INGENIERÍA DE PERFORACIÓN DE POZOS Cementación de Pozos
Nombre del alumno: Bertino Izquierdo Toledo Asesor: Ing. Javier Olán Ramírez
7º Semestre “B”
Nacajuca, Tabasco Noviembre 2013
ÍNDICE
Introducción Concepto y Propósitos de Cementación de Pozos Diseño y Tipos de Cementaciones Tipos de Cemento y aditivos empleados Procedimientos y cálculos:
Preparación de una lechada de cemento (laboratorio) Preparación para una cementación primaria (check list) Procedimiento para la cementación de una TR y de una TR corta (linner) Volumen y tiempo para desplazar un tapón Programa de operación Problemas más frecuentes y cómo prevenirlos
Operaciones:
Previas a la cementación Durante la cementación Posteriores a la cementación
Nuevas tecnologías Tecnología de lechadas lechadas de baja densidad con alta resistencia compresiva Cementos espumados Microsílica
Conclusión Bibliografía
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo se basa en el proceso de cementación así como todos los parámetros y aspectos concernientes a esta misma, como las lechadas de cemento y los aditivos empleados en esta misma. El programa de cementación debe diseñarse para obtener una buena cementación primaria. El trabajo debe aislar y prevenir la comunicación entre las formaciones cementadas y entre el hoyo abierto y las formaciones someras detrás del revestidor. Está divido primeramente, en el concepto y los propósitos de la cementación, esto incluye las ventajas y características de la cementación. Enseguida, tenemos el diseño y los tipos de cementación. El tercer tema abarca los tipos de cementos y su clasificación de acuerdo a sus características así como los aditivos. También se incluyen cálculos y procedimientos, en laboratorio y en campo, así como las operaciones comunes antes, durante y después de la cementación. Por último hay un capítulo que incluye las nuevas tecnologías empleadas durante el proceso de cementación, cuyas mejoras se van adecuando conforme avanzan las prácticas y tecnologías de las compañías petroleras nacionales multinacionales expertas así como los organismos investigadores.
CONCEPTO Y PROPÓSITOS DE LA CEMENTACIÓN DE POZOS La cementación es un proceso que consiste en mezclar cemento seco y ciertos aditivos con agua, para formar una lechada que es bombeada al pozo a través de la sarta de revestimiento y colocarlo en el espacio anular entre el hoyo y el diámetro externo del revestidor. El volumen a bombear es predeterminado para alcanzar las zonas críticas (alrededor del fondo de la zapata, espacio anular, formación permeable, hoyo desnudo, etc.). Luego se deja fraguar y endurecer, formando una barrera permanente e impermeable al movimiento de fluidos detrás del revestidor. Las operaciones de cementación en perforación y mantenimiento de pozos se dividen en:
Cementación primaria. Cementación a presión. Tapones de cemento: a) Tapón de cemento por circulación. b) Tapón de cemento por desplazamiento.
Entre los propósitos principales de la cementación se pueden mencionar los siguientes:
Proteger y asegurar la tubería de revestimiento en el hoyo. Aislar zonas de diferentes fluidos. Aislar zonas de agua superficial y evitar la contaminación de las mismas por el fluido de perforación o por los fluidos del pozo. Evitar o resolver problemas de pérdida de circulación y pega de tuberías. Reparar pozos por problemas de canalización de fluidos. Reparar fugas en el revestidor.
La cementación tiene una gran importancia en la vida del pozo, ya que los trabajos de una buena completación dependen directamente de una buena cementación.
DISEÑO Y TIPOS DE CEMENTACIÓN El programa de cementación debe diseñarse para obtener una buena cementación primaria. El trabajo debe aislar y prevenir la comunicación entre las formaciones cementadas y entre el hoyo abierto y las formaciones someras detrás del revestidor. Debe considerarse el no fracturar alrededor de la zapata del conductor o de la sarta de superficie durante las subsiguientes operaciones de perforación o cuando se corren las otras sartas de revestimientos. Al planificar una cementación, independientemente del tipo de revestidor debe considerarse información sobre:
Referencia de pozos vecinos.
Geometría del hoyo (diámetro/forma). Tipo de fluido de perforación existente en el sistema. Problemas presentados durante la perforación. Tipo de cemento, lechada y aditivos a utilizar por la compañía. Efectuar pruebas API para cada una de las lechadas de cemento. Equipos y herramientas a utilizar por la compañía de cementación. Centralización del revestidor.
Condiciones óptimas de una cementación.
Tener la densidad apropiada. Ser fácilmente mezclable en superficie. Tener propiedades reológicas óptimas para remover el lodo. Mantener sus propiedades físicas y químicas mientras se está colocando. Debe ser impermeable al gas en el anular, si estuviese presente. Desarrollar esfuerzo lo más rápido posible una vez que ha sido bombeado. Desarrollar una buena adherencia entre revestidor y formación. Tener una permeabilidad lo más baja posible. Mantener todas sus propiedades bajo condiciones severas de presión y temperatura.
Cementación Primaria: Se realiza al cementar los revestidores del pozo (conductor, superficial, intermedio, producción, etc.) durante la perforación. Entre los objetivos principales de esta cementación se pueden mencionar los siguientes:
Adherir y fijar la sarta de revestimiento. Restringir el movimiento de fluidos entre las formaciones productoras y el confinamiento de los estratos acuíferos.
Proteger la sarta contra la corrosión. Reforzar la sarta contra el aplastamiento debido a fuerzas externas y reforzar la resistencia de la sarta a presiones de estallido. Proteger la sarta durante los trabajos de cañoneo (completación). Sellar la pérdida de circulación en zonas "ladronas".
Cementación Secundaria Es el proceso de forzamiento de la lechada de cemento en el pozo, que se realiza principalmente en reparaciones/ reacondicionamientos o en tareas de terminación de pozos. Puede ser: cementaciones forzadas (a presión) y tapones de cemento. Los propósitos principales de esta cementación son:
Reparar trabajos de cementación primaria deficientes. Reducir altas producciones de agua y/o gas. Reparar filtraciones causadas por fallas del revestidor. Abandonar zonas no productoras o agotadas. Sellar zonas de pérdidas de circulación. Proteger la migración de fluido hacia zonas productoras.
Consiste en mezclar y colocar lechadas de cemento en el espacio anular entre el revestidor y las paredes del hoyo, con el objetivo principal de fijar el revestidor para garantizar la perforación de la próxima fase, así como el aislamiento de las formaciones perforadas para evitar la migración de fluidos. Esta cementación es realizada inmediatamente después que se corre un revestidor en el hoyo. Se realiza a presiones suficientes para que la mezcla de cemento sea desplazada a través de la zapata y ascienda por el espacio anular hasta cubrir la distancia calculada que debe estar rellena de cemento. Las cementaciones secundarias pueden definirse como procesos de bombear una lechada de cemento en el pozo, bajo presión, forzándola contra una formación porosa, tanto en las perforaciones del revestidor o directamente el hoyo abierto. Por lo que las cementaciones secundarias pueden ser: forzadas y/o tapones de cemento. Cementación Forzada: es el tipo más común de cementación secundaria. El proceso comprende la aplicación de presión hidráulica para forzar cemento en un orificio abierto a través de perforaciones en el revestidor, para corregir ciertas anomalías. Cuando se diseña una cementación forzada se debe considerar:
Tipo de cemento. Tiempo total de bombeo requerido. Tiempo para alcanzar las condiciones del pozo.
Control de filtrado. Resistencia del cemento. Desplazamientos y cálculos básicos en condiciones del pozo. La cementación forzada puede hacerse: con empacadura y/o con retenedor.
Cementación Forzada con Empacadura:
Exclusión de Gas Exclusión de Agua
A HOYO REVESTIDO A HOYO DESNUDO
Cementación Forzada con Retenedor de Cemento:
A) Bajando Espiga B) Inyectando Cemento C) Sacando Espiga
Tapon es de Cemento: operación
que consiste en colocar una columna de cemento en un hoyo abierto o revestido, con cualquiera de los siguientes objetivos:
Aislar una zona productora agotada. Pérdida de control de circulación. Perforación direccional. Abandono de pozo seco o agotado.
Pruebas de Tapones de Cemento: el método más común para probar la calidad de la resistencia de un tapón de cemento es bajar una mecha, tubería de perforación o con presión. El tiempo de fraguado después de la colocación de un tapón varía de 8 a 72 horas, dependiendo del uso de aceleradores o el tipo de pozo.
TIPOS DE CEMENTOS Y ADITIVOS EMPLEADOS El primer tipo de cemento usado en un pozo petrolero fue el llamado cemento Portland, el cual fue desarrollado por Joseph Aspdin en 1824, esencialmente era un material producto de una mezcla quemada de calizas y arcillas. El cemento Portland es un material cementante disponible universalmente. Las condiciones a las cuales es expuesto en un pozo difieren significativamente de aquellas encontradas en operaciones convencionales de construcciones civiles.
Este tipo de cemento es el ejemplo más común de un cemento hidráulico, los cuales fraguan y desarrollan resistencia a la compresión como un resultado de la hidratación. Este fenómeno involucra una serie de reacciones químicas entre el agua y los componentes del cemento. Por definición, el cemento Portland es el que proviene de la pulverización del clínker obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos y calizos, que contengan óxidos de calcio, silicio, aluminio y hierro en cantidades convenientemente dosificadas y sin más adición posterior que yeso sin calcinar, así como otros materiales que no excedan del 1% del peso total y que no sean nocivos para el comportamiento posterior del cemento. Los cementos tienen ciertas características físicas y químicas y en base al uso que se les puede dar en cuanto a rango de profundidad, presiones y temperaturas a soportar, etc. Según el API, los cementos pueden ser clasificados en:
Clase A: usado generalmente para pozos desde superficie hasta 6000’, cuando no se requieren propiedades especiales. La relación agua/cemento recomendada es 5.2 gal/sxs. Clase B: usado generalmente para pozos desde superficie hasta 6000’, cuando hay condiciones moderadas a altas resistencia al sulfato. La relación agua/cemento recomendada es 5.2 gal/sxs. Clase C: usado generalmente para pozos desde superficie hasta 6000’, cuando se requieren condiciones de alto esfuerzo. La relación agua/cemento recomendada es 6.3 gal/sxs. Clase D: usado generalmente para pozos desde 6000’ hasta 10000’, para condiciones moderadas de presión y temperatura. Está disponible para esfuerzos moderados a altos. La relación agua/cemento recomendada es 4.3 gal/sxs. Clase E: usado generalmente para pozos desde 10000’ hasta 14000’, para condiciones altas de presión y temperatura. La relación agua/cemento recomendada es 4.3 gal/sxs. Clase F: usado generalmente para pozos desde 10000’ hasta 16000’, para condiciones extremas de presión y temperatura. Está disponible para esfuerzos moderados a altos. La relación agua/cemento recomendada es 4.3 gal/sxs. Clase G y H: usado generalmente para pozos desde superficie hasta 8000’ o puedan ser usados con aceleradores o retardadores para cubrir una amplia variedad de rangos de presión y temperatura. La relación agua/cemento recomendada es 5,0 gal/sxs.
Aditivos:
Los aditivos tienen como función adaptar los diferentes cementos petroleros a las condiciones específicas de trabajo. Pueden ser sólidos y/o líquidos (solución acuosa). Entre ellos tenemos: Aceleradores : se usan en pozos donde la profundidad y la temperatura son bajas. Para
obtener tiempos de espesamiento cortos y buena resistencia a la compresión en corto tiempo. Pueden usarse: cloruro de calcio (CaCl2, más usado), silicato de sodio (Na2SiO3), cloruro de sodio (NaCl), ácido oxálico (H2C2O4), etc. Retardadores: hacen que el tiempo de fraguado y el desarrollo de resistencia la
compresión del cemento sea más lento. Los más usados son: lignitos, lignosulfonato de calcio, ácidos hidroxicarboxílicos, azúcares, derivados celulósicos, etc. Extendedores : se añaden para reducir la densidad del cemento o para reducirla
cantidad de cemento por unidad de volumen del material fraguado, con el fin de reducir la presión hidrostática y aumentar el rendimiento (pie3/saco) de las lechadas. Entre los más usados se tienen: bentonita, silicato de sodio (Na2SiO3), materiales pozzolánicos, etc. Densificantes: aditivos que aumentan la densidad del cemento o que aumentan la
cantidad de cemento por unidad de volumen del material fraguado, con el fin de aumentar la presión hidrostática. Los más usados: barita, hematita, ilmenita, etc. Controladores de Filtrado: aditivos que controlan la pérdida de la fase acuosa del
sistema cementante frente a una formación permeable. Previenen la deshidratación prematura de la lechada. Los más usados son: polímeros orgánicos, reductores de fricción, etc. Antiespumantes: ayudan a reducir el entrampamiento de aire durante la preparación de la lechada. Los más usados son: éteres de poliglicoles y siliconas. Dispersantes: se agregan al cemento para mejorar las propiedades de flujo, es decir,
reducen la viscosidad de la lechada de cemento. Entre ellos tenemos: polinaftaleno sulfonado, polimelamina sulfonado, lignosulfonatos, ácidos hidrocarboxilicos, polimeros celulósicos.
PREPARACIÓN DE UNA LECHADA DE CEMENTO (LABORATORIO) Para el diseño y preparación de la lechada de cemento se requiere la densidad, el rendimiento, el requerimiento de agua, la temperatura, los aditivos necesarios para el tiempo bombeable requerido, etc. Un ejemplo es la lechada con las siguientes especificaciones: Densidad lechada = 1.89 gr/cm 3. Rendimiento = 38 lts/saco. Requerimiento de agua = 22 lts/saco. Retardador = 1.5% en peso del cemento. Reductor de filtrado = 0.5 % en peso de cemento Se requieren 19600 lts (123 bls) de lechada. Existe software o programas técnicos en donde se introducen los datos que va solicitando cada pantalla y automáticamente proporcionan el volumen de desplazamiento, la cantidad de sacos de cemento, volumen de agua, etc., así mismo proporcionan gráficas y tablas de cómo va a quedar la cementación de la tubería de revestimiento y los materiales requeridos, es muy importante mencionar que él mismo software nos indica si se fractura la formación con los datos de gradiente de fractura que le proporcionaron y la densidad de la lechada de cemento, de la densidad del bache espaciador, limpiador y también la densida
A continuación se describe el procedimiento para realizar una lechada de cemento 1. Se pesa la cantidad de agua, cemento y aditivos en una balanza electrónica 2. Se mezcla el agua, cemento y aditivo en una mezcladora API. 3. La mezcla se realiza de la siguiente manera: • Por 15 segundos a 4000 rpm se mezclan los aditivos. • Y luego por 35 segundos a 12000 rpm toda la lechada 4. Se mide la densidad de la lechada en una balanza presurizada
5. Después de mezclar la lechada en la mezcladora API se pasa al consistómetro atmosférico para simular las condiciones de mezclado que soportará la lechada antes de ser bombeada al pozo.
6. Se mide la reología de la mezcla en el viscosímetro FANN donde se le determina el punto cedente y la viscosidad plástica de la lechada. Estas características nos permiten conocer qué tipo de flujo nos va a permitir esa lechada (flujo turbulento o flujo tapón). Por medio del computador, nos dice si va a entrar en flujo turbulento con tantos barriles/min. 7. Se mide el agua libre en un equipo para análisis de agua libre que nos permite evaluar la cantidad de agua libre que puede migrar a través de la lechada. 8. Se mide la cantidad de perdida de filtrado de la lechada en el filtro prensa bajo condiciones dinámicas de presión y temperatura. 9. Se toma una muestra de la lechada y se coloca dentro del consistómetro presurizado, que es un equipo el cual nos permite simular las condiciones del fondo del pozo (presión y temperatura) y determinar el tiempo de espesamiento de la lechada.
10. Se mide la resistencia a la compresión de la lechada: • Cámara de curado: Equipo de alta presión y alta temperatura donde se elaboran bloques de muestra de las diversas lechadas de cemento diseñadas, los cuales serán sometidos a diversos esfuerzos.
•
Analizador ultrasónico de cemento (UCA): Equipo diseñado para evaluar la resistencia a la compresión pero a partir del método sónico. Puede utilizarse para probar la resistencia de una lechada durante un tiempo prolongado.
PREPARACIÓN PARA UNA CEMENTACIÓN Cementación primaria (check list).
1.- Verificar que haya en presas el suficiente lodo para desplazar la lechada. 2.- Verificar el suministro de agua que sea lo suficiente para preparar la lechada. 3.- Si se trata de una cementación donde se va a manejar grandes volúmenes de lechada, debe contar con los dos laboratorios, rendimientos de lodo y dos necesarios para prepararla y tiempos bombéables. 4.- Si se instala un tanque estacionario para bombear agua, verificar su llenado con anticipación y verificar que no tenga fugas. 5.- Verificar que las líneas para suministro de lodo para desplazar la lechada no estén tapadas por asentamientos de material químico (barita). 6.- Verificar la existencia de otros fluidos en caso de que se requiera. 7.- Verificar que la unión de enlace que entra en la cabeza de cementar sea de la misma medida de la T.R. y que la rosca se compatible y en buen estado. 8.- Revisar que las bombas del lodo del equipo estén en óptimas condiciones de operación. 9.- Contar con tablas de información técnica de las bombas a utilizar (duplex o triplex). 10.- Revisado de manómetros, localizador de peso y consola de control. 11.- Revisión del sistema de comunicación y voceo del equipo. 12.- Asegurar buena iluminación en áreas de presas principalmente la del retorno de fluidos en temblorina. 13.- Tener la bitácora en orden donde se haya registrado las medidas, grados y pesos de las tuberías de revestimiento al introducir. 14.- Verificar que estas tuberías estén bien estibadas y ordenadas en las rampas, de acuerdo a su libraje grados y pesos y medidas para su introducción en el pozo. 15.- Verificar que la nomenclatura de las franjas pintadas en la T.R. coincidan con el orden de la introducción de las mismas, medir en forma selectiva la tubería que esta colocada en la parte superior de la rampa (del extremo de cople al primer hilo del piñón cortejando los datos asentados en la bitácora. 16.- Verificar que las roscas de las cuerdas de los piñones y cajas de la T.R. estén previamente engrasados con sus protectores de vinil (no metálicos) colocados en forma correcta. 17.- Contar con una presa para recibir fluidos excedentes de la lechada y evitar la contaminación del lodo en presas. 18.- Contar con el servicio de transporte de los desechos de estos fluidos para desechar en locaciones autorizadas. 19.- Contar con los accesorios en buen estado requeridos para estar pesando la densidad de la lechada.
20.- Evitar el deterioro de fluidos de desecho que contengan sustancias radioactivas o dañinas para la salud.
PROCEDIMIENTO PARA LA CEMENTACIÓN DE UNA T.R. Y DE DE UNA T.R. CORTA (LINER). La preparación y los procedimientos para cementar una T.R. (intermedia) y de una T.R. corta (liner) son:
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.-
18.19.20.21.-
Tener la profundidad programada. Solicitar cemento y la unidad cementadora, con 4 horas de anticipación. Hacer preparativos para meter T.R. Acondicionar lodo para meter T.R. sin problemas. Efectuar viaje corto a la zapata y circular un ciclo completo. Solicitar material para T.R. (según diámetro). Preparar andamio (medio changuero) ó chancero de alinear T.R. Confirmar unidad y cemento a la hora indicada. Cerciorarse que haya suficiente agua para la operación. Desconectar manguera del stand pipe e instalar maclach. Meter T.R. Instalar unidad cementadora en cuanto llegue. Hacer las circulaciones y el movimiento verticales, según programa. Revisar la cabeza de cementación. Preparar los dispersantes a usar. Terminada la última circulada, soltar el tapón diafragma. Bombear: a.- Dispersantes. b.- Colchón de agua (según programa). c.- Lechada, verificando su densidad. Soltar tapón ciego y desplazar con lodo, usando la bomba del equipo o la unidad de alta. Llegando el tapón al cople, suspender la operación. Descargar presión a cero. Cerrar la válvula de la cabeza de cementación
VOLUMEN Y TIEMPO PARA DESPLAZAR UN TAPÓN El volumen y el tiempo para desplazar un tapón por circulación, está en relación de la profundidad de la cima del tapón, así como el diámetro de la T.P. franca y la geometría del pozo. Ejemplo: Diámetro de barrena
5 7/8” 5.875 pg
Tubería de perforación 3½” 13.3 lb/pie a
4 800 m
Diámetro interior de la T.P.
2.764 pg
Longitud del tapón
200 m
Densidad de la lechada
1.90 gr/cm³
Rendimiento
38.7 lt/saco
T.R. 7”
Capacidad de agujero: (D²) x .5067
(5.875²) x .5067
= 17.48 lt/m
(2.764²) x .5067
= 3.87 lt/m
Capacidad de T.P: (d²) x .5067
Volumen del acero: 0.1897 x WTP = 0.1897 x 13.3 = 2.52 lt/m
Capacidad anular: Capacidad de agujero – (capacidad de T.P. + volumen del acero) Ca = 17.48 – (3.87 + 2.52) = 11.09 lt/m Relación espacio anular sobre T.P.: Capacidad agujero
17.48 =
Capacidad de T.P.
= 2.86 lt/m 3.87
Volumen de lechada: Capacidad de agujero x longitud del tapón = 17.48 x 200 = 3496 lt Número de sacos de cemento:
Volumen de lechada Rendimiento por saco
3,496 = 90.3 sacos. 38.7
Profundidad nivelada del cemento:
Volumen de lechada H = Cap anular + Cap de TP
3,496 H =
= 233.6 m 11.09 + 3.87
Volumen del primer bache separador: Capacidad anular x 50 11.09 x 50 = 554 lt Volumen del segundo bache separador: Capacidad de T.P. x 50 x 50 = 193.5 lt Primer bache = segundo bache por relación: 193.5 x 2.86 = 554 lt
Cima del segundo bache: Profundidad – (Longitud del tapón + 50) 4,800 – (200 + 50) = 4,550 m
Volumen de lodo para desplazar: (Capacidad de T.P. x cima del segundo bache) + cap. de líneas superficiales (3.87 x 4550) + 200 = 17,809 lt = 112 barriles
PROGRAMA DE OPERACIÓN Meter T.P. franca a 4,800 m. Instalar unidad de alta y probar líneas. Efectuar junta de seguridad. Bombear el primer bache separador y verificar circulación 554 lt = 3.5 bl. Bombear lechada de cemento 3,496 lt = 21.9 bl. Bombear segundo bache separador 193.5 lt = 1.2 bl. Desplazar con 17,806 lt de lodo = 112 bl. Levantar 12 triples de T.P. Circular un ciclo completo para lavar la T.P. verificando en el vibrador si se circuló algún puente de cemento. 10.- Sacar a la superficie y esperar fraguado.
1.2.3.4.5.6.7.8.9.-
PROBLEMAS MÁS FRECUENTES Y COMO PREVENIRLOS 1.2.3.-
Falta de agua.- De antemano deberá de almacenarse agua suficiente para la
operación.
Falla de la unidad cementadora.- probar la misma antes de iniciar la operación, y
si falla, no iniciar a cementar hasta que llegue otra en condiciones. Pér dida parcial y pérdida total de circulación.- Si es pérdida parcial, es recomendable bajar el gasto de bombeo para reducir la presión; ahora, si la pérdida es total,
4.5.6.-
7.8.9.-
Fuga en la cabeza de cementación.- reemplazarla por otra de inmediato. Falla en la unidad almacenadora de cemento (trompo).- tratar de corregir la falla y
tener otra línea alterna de aire del equipo. Al desplazar la lechada.- que el exceso de cemento caiga en la presa de asentamiento, dejar en la descarga de la línea de flote, a un elemento de la cuadrilla para estar pendiente, y cuando salga el cemento, que se descargue en el contenedor de recortes. Al desplazar la lechada, fallen las bombas del equipo.- terminar de desplazar con la unidad de alta. Fuga en las uniones del stand pipe.- cambiar los empaques de las uniones. Descontrol del pozo.- efectuar procedimiento de cierre de preventores.
CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LA LECHADA Y RENDIMIENTO Uno de los aspectos importantes de las operaciones de cementación, es tener la cantidad de agua disponible para formar la lechada de cemento. Para dicho cálculo, se requiere conocer la densidad y el volumen de la lechada de cemento y el rendimiento. Posteriormente se aplican las siguientes fórmulas:
Donde: Va = Volumen de agua para la cementación, en Lt. /saco. P = Peso de un saco de cemento, en Kg. D = Densidad de la lechada de cemento, en gr/cm 3. V = Volumen de la mezcla de cemento y agua (lechada), en Lt/saco (Rendimiento). Vs = Volumen de un saco de cemento, en lt/saco. Ns = Nro. de sacos de cemento. V = Volumen total de la lechada, en Lt. Da = Densidad del agua, en gr/cm 3. l
Aplicación de las fórmulas: Densidad de lechada – 1.89 gr/cm3. Volumen de lechada total – 19,600 Lt * Sacos de cemento de 50 kg. Operaciones:
Cantidad de agua necesaria = 22.472 lt/saco x 511 saco = 11,483 Lt.
11.5 m3
* El cálculo del volumen de la lechada de cemento se realiza con base a las capacidades anulares, en donde se requiere la cementación de la T.R., fórmulas que se han aplicado en el manual del perforador.
OPERACIONES Operaciones Previas a la Cementación a. Análisis del Agua disponible. Es de gran importancia conocer con tiempo las características químicas del agua que se utilizará y efectuar pruebas del cemento con estas. Si se considera necesario se transportará cuidando que su salinidad sea menor de 1000 ppm de Cloruros. b. Pruebas de Cemento de cada lote recibido. El control de calidad del cemento es de gran importancia e invariablemente deberán efectuarse pruebas de los lotes recibidos, básicamente en cédula No. 5 sin aditivos, así como el cálculo de la densidad máxima permisible para evitar pérdidas de circulación por fracturamiento de las formaciones y de acuerdo a la temperatura de fondo del pozo para el diseño de la lechada de cemento. c. Programas de accesorios El programa de accesorios estará sujeto básicamente a los objetivos que se persigan, fijando normas y condiciones que optimicen los resultados y evitando al máximo un incremento en los costos, así mismo se deben verificar los accesorios en su diámetro, estado, tipo de rosca, diámetros interiores, grados y librajes, así como el funcionamiento de las partes de los accesorios antes de la operación, para que cualquier anomalía que se detecte se corrija a tiempo y no a la hora de iniciar la introducción de la tubería. d. Diseño de la lechada de cemento y los baches lavadores y espaciadores El diseño de la lechada de cemento es un aspecto muy importante ya que en la misma se deben considerar aditivos para la presencia de gas, retardadores y/o aceleradores y en caso necesario, etc., así mismo debe contemplarse la compatibilidad con el lodo de perforación en uso y los diferentes baches a utilizar como son los limpiadores y espaciadores. Con el objeto de tener mejores resultados en las cementaciones primarias, el volumen de fluido limpiador que se programe y el gasto, debe estar diseñado para un tiempo de contacto de 8 a 12 min. Utilizando un flujo turbulento, lo cual es un mínimo recomendable para remover el enjarre de los lodos de perforación y para su diseño se deben tomar en cuenta el diámetro de las tuberías de revestimiento, así como los diámetros de los agujeros, para que sea el volumen adecuado y se obtengan óptimos resultados, así mismo tomar en cuenta el tipo de formación, se bombeará después de haber soltado el tapón de diafragma.
Cuando se seleccione un fluido espaciador, para efectuar un eficiente desplazamiento del lodo, deberán tomarse en cuenta la reología del fluido espaciador, gasto de bombeo, compatibilidad del fluido espaciador con el lodo y el cemento y tiempo de contacto; con lodos base agua, un pequeño volumen de agua como espaciador entre el lodo y el cemento han registrado resultados satisfactorios. El criterio más importante en la selección de un fluido espaciador es que el fluido seleccionado pueda desplazarse en turbulencia a gastos de bombeo razonables para la geometría que presenta el pozo.
Operaciones durante la Cementación a. Colocación de Accesorios y revisión de Tramos Es muy importante verificar la correcta colocación de accesorios, de acuerdo al programa elaborado previamente, así como también es importante verificar las condiciones del fluido de control, ya que es un factor de gran importancia para el éxito de una cementación primaria. Así mismo la numeración de los tramos, siguiendo un orden de acuerdo al diseño del ademe que se utilizará en el pozo en grados, peso y tipos de roscas, las cuales deben satisfacer las condiciones de medida del probador del manual y con el objeto de seguir el orden de introducción programado. El total de tramos debe coincidir en todas sus partes con el número de tramos, apartando los que están en malas condiciones, principalmente en las roscas y los que se hayan golpeado y dañado durante su transporte y/o introducción, así como los tramos sobrantes del total programado. El ajuste aproximado de la totalidad de los tramos a utilizar, nos indicará las profundidades de circulación, el cambio de grados y pesos de las diferentes tuberías programadas, hasta llegar a la profundidad total, es muy importante verificar el calibrador o “conejo” que se está utilizando, ya que la pérdida del mismo puede ocasionar un problema serio a la hora de la cementación y no se pueda establecer circulación porque el calibrador se quedó dentro del ademe que ya se introdujo al pozo por lo que se debe proceder a su pesca de inmediato. b. Introducción de la Tubería de Revestimiento Durante la introducción de la tubería de revestimiento uno de los problemas que puede determinar el éxito o el fracaso de la operación de cementación, sería: el que se origine la presión de surgencia que puede ocasionar pérdidas de circulación que básicamente se pueden originar durante la introducción incorrecta de la tubería. La velocidad de introducción deberá calcularse antes de iniciar la operación de introducción, velocidad que estará sujeta por la densidad del lodo de perforación, longitud de la columna, espacio entre tubería y agujero y accesorios de la tubería. Por
la experiencia y la práctica se ha observado que no es conveniente rebasar una velocidad de introducción de 20-34 seg por tramo de 12 metros. c. Llenado de Tuberías y Circulación. El llenado de la tubería dependerá de los accesorios programados y del funcionamiento de los mismos, así como de las condiciones del fluido de control, de la velocidad de circulación y recuperación del corte. Los beneficios de la circulación en el pozo, durante la perforación, así como en la cementación de tuberías de revestimiento son de gran importancia, tomando en cuenta que la mayoría de los lodos de perforación son de bajo esfuerzo de corte y forman geles con sólidos en suspensión cuando permanecen en reposo. La circulación y el movimiento de la tubería en los casos que sea posible, romperá este gel reduciendo la viscosidad del lodo. Los tiempos suficientes de circulación, dependerán de la profundidad, pozo, espacio anular entre tuberías y agujero, tipo de formaciones que se atraviesen y del buen funcionamiento del equipo de flotación que se programe. d. Instalación de la cabeza de cementación y de los tapones. La supervisión del estado físico de la cabeza de cementación es de gran importancia, e implica: roscas, tapas, pasadores, machos y válvulas, así como el diámetro correcto. Asimismo es de gran importancia la supervisión en la colocación y limpieza de los tapones de desplazamiento y en la posición de las válvulas o machos de la cabeza de cementación durante la operación. e. Verificación del sistema Hidráulico de bombeo superficial. Es muy importante verificar el buen funcionamiento de las bombas de los equipos de perforación, así como la limpieza de las mismas, con el objeto de evitar contratiempos en los desplazamientos de las lechadas de cemento, se debe checar su eficiencia y volúmenes por embolada que estará sujeto a los diámetros del pistón y carrera del mismo. f. Operación de Cementación. En el proceso de operación es importante verificar la instalación correcta de equipos programados y auxiliares, checar circulación, preparar el colchón limpiador de acuerdo al programa en tipo y volumen y bombear al pozo, preparar el colchón separador, soltar el tapón de diafragma o limpiador, bombear el colchón separador, bombear la lechada de cemento de acuerdo a diseño elaborado en cuanto a densidad, soltar el tapón de desplazamiento o sólido, bombear un colchón de agua natural y desplazar la lechada con el volumen calculado; durante la operación es importante verificar la circulación, niveles de presas y presión de desplazamiento.
La verificación de la llegada del tapón de desplazamiento al cople de retención o presión final es de gran importancia, ya que será una manera de checar el volumen calculado de desplazamiento, además de comprobar que la maniobra efectuada en la cabeza de cementación fue correcta. La presión final se descargará a cero y se checará el funcionamiento del equipo de flotación y en caso de falla del mismo se represionará con una presión diferencial adecuada, para evitar el efecto de microanillo y se cerrará el pozo hasta el fraguado inicial de la lechada. Por último se elaborará el reporte final de la operación, que incluirá el ajuste final de la tubería de revestimiento indicando grado, peso y rosca, número de centradores utilizados, presiones de operación, si se presentó alguna falla mencionarla, indicar si durante la operación la circulación fue normal o se presentaron pérdidas y si funcionó o no funcionó el equipo de flotación, además se indicará el tiempo de fraguado y el programa de terminación.
Operaciones posteriores a la Cementación La tubería se anclará en sus cuñas con el 30% de su peso, se cortará, biselará y se colocarán empaques secundarios, carrete adaptador y se probará con presión, posteriormente se bajará a reconocer la cima de cemento, se probará la tubería, se escariará y se evaluará la cementación tomando un Registro Sónico de Cementación CBL-VDL. Ejemplo: Se va a realizar la cementación de la tubería de explotación de 6 5/8”, N -80, combinada 24-28 lb/pie a 2500 m. T.R. Explotación 6 5/8”, 24 lb/pie de 0 a 1800 m 6 5/8”, 28 lb/pie de 1800 -2500 m Diámetro Agujero = 8 5/8” T.R. anterior 9 5/8”, N -80, 40 lb/pie a 1500 m.
Intervalo de interés 2350-2400 m. Cima de cemento a 1800 m.
Cople flotador 6 5/8” a 2470 m.
Cálculos: Primero se requiere conocer los diámetros interiores de la T.R. de explotación y su capacidad, así mismo se deben calcular las capacidades de los diferentes espacios anulares entre el agujero y el diámetro exterior de la TR de explotación, en este caso se consideró un agujero uniforme, pero en la realidad esto varía sustancialmente ya que con la toma de un registro calibrador se conoce el diámetro real del agujero. Cap. TR 6 5/8”, 24 lb/pie (D. Int = 5.921”) = 17.76 lts/m Cap. TR 6 5/8”, 28 lb/pie (D. Int = 5.791”) = 16.99 lts/m
Cap. EA (Agujero-TR Explotación) = 15.45 lt/m
Posteriormente se calculan los volúmenes requeridos, únicamente multiplicando la capacidad por la profundidad, es importante mencionar que existen libros y/o manuales de las diferentes compañías de servicio en donde vienen especificadas las características de todas las TR y en ellos vienen los datos de las capacidades de TR´s y diferentes espacios anulares por bl/m o gal/pie. Vol. Desplaz. 24” = 2470 - 17.76 x 1800 m. = 31968lts = 201 bls 2470 – 1800 = 670 m. Vol. Desplaz. 28” = 16.99 x 670 m. = 11383 lts = 71.6 bls
31,968 + 11,383 = 43,351 lt. Vol. Total Desplaz. al cople flotador = 43321 lts = 272.6 b ls Vol. Lechada EA = 15.45 lts/m (2500-1800 m) = 10,815 lts = 68 bls Vol. Lechada TR 6 5/8” = 30 m x 16.99 lts/m = 509.7 lts = 3.2 bls.
Vol. total lechada cemento = 11,325 lts = 71 bls Vol. Bache limpiador = 15.45 lts/m x 100 m = 1545 lts = 10 bls Vol. Bache separador = 15.45 lts/m x 30 m = 463.5 lts = 3 bls Los volúmenes de bache separador y limpiador generalmente son de 3 a 5 m 3 y 5 a 10 m3 respectivamente o realmente depende del EA que se va a cubrir.
NUEVAS TECNOLOGÍAS EN CEMENTACIÓN PRIMARIA
Tecnología de lechadas de baja densidad con alta resistencia compresiva
Existe una formulación de mezclas de cementación en la que se emplea cemento Portland y aditivos especialmente seleccionados, de tres tamaños de partícula y diferente gravedad específica, que simulan a las utilizadas en la industria de la construcción. Se pueden diseñar lechadas en un amplio rango de densidades que van de 1.25 a 2.89 gr/cm 3. La principal diferencia entre estas mezclas y las tradicionales es el desarrollo de alta resistencia compresiva temprana que proporciona en cualquiera de sus densidades. A las 12 horas se logra obtener con baja densidad un valor aproximado de 2,000 psi, a temperaturas de fondo del orden de 70°C en adelante. Estas formulaciones se han aplicado con gran éxito en cementación de tuberías de revestimiento, en campos depresionados con bajo gradiente de fractura y en la colocación de tapones de desvío con fluidos de baja densidad. Hay otra formulación de mezclas de cementación en las que se emplea cemento Portland y aditivos especialmente seleccionados para proporcionar lechadas de baja densidad y que desarrollan resistencias compresivas aceptables, del orden de 500 a 2,500 psi en 24 horas, a temperaturas de 27 a 110°C, en un rango de densidades de 1.20 a 1.66 g/cm 3. Se han aplicado estas lechadas en cementación primaria, en campos de bajo gradiente de fractura y baja presión de poro.
Cementos espumados
Son lechadas de cemento de extremada baja densidad que se aplican a pozos con bajo gradiente de fractura y yacimientos depresionados y que, además, ya hayan producido. Estas lechadas tienen una alta eficiencia de desplazamiento del lodo del espacio anular con baja densidad variable y relativamente alta consistencia. Así se obtiene buena adherencia y aislamiento hidráulico, que evita el daño que causa la carga hidrostática. Además de establecer las adherencias más apropiadas y el aislamiento entre zonas, el proceso de aislamiento le permite al operador ajustar la densidad de la lechada durante el trabajo a la densidad necesaria y a lograr una operación de alta efectividad. Desde luego se debe hacer un monitoreo de los parámetros de cementación en tiempo real, con lo que se evitan costosos trabajos de reparación. Los requerimientos principales para la cementación de pozos son: Adherencia y soporte de la tubería de revestimiento. Aislamiento entre las diferencias capas de la formación.
Sello entre las zonas de pérdida de circulación
El éxito de esta técnica de cementación consiste, básicamente, en producir una espuma estable de alta calidad. Esto se logra cuando se cuenta con el equipo y la tecnología apropiada. El cemento espumado es la mezcla de la lechada de cemento, con un agente tensoactivo espumante, un estabilizador de la espuma y un gas (normalmente es nitrógeno). Si estos compuestos se mezclan apropiadamente se obtiene una espuma de calidad y estable, cuya apariencia es como la espuma para afeitar y de color gris.
Microsílica
Llamada también humos condensados de sílice, es un subproducto de la producción de silicio, ferrosilico y otras aleaciones de silicio. Las partículas individuales son microesferas, amorfas, vidriosas y cristalinas. El tamaño principal de partícula está, usualmente, entre 0.1 y 0.2 mm de 50 a 100 veces más fino que las partículas del cemento Portland o que las Puzolanas, consecuentemente, el área superficial es extremadamente alta (15,000 a 25,000 m 2/Kg). La Microsílica es altamente reactiva y, debido a su tamaño fino de grano y su grado de pureza, es el material puzolánico más efectivo disponible actualmente. El alto grado de actividad puzolánica ha permitido la introducción de sistemas de cemento de baja densidad con mayor velocidad de desarrollo de resistencia compresiva. La alta área superficial de la Microsílica incrementa el requerimiento de agua para prepararse una lechada bombeable; de tal forma que las lechadas con densidades del orden de 1.32 gr/cm3 pueden prepararse sin que reporten agua libre. La concentración normal de este material es de aproximadamente 15% por peso de cemento; sin embargo, se puede aplicar hasta un 28% por peso de cemento. Lo fino del grano de la Microsílica también promueve el control mejorado del valor de filtrado, posiblemente por reducir la permeabilidad del enjarre inicial del cemento. Por esta razón, también se usa para evitar la migración de fluidos en el anular, además, está siendo introducida como fuente de sílice en los sistemas de cementos térmicos.
CONCLUSIÓN
En este trabajo se pudo conocer los conceptos básicos y todo lo concerniente a lo que es la cementación, sus objetivos, su diseño, planificación, lechadas de cemento, equipos de cementación, entre otras cosas, que nos permita a los estudiantes emprender los conocimientos básicos y necesarios para diseñar y ejecutar los programas de cementación durante la perforación y/o reparaciones de pozos. Es importante conocer los aditivos y la clasificación de los diferentes cementos que se preparan para obtener una buena cementación, así como el diseño y procedimiento de elaboración de las lechadas de cemento en laboratorio, así como las prácticas para realizar la cementación en campo y conocer el taponamiento de pozos por cemento. Imprescindible también es, identificar los tipos de cementación y sus características y las nuevas tecnologías a la vanguardia de los grandes retos que enfrenta la industria petrolera en las operaciones de operación, así como los problemas más comunes y como poder afrontarlos.
BIBLIOGRAFÍA
Diseño de lechadas de cemento y operaciones de cementación de pozos. Ing. José Manuel Morales Plascencia WELL CAP Nivel Perforador PEMEX WELL CAP Nivel III PEMEX Applied Drilling Engineering. Adam T. Bourgoyne Jr., SPE , 1986.
