soft.are que traduce la información de tiempo de transito en unidades de resistencia $psi%! El segundo ensayo es destructivo y consiste en la fabricación de un cubo de cemento en un molde especifico durante un periodo de tiempo determinado, luego se utiliza la prensa hidráulica don se determina la fuerza necesaria para romper el cuboI este valor se divide entre el área del cubo y se obtiene la resistencia en psi! (a prueba de la fuerza compresiva determina la fuerza de la composición de un cemento ba"o condiciones de temperatura que simulan la condiciones del pozo! (a presión máAima para tratar es normalmente de D222psi $+*#*7G%, a menos de que se especifique otra por el cliente! ruebas de resistencia a la compresión: 7e vierte la lechada en estudio en una serie de moldes, cubos de 1 pulgada por lado y se les coloca en un baño de agua comúnmente a la temperatura requerida por la prueba!
(os tiempos recomendados para sacar las muestras son: L, 18! 1L, 8F, D;, FL, y 98 horas! or lo general, las pruebas a las L, 8F y 98 horas son suficientesI aunque a veces se necesita más información!
Ona vez que se retiran los cubos del baño se les coloca, inmediatamente en una prensa hidráulica que incrementa la carga entre 1 222 y F 222 psi por minuto! 5uando se rompe el cubo, se lee la máAima presión obtenida en la escala y esa será el valor de la resistencia a la compresión! 7e deberá repetir la operación con varias muestras y luego se sacará el promedio!
)RUEBA DE DURE%A (a prueba de dureza indica la dureza de una lechada de cemento despu-s de que haya sido bombeada en el pozo y de"arse endurecer! (a lechada es sometida a temperatura $y normalmente, presión% por varios períodos de tiempo! (a prueba de dureza puede ser realizada a condiciones de fondo de pozo o las condiciones a un específico punto de inter-s $en la parte superior de la columna de cemento, en la parte superior del liner, a trav-s de la zona de producción, etc!% (a lechada de cemento es tratada en un molde, se de"a endurecer por el tiempo requerido, removida del molde y aplastada en un prensa, la cual calcula la fuerza requerida para romper el specimen! Esta fuerza es luego convertida a fuerza por unidad de área, $como psi%, basados en el área superficial de el specimen en contacto con uno de los platos de la prensa!
)r3eba -e -3re4a s1ni!a
(a prueba de dureza sónica $analizador O5+% es una prueba no destructiva realizada a una lechada para estimar su dureza! 5orrelaciones han sido desarrolladas para aproAimar la dureza compresiva de una composición de cemento basado en el tiempo requerido para que una señal ultrasónica pase por el cemento mientras se fragua! (os indicadores de prueba de dureza al golpe y la prueba de dureza sónica pueden variar considerablemente, dependiendo de la temperatura de la prueba, la composición de la lechada, etc!, y en la mayor parte de casos la prueba de la dureza sónica será menor que la prueba de la dureza al golpe! En algunos casos, la dureza sónica puede ser tan pequeña como el =2> de la dureza al golpe! +nalizador ultrasónico de cemento $O5+%: Equipo diseñado para evaluar la resistencia a la compresión pero a partir del m-todo sónico! uede utilizarse para probar la resistencia de una
lechada durante un tiempo prolongado!
eterminación de la /esistencia Oltrasónica Evalúa la resistencia a la compresión pero a partir del m-todo sónico!
uede utilizarse para probar la resistencia de una lechada durante un tiempo prolongado! Otiliza correlaciones para las mediciones de la resistencia del rompimiento de las muestras basado en el principio de atenuación de la velocidad sónica! Esta prueba se la realiza con una sola muestra, permite una medición continua, con una
temperatura y presión apropiadas, y permitiendo la interpretación de la velocidad sónica $tiempo de transito%!
)RUEBA DE SEDI$ENTACIÓN DE LA LEC'ADA Esta prueba, la cual ayuda a determinar si una lechada de cemento eAperimenta sedimentación, es usada en con"unción con la prueba de fluido libre para ayudar a determinar la estabilidad estática de una lechada de cemento ba"o condiciones de fondo de pozo! EAcesiva cantidad de fluido libre y puede indicar problemas en la estabilidad de la muestra de cemento!
Otras r3ebas (as pruebas que hemos visto están determinadas por la norma +* / 123 pero a veces, se necesita información específica para un cemento en especial, o para una lechada en particular!
)ROCEDI$IENTOS rocedimiento para realizar una lechada de cemento 1! 7e pesa la cantidad de agua, cemento y aditivos en una bala nza electrónica!
8! 7e mezcla el agua, cemento y aditivo en una mezcladora +*! (a mezcla se realiza de la siguiente manera:Por 1= segundos a F222 rpm se mezclan los aditivos!PU luego por D= segundos a 18222 rpm toda la lechada!
D! 7e mide la densidad de la lechada en una balanza presurizada
! F! espu-s de mezclar la lechada en la mezcladora +* se pasa al co nsistómetro atmosf-rico para simular las condiciones de mezclado que soportará la lechada antes de ser bombeada al pozo!
=! 7e mide la reología de la mezcla en el viscosímetro 6+ donde se le determina el punto decedente y la viscosidad plástica de la lechada! Estas características nos permiten conocer que tipo de flu"o nos va a permitir esa lechada $flu"o
turbulento o flu"o tapón%! or medio del computador, nos dice si va a entrar en flu"o turbulento con tantos barriles#min!
;! 7e mide la cantidad de p-rdida de filtrado de la lechada en el filtro prensa ba"o condiciones dinámicas de presión y temperatura!
9! 7e toma una muestra de la lechada y se coloca dentro del consistómetro presurizado, que es el equipo el cual nos permite simular las condiciones del fondo del pozo $presión y temperatura%
y
determinar
el
tiempo
de
espesamiento
L! 7e mide la resistencia a la compresión de la lechada:P
de
la
lechada!
CONCLUSIONES P(os procedimientos descritos de este proyecto son reales y certificados por la norma +*0 123, los materiales y equipos que se utilizaron son los que el laboratorio utiliza para sus análisis de lecha diariamente, muy pocos laboratorios en el país están tan bien equipados y esto se debe a que la tecnología utilizada es muy costosa! P(as curvas que se obtiene del consistómetro y del O5+ son datos que mas se podrían acercar al comportamiento real de la lechada en el campo, estas nos dan una idea de cómo se realizo la cementación y permiten hacer modificaciones si este fuera el caso! P(as venta"as de tener tecnología de punta en laboratorios nos permite predecir que materiales serian los idóneos para realizar el traba"o de cementación así como evitar traba"os de arreglos o malas cementaciones que podrían provocarse en cualquier pozo! P(a desventa"a de estos equipos son los conocimientos avanzados de operación por lo cual las personas capacitadas se especializan en EEOO para su manipulación, y los repuestos de cada equipo no son fáciles de conseguir ya que solo la Empresa de 5handler en @ouston EEOO los fabrica!
