CURSO INTERACTIVO TRIDIMENCIONAL DE OPERACIONES DE REACONDICIONAMIENTO by Jonathan Barrios

Ingeniería de Cementaciones

Ingeniería de Cementaciones INDICE página CONCEPTOS GENERALES

Introducción

I. CEMENTACIONES

Clasificación de las cementaciones Descripción de la cementación primaria Descripción de la cementación forzada Descripción de los tapones de cemento

4 4 5 5

II. CEMENTO PORTLAND

Definición Fabricación Principales compuestos del cemento y sus funciones Clasificación API y ASTM de los cementos Propiedades físicas de los cementos Categorías de los aditivos y sus funciones Lechadas de cemento

5 6 6 6 8 9 11

III. CEMENTACIÓN PRIMARIA

Cómo obtener la información del pozo Cementación de las diferentes tuberías de revestimiento

20 21

IV. DISEÑO DE LABORATORIO Y RECOMENDACIONES GENERALES

Diseño de laboratorio Tubería conductora Tubería superficial Tubería intermedia Tubería de explotación

22 22 22 24 24

Ingeniería de Cementaciones

Información de gabinete Información de laboratorio

27 27

V. DISEÑO DE GABINETE

Procedimientos de diseño de gabinete Obtención de datos Cálculo de cemento, agua y aditivos Cálculo del requerimiento de materiales Procedimientos operativos Ejemplos

29 29 31 31 40 44

VI. NUEVAS TECNOLOGÍAS EN CEMENTACIÓN PRIMARIA

Tecnología de lechada de baja densidad con alta resistencia compresiva

VII. CEMENTACIÓN DE POZOS DIRECCIONALES Y HORIZONTALES

Introducción Clasificación de pozos horizontales Resumen

56 56 64

VIII. TAPONES DE CEMENTO

Descripción Objetivos Tipos de tapón Técnicas de colocación Consideraciones de diseño

64 64 65 68 69

IX. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA COLOCACIÓN DEL TAPÓN

Dump bailer Ejemplos

71 73

X. CEMENTACIÓN FORZADA

Introducción

XI. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA CEMENTACIÓN FORZADA

Teorías de aplicación sobre problemas reales Problemas especiales en cementaciones forzadas

82 93

Ingeniería de Cementaciones

XII. ACCESORIOS PARA TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO

Tipos de accesorios Cementación en etapas múltiples

97 104

XIII. ACCESORIOS PARA TUBERÍAS CORTAS (Liner)

106

Empacadores para tuberías cortas con unidad de sellos molible Colgadores para tuberías cortas

110 112

XIV. DESARROLLO HISTÓRICO DE LAS UNIDADES CEMENTADORAS

114

Unidades cementadoras Unidades transportadoras de cemento a granel Almacenaje y dosificación de cemento Diseño de una planta dosificadora de cemento Salud y seguridad en el manejo de aditivos Instalaciones

114 119 120 121 122 123

XV. CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE:

123

Cementaciones primarias Cementaciones a presión Tapones por circulación

123 124 124

PREGUNTAS Y RESPUESTAS

125

GLOSARIO

128

BIBLIOGRAFÍA

129

Ingeniería de Cementaciones

Ingeniería de BIBLIOGRAFIA

Cementaciones

Conceptos generales En este capítulo se describen las principales operaciones de cementación que se efectúan en los pozos petroleros, las tecnologías, los equipos y materiales empleados. I. CEMENTACIONES Son las operaciones con cemento que se efectúan con fines específicos en los pozos petroleros. Clasificación de las cementaciones

4. Evitar derrumbes de la pared de formaciones no consolidadas. El reto principal es obtener sellos hidráulicos efectivos en las zonas que manejan fluidos a presión. Para lograrlo es indispensable mejorar el desplazamiento del lodo de perforación del tramo de espacio anular que se va a cementar consiguiendo así una buena adherencia sobre las caras de la formación y de la tubería de revestimiento, sin canalizaciones en la capa de cemento y con un llenado completo.

Cementación forzada

Cemento Completamente fraguado sin canalización de gas

Descripción de la cementación primaria

Objetivos de las cementaciones primarias

2. Dowell Engineering Manual, 1995

17. Cementing II halliburton energier services.

3. DEC Cementing School Papers, 1997

18. Cementing for engineers.

4. G. Birch, Guidelines for Setting Abandonment and Kick-Off Plugs, 1999

19. Displacement mechanigs studies halliburton energier services.

5. Miller. Joe. Dowell's Plug Placement Tool presentation 6. DOFSE, Kellyville Training Center, 1987 7. OTC, Kellyville Training Center, 1998 8. Adam T. Bourgoyne Jr. Applied Drilling Engineering SPE Textbook Series, Vol.2. 1991.

10. Energy Halliburton Cementing Manual

Tapones de cemento

La cementación primaria es el proceso que consiste en colocar cemento en el espacio anular, entre la tubería de revestimiento y la formación expuesta del agujero, asegurando un sello completo y permanente (ver figura 1).

16. Cementing I halliburton energier services.

9. Preston L. Moore.- Drilling Practices Manual.Second Edition 1986

Se clasifican de acuerdo con los objetivos que se persiguen en: Cementación primaria

1. Nelson, E.B. Well Cementing, 1983

Cemento adherido a la formación Cemento adherido a la tubería

1. Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo que contienen gas, aceite y agua.

Zona de Interés

11. API SPEC 10, 10A Y 10B. 12. Marcel y André Reimbert; Construcción de Silos.- Traducción del francés por Manuel Velázquez Velázquez 13. Lloyd E. Browell, Edwin H.Young; Process Equipment Design; Vessel Design.- Editorial Library Congress Catalog Carol Number: 59-5882. Printed in the United States of America. 14. Dwight K Smith. Series SPE; Cementing Monograph Vol. 4, SPE, 1990. 15. World wide cementing practices firts sirst edition enero 1991. API

2. Soportar el peso de la propia tubería de revestimiento. 3. Reducir el proceso corrosivo de la tubería de revestimiento con los fluidos del pozo y con los fluidos inyectados de estimulación.

Figura 1 Cementación primaria.

129

Ingeniería de Cementaciones

GLOSARIO

AES AiTR CAD CEA CICe CTC CTP CTp CTR Dag Dc De Di

Área exterior de sellos Área interior de TR Capacidad del agujero descubierto Capacidad del espacio anular Cima de cemento Capacidad del TC Capacidad de TP Capacidad de Tp Capacidad de TR Diámetro del agujero Diámetro de la camisa Diámetro exterior Diámetro interior

Pdif ProtT ProtF Cc FCc Q R PV DTR RTRC Cpi W Vzc

DT Dv Ef ETP ETR FC FF Ffp Fs Ge Gf GTP GTR H hzc L LTP LTR Uac Uc Ufc

Diámetro de tubería Diámetro del vástago Eficiencia Elongación de TP Elongación de TR Fuerza que actúa sobre el cople Factor de flotación Factor de fricción del lodo Factor de seguridad Gravedad específica Gradiente de fractura Grado de TP Grado de TR Profundidad Longitud entre zapata y cople Longitud Longitud de TP Longitud de TR Densidad del acero Densidad del cemento Densidad del fluido de control

RTRpi RTRT WS Sc TC TR TP Tp DTP t TR Vag t TP Vc VLc Vcr Vd Vit LV LTp WT FCpi

Tiempo

Presión diferencial Protección a la tubería Protección a la formación Carga máxima al colapso del cargador Factor de capacidad del colgador al colapso Gasto Rendimiento del saco de cemento Peso volumétrico Desplazamiento de TR Resistencia de TR al colapso Carga máxima de TR sin desgarrarse Peso de tubería Volumen de lechada dentro de TR entre zapata y cople Resistencia de TR a la presión interna Resistencia de TR a la tensión Peso de sarta de tubería Saco de cemento Tubería conductor Tubería de revestimiento Tubería de perforación Tubería de producción Desplazamiento de TP Tramos de TR Volumen de agua Tramos de TP Volumen de cemento Volumen de lechada de cemento Volumen de cemento requerido Volumen de desplazamiento Velocidad de introducción de la tubería Longitud del vástago Longitud de Tp Peso teórico de la tubería Factor de capacidad del colgador a la presión interna Peso físico de la tubería

Se ha vuelto práctica común que para cumplir con el segundo y tercer objetivos, el cemento debe desarrollar un esfuerzo compresivo mínimo de 500 psi (35 kg/cm2) dentro de las primeras 8 horas. Este valor es producto de la práctica.

4. Proporcionar un amarre en la prueba del pozo.

Descripción de la cementación forzada

El cemento es una mezcla compleja de caliza (u otros materiales con alto contenido de carbonato de calcio), sílice, fierro y arcilla, 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 final.

Es el proceso que consiste en inyectar cemento a presión a través de disparos o ranuras en la tubería de revestimiento al espacio anular. Ésta es una medida correctiva a una cementación primaria defectuosa. Objetivos de las cementaciones forzadas 1. Mejorar el sello hidráulico entre dos zonas que manejan fluidos. 2. Corregir la cementación primaria en la boca de una tubería corta, o en la zapata de una tubería cementada, que manifieste ausencia de cemento en la prueba de goteo. Esta prueba consiste en la aplicación al agujero descubierto, inmediatamente después de perforar la zapata, de una presión hidráulica equivalente a la carga hidrostática, que ejercerá el fluido de control con el que se perforará la siguiente etapa. Esto se realiza durante 15 a 30 minutos, sin abatimiento de la presión aplicada. 3. Eliminar la intrusión de agua al intervalo productor. 4. Reducir la relación gas-aceite. 5. Sellar un intervalo explotado. 6. Sellar parcialmente un intervalo que se seleccionó incorrectamente. 7. Corregir una canalización en la cementación primaria. 8. Corregir una anomalía en la tubería de revestimiento. Descripción de los tapones de cemento Los tapones comprenden un cierto volumen de lechada de cemento, colocado en el agujero o en el interior de la tubería de revestimiento. Objetivos de los tapones de cemento

128

II. CEMENTO PORTLAND Definición

Los componentes que forman el cemento son óxidos superiores de oxidación lenta. Esto significa que terminan su grado de oxidación al estar en contacto con el aire al enfriarse. De todos los cementos, el Portland es el más importante en cuanto a términos de calidad. Es el material idóneo para las operaciones de cementación de pozos. Algunos cementos Portland son de fabricación especial, debido a que las condiciones de los pozos difieren significativamente entre sí al variar su profundidad. En la solución de algunos problemas específicos de pozos se utilizan cementos de menor uso. El cemento Portland es, además, el ejemplo típico de un cemento hidráulico: fragua y desarrolla resistencias a la compresión como resultado de la hidratación, la cual involucra reacciones químicas entre el agua y los componentes presentes en el cemento. El fraguado y endurecimiento no solamente ocurre si la mezcla de cemento y agua se deja estática al aire, también se presenta si la mezcla se coloca en agua. El desarrollo de resistencia es predecible, uniforme y relativamente rápido.

1. Desviar la trayectoria del pozo arriba de un pescado o para iniciar la perforación direccional.

El cemento fraguado tiene baja permeabilidad y es insoluble en agua, de tal forma que expuesto a ésta no se destruyen sus propiedades.

2. Taponar una zona del pozo o taponar el pozo. 3. Resolver un problema de pérdida de circulación en la etapa de perforación.

Tales atributos son esenciales para que un cemento obtenga y mantenga el aislamiento entre las zonas del subsuelo.

Ingeniería de Cementaciones

Fabricación

Principales compuestos del cemento y sus funciones

Los materiales crudos se muelen y mezclan vigorosamente, así se obtiene una mezcla homogénea en las proporciones requeridas, para lograrlo existen dos procesos: seco y húmedo (figura 2, proceso de fabricación del cemento Portland).

1. Silicato tricálcico (3CaO.SiO2) habitualmente conocido como C3S.

Proceso seco Se preparan las materias primas y se pasan a un molino para homogeneizar el tamaño de las partículas y su cantidad. Se pasan por un separador de aire y se les lleva a silos mezcladores para su almacenamiento antes de pasarse al horno rotatorio. Proceso húmedo A diferencia del anterior, este proceso efectúa una mezcla de las materias primas con agua para mantener en forma más homogénea la mezcla. También se les pasa por un molino para uniformar el tamaño de partícula y, posteriormente, se pasa a unos contenedores que mantienen en movimiento la mezcla antes de pasarla al horno rotatorio. Esta mezcla de materia cruda seca o húmeda, según el proceso de fabricación, se alimenta en la parte más elevada del horno rotatorio inclinado, a un gasto uniforme, y viaja lentamente por gravedad a la parte inferior del mismo.

Es el componente más abundante en la mayoría de los cementos y, además, el factor principal para producir la consistencia temprana o inmediata (1 a 28 días). Generalmente, los cementos de alta consistencia inmediata contienen en mayor concentración este compuesto; más que el Portland común y los retardados. 2. Silicato dicálcico (2CaO.SiO2) habitualmente conocido como C2S. Compuesto de hidratación lenta que proporciona la ganancia gradual de resistencia. Ocurre en un periodo largo: después de 28 días. 3. Aluminato tricálcico (3CaO.Al2O3) habitualmente conocido como C3A. Tiene influencia en el tiempo de espesamiento de la lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ataque químico de los sulfatos sobre los cementos. Esta susceptibilidad se clasifica en moderada y alta resistencia al ataque químico, cuando contienen este compuesto en 8 y 3% respectivamente. 4. Alúmino ferrito tetracálcico (4CaO.Al2O3 .Fe2O3) habitualmente conocido como C4AF.

El horno se calienta con gas a temperaturas de 1430 a 1540°C.

Este compuesto es de bajo calor de hidratación y no influye en el fraguado inicial.

Estas temperaturas originan reacciones químicas entre los ingredientes de la mezcla cruda, resultando un material llamado clinker.

Clasificación API Y ASTM de los cementos

El clinker se deja enfriar a temperatura ambiente con corriente de aire, en un área inmediata al horno, construida bajo diseño para controlar la velocidad de enfriamiento. Una vez frío, se almacena y se muele posteriormente en molinos de bolas, para darle el tamaño deseado a las partículas. El clinker se alimenta al molino de cemento conjuntamente con una dosificación de sulfato de calcio dihidratado, con lo que se obtiene el producto terminado de cemento Portland, figura 2.

Las Normas API se refieren a clase de cemento; las Normas ASTM a tipo de cemento. 1. Cemento clase A o tipo I Está diseñado para emplearse a 1830 m de profundidad como máximo, con temperatura de 77°C, y donde no se requieran propiedades especiales. 2. Cemento clase B o tipo II Diseñado para emplearse hasta a 1830 m de profundidad, con temperatura de hasta 77°C, y en donde se requiere moderada resistencia a los sulfatos.

cada por la longitud entre cople y zapata de la TR por cementar.

Cementación a presión con bombeo continuo o con bombeo intermitente.

7.Indique en qué consiste el diseño de gabinete de una cementación primaria y cómo se pueden conjugar las características reológicas de los fluidos con el estado mecánico del pozo.

Cementación a presión con rompimiento de formación e inyección de la lechada en el interior de la fractura provocada.

El diseño de gabinete consiste en conjugar las características reológicas de los fluidos que intervienen en la operación de cementación con las condiciones mecánicas del pozo, mediante un programa computarizado que brinda la oportunidad de analizar varias alternativas: simula mediante cálculos los esfuerzos a que se someterá el pozo durante la operación de cementación y vigila, en todo momento, que la presión de fondo de cementación no sea igual o superior a la presión de fracturamiento de la formación, ni menor a la presión de poro. 8. Indique los pasos que se deben seguir para el cálculo de un tapón balanceado de cemento. Efectuar registros de calibración y temperatura del agujero. Definir de acuerdo al registro de calibración la zona de colocación y diámetro promedio. Calcular el volumen de lechada necesaria para cubrir la longitud del tapón que se pretenda tener en el pozo. Determinar la altura de la lechada dentro y fuera de la tubería de perforación, dividiendo el volumen de lechada calculada entre la suma de las capacidades dentro de la tubería de perforación y del espacio anular entre la tubería de perforación y el agujero.

Cementación a presión sin romper formación, formando depósitos de cemento con base en la construcción de enjarre de baja permeabilidad en las zonas de inyección. ble: uno, para programar y ejecutar los parámetros principales de cementación durante la operación, y el otro para monitoreo y control del desarrollo de la operación misma. La técnica elegida se selecciona de acuerdo con el El sistema de cómputo debe ser doble: uno, para objetivo de la operación. programar y ejecutar los parámetros principales de cementación durante la operación. y el otro para 10. Indique las características que debe tener el monitoreo y control del desarrollo de la operación sistema de mezclado de cemento para obtener un trabajo de calidad. Debe hacerse con un mezclador de alta energía. Se imprime un esfuerzo cortante alto y prolongado, basado en recircular la mezcla con control de densidad automatizado programable, con capacidad suficiente 25 bl para operaciones con volúmenes grandes de lechada.

Determinar la altura dentro y fuera de los frentes lavador y espaciador en forma similar al de la lechada. Calcular el volumen de desplazamiento, multiplicando la capacidad del interior de la sarta por la distancia de la cima determinada en el paso anterior a la superficie, con base en las alturas determinadas en los dos pasos anteriores 9. Mencione las técnicas empleadas para llevar a cabo una cementación a presión.

127

IngenierĂa de Cementaciones

Es el componente de mayor proporciĂłn en la mayorĂa de los cementos y el factor principal que produce la consistencia temprana o inmediata (1 a 28 dĂas). Los cementos de alta consistencia inmediata, generalmente lo contienen en mayor concentraciĂłn que el Portland comĂşn y que los retardados. Silicato DicĂĄlcico C2S Compuesto de hidrataciĂłn lenta que proporciona la ganancia gradual de resistencia, la cual ocurre en un periodo largo: despuĂŠs de 28 dĂas. Aluminato TricĂĄlcico C3A Tiene influencia en el tiempo de espesamiento de la lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ataque quĂmico de los sulfatos sobre los cementos. Se clasifican en moderada y alta resistencia al ataque quĂmico, cuando lo contienen en 8 y 3% respectivamente. Aluminio Ferrito TetracĂĄlcico C4AF Este compuesto es de bajo calor de hidrataciĂłn y no influye en el fraguado inicial. 4. Indique las clases de cemento petrolero de mayor aplicaciĂłn en el ĂĄmbito mundial, en funciĂłn de su versatilidad de aplicaciĂłn. Cementos Clase G Y H. ComĂşnmente conocidos como cementos petroleros, son bĂĄsicos para emplearse desde la superficie hasta 2240 m tal como se fabrican. Pueden modificarse con aceleradores y retardadores para usarlos en un amplio rango de condiciones de presiĂłn y temperatura. 5. Indique las categorĂas en que se agrupan para su estudio los distintos aditivos. Los aditivos quĂmicos de cementaciĂłn se agrupan en ocho categorĂas para su estudio y aplicaciĂłn:

126

Reducen el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento e incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva. Retardadores Prolongan el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento.

Separador de aire

PartĂculas mayores Colector de polvo

Al horno Fino

Silicato TricĂĄlcico C3S

Aceleradores

Caliza

3. Indique los principales compuestos mineralĂłgicos del cemento y sus funciones.

IngenierĂa de Cementaciones

Alimentadores de materias primas

Molino

A la bomba neumĂĄtica

Extendedores

CĂĄmara de aire caliente

Silos de mezclado en seco

Silo de almacenaje de materia mezclada

Bajan la densidad de los sistemas de cemento y/o reducen la cantidad de cemento por unidad de volumen del producto fraguado. Densificantes Incrementan la densidad de los sistemas del cemento.

Al horno Materiales almacenados separadamente Clinker

Dispersantes

Materias primas calcinadas a 2700 o F

Reducen la viscosidad de las lechadas de cemento.

Entrada de combustible Yeso

Controladores de filtrado Controlan la pĂŠrdida de la fase acuosa de los sistemas de cemento, frente a zonas permeables. Horno Rotatorio

Controlador de pĂŠrdida de circulaciĂłn

Enfriador del clinker con aire

Clinker y yeso convergen al molino

Controlan la pĂŠrdida de cemento hacia zonas dĂŠbiles de la formaciĂłn o fracturas. Aditivos especiales Es la miscelĂĄnea de aditivos complementarios para la cementaciĂłn, tales como antiespumantes, controladores de la regresiĂłn de la resistencia compresiva, etcĂŠtera.

yeso

Separador de aire

Colector de polvos

LĂneas de carga de cemento a unidades transportadoras

yes o

6. Indique cĂłmo se calcula el volumen de lechada de cemento que se requiere emplear en una cementaciĂłn primaria, con tuberĂa corrida hasta la superficie. Se multiplica la capacidad del espacio anular entre el agujero y la tuberĂa de revestimiento por cementar y entre ĂŠsta y la Ăşltima tuberĂa cementada, por la longitud que se va a cubrir en cada caso, mĂĄs la capacidad de la tuberĂa que se va a cementar multipli-

Materiales proporcionados

Molino de bolas Bomba de cemento

Silos de Almacenaje

Ensacadora

No. )LJXUD )DEULFDFLyQ GHO &HPHQWR 3RUWODQG 8.4.01 FabricaciĂłn del Cemento Portland Figura 2 Proceso deFig. fabricaciĂłn del Proceso cementodePortland.

Ingeniería de Cementaciones

3. Cemento clase C o tipo III Está diseñado para emplearse hasta 1830 m de profundidad como máximo, con temperatura de 77°C, donde se requiere alta resistencia a la compresión temprana; se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos 4. Cemento clase D Este cemento se emplea de 1830 hasta 3050 m de profundidad con temperatura de hasta 110°C y presión moderada. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. 5. Cemento clase E Este cemento se usa de 1830 hasta 4270 m de profundidad con temperatura de 143°C y alta presión. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. 6. Cemento clase F Este cemento se usa de 3050 hasta 4880 m de profundidad con temperatura de 160°C, en donde exista alta presión. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. 7. Cementos clase G Y H

Ingeniería de Cementaciones

cano del Petróleo) tienen propiedades físicas específicas para cada clase de cemento, mismas que básicamente definen sus características. Las principales propiedades físicas de los cementos son: Ge = Gravedad específica Denota el peso por unidad de volumen, sin tomar en consideración otros materiales, tales como el aire o el agua; es decir, el peso de los granos de cemento específicamente; sus unidades son gr/cm3, kg/lt y ton/m3. PV= Peso volumétrico Denota el volumen por unidad de masa. Se toma en consideración el aire contenido entre los granos de cemento; sus unidades son gr/cm3, kg/lt y ton/m3. Blaine. Fineza de los granos de cemento Indica el tamaño de los granos del cemento. Su mayor influencia se da sobre el requerimiento de agua para la preparación de la lechada. Esta característica es un factor determinante, pero no único, para la clasificación de los cementos. Sus unidades son cm2/gr,m2/kg Representa el área expuesta al contacto con el agua y se determina como una función de permeabilidad al aire.

Comúnmente conocidos como cementos petroleros, son básicos para emplearse desde la superficie hasta 2240 m tal como se fabrican. Pueden modificarse con aceleradores y retardadores para usarlos en un amplio rango de condiciones de presión y temperatura.

Distribución del tamaño de partícula

En cuanto a su composición química son similares al cemento API Clase B. Están fabricados con especificaciones más rigurosas tanto físicas como químicas, por ello son productos más uniformes.

Tamaño promedio de partículas

8. Cemento clase J

Indica la eficiencia con la que se llevó a cabo la selección, la molienda y el resto del proceso de fabricación sobre la homogeneización de los materiales crudos molidos.

Es el tamaño de grano que ocupa el 50% de un peso determinado de cemento, dentro de la gama de tamaños de grano que integran el cemento.

PREGUNTAS Y RESPUESTAS 1. Describa los objetivos de las siguientes operaciones: Cementación primaria Cementación a presión Tapón de cemento Los principales objetivos de la cementación primaria son: Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo que contienen gas, aceite y agua. Soportar el peso de la propia tubería de revestimiento. Reducir el proceso corrosivo de la tubería de revestimiento, por los fluidos del pozo y los inyectados al estimularlo. Los objetivos de las cementaciones forzadas son: Mejorar el sello hidráulico entre dos zonas que manejan fluidos. Corregir la cementación primaria en la boca de una tubería corta o en la zapata de una tubería cementada, que manifiesta ausencia de cemento en la prueba de goteo Eliminar la intrusión de agua al intervalo productor. Reducir la relación gas aceite. Sellar un intervalo explotado. Sellar parcialmente un intervalo que se seleccionó incorrectamente. Corregir una canalización en la cementación primaria.

Requerimiento de agua normal

Corregir una anomalía en la tubería de revestimiento.

Es el agua necesaria para la lechada con cemento solo. Debe dar 11 Uc a los 20 minutos de agitarse en el consistómetro de presión atmosférica a temperatura ambiente; se expresa en por ciento por peso de cemento.

Los objetivos de los tapones de cemento son: Desviar la trayectoria del pozo, arriba de un pescado o para iniciar la perforación direccional.

Propiedades físicas de los cementos

Requerimiento de agua mínima

Taponar una zona del pozo o taponar el pozo.

Los cementos de clasificación API (Instituto Ameri-

Denota el agua necesaria para la lechada de cemen-

Se quedó en fase de experimentación y fue diseñado para usarse a temperatura estática de 351°F (177°C) de 3660 a 4880 metros de profundidad, sin necesidad del empleo de harina sílica, que evite la regresión de la resistencia a la compresión.

Resolver un problema de pérdida de circulación en la etapa de perforación. Hacer un amarre en la prueba del pozo. 2. Indique los procesos de fabricación del cemento Portland. Proceso Seco Se preparan las materias primas y se pasan a un molino para homogeneizar el tamaño de las partículas y su cantidad, pasando por un separador de aire y se llevan a silos mezcladores para su almacenamiento antes de alimentarse al horno rotatorio. Proceso Húmedo Este proceso efectúa una mezcla de las materias primas con agua para mantener en forma más homogénea los materiales, haciendola pasar también por un molino para uniformar el tamaño de partícula y posteriormente se pasa la mezcla a unos contenedores que la mantienen en movimiento antes de pasar al horno rotatorio. Esta mezcla de materia cruda, seca o húmeda, según el proceso de fabricación, se alimenta por la parte más elevada, al horno rotatorio inclinado, con un gasto uniforme, y viaja lentamente por gravedad a la parte inferior del mismo. Para cemento petrolero, el horno se calienta con gas a temperaturas de 1430 a 1540°C. Estas temperaturas originan reacciones químicas entre los ingredientes de la mezcla cruda, resultando un material llamado clínker. El clínker se deja enfriar a temperatura ambiente con corriente de aire, en un área inmediata al horno, construida bajo diseño para controlar la velocidad de enfriamiento. Una vez frío se almacena y se muele posteriormente en molinos de bolas, dándole el tamaño deseado a las partículas. El clínker alimenta al molino de cemento conjuntamente con una dosificación de sulfato de calcio dihidratado, con lo que se obtiene el producto terminado de cemento Portland.

125

Ingeniería de Cementaciones

de los centros de investigación marcan un porcentaje de adherencia mínimo del 90 % para obtener buenos resultados de sello; sin embargo, las experiencias de campo marcan un 80 % mínimo para dar por buena la cementación Cementaciones a presión La evaluación de este tipo de operaciones se hace de acuerdo con su objetivo; es decir, si ésta se efectúo para corregir una canalización en una cementación primaria, se evaluará mediante la aplicación de un sónico de cementación y /o la aplicación de presión en las zonas disparadas verificando que exista buen sello en los orificios de los disparos y en la zona de falta de adherencia manifestada por el registro. Para el caso de abandono de intervalos, primeramente se debe alcanzar una presión final 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 verificar que no se tengan aportaciones de fluidos de la formación

Ingeniería de Cementaciones

con arena sílica y no deben presentar canalización y flujo a través del tapón, debiéndose probar con presión hidráulica y peso, cuyos valores dependerán de su profundidad de colocación y condiciones del pozo.

to. Debe dar 30 Uc a los 20 minutos de agitarse en el consistómetro de presión atmosférica a temperatura ambiente; se expresa en por ciento por peso de cemento.

Controlador de pérdida de circulación

Densidad de la lechada

Aditivos especiales

Es el peso de la mezcla del cemento con agua y está en función de la relación de agua por emplear. Sus unidades son gr/cm3, kg/lt y ton/m3.

Es la miscelánea de aditivos complementarios para la cementación, tales como antiespumantes, controladores de la regresión de la resistencia compresiva, etcétera.

Ángulo de talud natural del cemento Es el ángulo que forma el material granulado cuando se deposita en una superficie plana horizontal; sirve para el diseño de la planta dosificadora de cemento y para recipientes a presión. Categorías de los aditivos y sus funciones Aceleradores Son productos químicos que reducen el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento. Incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva.

Tapones por circulación

Retardadores

La evaluación de los tapones de cemento que se colocan por circulación variará de acuerdo con el objetivo que se persiga con el tapón:

Son productos químicos que prolongan el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento.

Para desviar pozo el tapón debe soportar de 3 a 4 ton de peso en condiciones estáticas, además al rebajar para afinar el punto de desviación debe tener una consistencia tal que manifieste una velocidad de penetración mínima de 2 minutos por metro, con un peso máximo sobre barrena de 3 ton y una pre2 sión de bombeo de 120 a 140 kg/cm . La longitud del tapón tenderá a ser de 150 m máximo, empleando frentes de limpieza y separador con un volumen igual o mayor que el del cemento.

Estos aditivos químicos acortan el tiempo de bombeo e incrementan el desarrollo de resistencia compresiva; disminuyendo el tiempo equipo de perforación. Los aceleradores de mayor aplicación son: Cloruro de calcio (CaCl2) Esta sal se dosifica del 2 al 4 % por peso de cemento, dependiendo del tiempo de bombeo que se desea obtener. Es el producto que exhibe mayor control en el tiempo bombeable . Cloruro de sodio (NaCl)

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. Densificantes

Sulfato de calcio (CaSO4)

Son materiales que incrementan la densidad de los sistemas del cemento.

Es un material que por sí mismo posee características cementantes y tiene fuerte influencia en expandir el cemento fraguado; como acelerador se dosifica basándose en el tiempo que se desea y la temperatura a la cual va a trabajar. Su concentración varía del 50 al 100% por peso del cemento.

Dispersantes Son productos químicos que reducen la viscosidad de las lechadas de cemento.

Los tapones temporales y de apoyo se probarán con 5 ton de peso estático únicamente.

Controladores de filtrado

124

clases de Aceleradores

Actúa como acelerador en concentraciones de hasta un 10 % por peso de agua, entre el 10 y 18 % produce un tiempo de bombeo similar al obtenido con agua dulce. A concentraciones mayores del 18 % causa retardamiento. La típica concentración de acelerador es del 2 al 5 % por peso de agua.

Extendedores

La cima del cemento podrá variar en +/- 20 m de la profundidad de diseño.

Los tapones de abandono y obturamiento de intervalos, con temperatura mayor de 100°C se diseñarán

Son materiales que controlan la pérdida de cemento hacia zonas débiles de la formación o fracturas.

Son materiales que controlan la pérdida de la fase acuosa de los sistemas de cemento, frente a zonas permeables.

Retardadores del fraguado del cemento Son aditivos químicos que incrementan el tiempo de fraguado inicial y brindan la posibilidad de trabajar el cemento en un amplio rango de temperatura y presión.

Ingeniería de Cementaciones

Como la aceleración, los mecanismos para retardar el fraguado del cemento Portland son aún materia de controversia. Así han surgido varias teorías que intentan explicar el proceso retardante. Éstas son: de la adsorción, la precipitación, la nucleación y la complejidad. Consideran dos factores: la naturaleza química del retardador y la fase del cemento (silicato o aluminato) sobre la cual actúa el retardador. Los retardadores más conocidos son los lignosulfonatos de calcio y los cromolignosulfonatos de calcio, así como otros que son mezclas químicas. Unos trabajan a temperaturas bajas y otros a temperaturas altas. Su dosificación es de 0.1 a 2.5% por peso de cemento. Los retardadores más empleados son: Lignosulfonatos

Ingeniería de Cementaciones

Otro ácido hidroxilcarboxílico con un fuerte efecto retardante, es el ácido cítrico. Éste también es efectivo como dispersante de cemento y normalmente se usa en concentraciones de 0.1 a 0.3% por peso de cemento.

Observaciones

Los ácidos de hidroxilcarboxílico de manera similar que los lignosulfonatos actúan más eficientemente con cementos de bajo contenido de C3A.

Nunca debe cerrarse o abrir una válvula sin conocimiento pleno del estado de la operación que se está realizando, figura 90.

Compuestos sacáridos

Se usan ocasionalmente en la cementación de pozos, por ser muy sensibles a pequeñas variaciones en sus concentraciones. Derivados de la celulosa

Debido a que los lignosulfonatos purificados pierden mucho poder retardante, la acción retardante de esos aditivos se atribuye a la presencia de carbohidratos de bajo peso molecular.

El retardador celulósico más común es el carboximetil hidroxietil celulosa (CMHEC). Es efectivo a temperaturas superiores de 250 °F (120 °C).

Son efectivos hasta 250 °F (122 °C) de temperatura de circulación en el fondo del pozo (BHCT) y hasta 600 °F (315 °C) cuando se mezclan con borato de sodio. Hasta el momento se ha comprobado que los retardadores de lignosulfonatos afectan principalmente la cinética de la hidratación de C3S; sin embargo, sus efectos sobre la hidratación del C3A no son significativos.

Los polímeros de la celulosa son polisacáridos derivados de la madera o de otros vegetales. Son estables a las condiciones alcalinas de la lechada de cemento.

También la CMHEC se usa como agente de control de pérdida de fluido; además, incrementa significativamente la viscosidad de la lechada. Organofosfonatos Se aplican a temperaturas de circulación tan altas como 400 °F (204 °C). Presentan insensibilidad a variaciones sutiles en la composición del cemento, y tienden a bajar la viscosidad de lechadas densificadas. Reductores de fricción (dispersantes)

Ácidos hidroxilcarboxílicos

Son productos que ayudan a obtener con gastos bajos de bombeo el régimen turbulento. Reducen la fricción entre granos, y entre éstos y las paredes.

Los ácidos hidroxilcarboxílicos contienen grupos hidroxílicos (OH) y carboxílicos (CHn) en su estructura molecular. Son retardadores poderosos y se aplican en un rango de temperatura de 200 °F (93 °C) a 300 °F (149 °C).

De acuerdo con varias investigaciones realizadas en diferentes países se ha demostrado que la mayor eficiencia en la limpieza del lodo del espacio anular se logra en régimen turbulento; es decir, cuando la lechada de cemento y los colchones de limpieza se

XV. CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE:

Los sacáridos son excelentes retardadores del cemento Portland.

Se componen de sales de ácidos lignosulfónicos de sodio y calcio. Son polímeros derivados de la pulpa de la madera. Usualmente son compuestos no refinados y contienen varias cantidades de compuestos sacaroides con un peso promedio molecular que varía de 20,000 a 30,000.

Los retardadores de lignosulfonatos son efectivos con todos los cementos Portland y se dosifican de 0.1 a 1.5 % por peso de cemento.

Evite golpear los silos presurizados, pues pueden ocasionar un accidente. En caso de ser indispensable, golpear suavemente utilizando un martillo de caucho.

Cementaciones primarias

Figura 90 Mezcla manual de lechada de cemento.

Instalaciones La planta de almacenamiento debe contar con señalamientos de localización de cada uno de los productos químicos ahí almacenado. En estas señales se encuentra la información básica del producto: nombre, tipo de riesgo al manejarlo, tipo de equipo que se debe portar al manejarlo. Otra práctica segura es designar áreas especiales con bordes o represas en donde se almacenen productos líquidos para prevenir, en caso de algún derrame, mayor daño al ambiente, y facilitar la recuperación de los mismos. En lo que corresponde al sistema neumático utilizado para la mezcla del cemento y aditivos, cada uno de los componentes del sistema: compresores, líneas y silos, deben contar con válvulas de desfogue que prevengan de cualquier percance que pudiese ocurrir al sobre represionar al sistema. Asimismo, el sistema debe estar provisto con un colector de finos, el cual recolecta y almacena la gran mayoría de los finos (polvos) generados por la dosificación y que de otra forma se descargarían a la atmósfera. También, entre el equipo básico de seguridad de la planta se deben incluir lavaojos y lavamanos colocados en lugares estratégicos de fácil acceso a las personas que se encuentran laborando.

El método de evaluación de la cementación primaria debe ser seleccionado de acuerdo con el objetivo: Así, cuando se desea verificar si se tiene buen sello en la zona de la zapata, se procede a efectuar una prueba de goteo. Se aplica al agujero descubierto inmediatamente después de perforar la zapata, una presión hidráulica equivalente a la carga hidrostática que ejercerá el fluido de control con el que se perforará la próxima etapa, durante 15 a 30 minutos, sin abatimiento de la presión aplicada. Cuando se desea verificar si hay buen sello en la boca de una tubería corta, se hace una prueba hidrostática sobre la capa de cemento; se aplica una presión hidráulica calculada, que no sea mayor a la resistencia a la compresión del cemento, a las condiciones de fondo. Se toma en consideración la carga hidrostática ejercida por el fluido de terminación, más la presión hidráulica aplicada con bomba, por un tiempo determinado; generalmente son de 15 a 30 minutos con presión sostenida, sin bombeo adicional. Para evaluar la adherencia en todo el tramo cementado es necesario efectuar un registro sónico de cementación, empleando la tecnología de ultrasonido con cualquiera de las herramientas ultrasónicas y, en caso de que este registro denote mala calidad de la cementación en las zonas de interés, se efectuarán operaciones de re-cementación a través de disparos efectuados en las partes que denoten falta de sello del cemento por mala adherencia o por existencia de canalizaciones. Generalmente es aceptada una adherencia mínima del 80 % para dar por bueno un trabajo de cementación, aunque los estudios efectuados en los laboratorios de reología

123

Ingeniería de Cementaciones

El resto de recipientes son similares a los descritos. Compresores de aire. Normalmente la planta dosificadora de cemento a granel cuenta con un par de compresores de aire, con capacidad de 300 a 600 pies cúbicos de gasto por minuto y una presión de servicio regulada de 30 a 40 psi. Este sistema neumático se encarga del manejo del cemento en la planta en general.

Figura 89 Tanques presurizables de cemento a granel.

Cuenta con una línea de llenado del silo que entra por su base cónica y corre paralelo a su eje longitudinal, el extremo superior de la línea termina en un codo de 90°. Inmediatamente arriba de la brida del casquete final lleva una línea de descarga para suministro de cemento. Olla de pesar y mezclar. Esta olla tiene una forma similar a la descrita para el silo vertical, con la diferencia de su tamaño y capacidad. Este recipiente normalmente maneja por pesada entre 5 a 7.5 ton de mezcla y, a diferencia del silo, el sistema de inyección de aire es a través de un múltiple con toberas y válvulas de contra presión y una línea directa de suministro de presión, soportada directamente del tanque de servicio con una válvula de contrapresión insertada que evita el regreso del aire con cemento al compresor. Olla de aditivos. Es similar a la olla de mezclar, pero más pequeña pues únicamente tiene una capacidad de 2 ton de cemento. Su función es efectuar una primera mezcla de los aditivos con una parte del cemento que integrará la pesada. Una vez hecha la mezcla se bombea a la olla de pesar donde se complementa el resto de cemento de la pesada.

122

desplazan a una velocidad tal que corresponda a un número de Reynolds de 3000 a 4000 o mayor, en función de sus características reológicas: n' = índice de comportamiento de flujo y k' = índice de consistencia. Generalmente, son sales de ácidos grasos y se dosifican del 0.2 al 2.5% por peso de cemento. Lechadas de cemento Las lechadas de cemento son suspensiones altamente concentradas de partículas sólidas en agua.

Salud y seguridad en el manejo de aditivos

El contenido de sólidos de una lechada de cemento puede llegar hasta un 70%.

La naturaleza de los materiales manejados por la planta de cemento da lugar a ciertas consideraciones especiales, para la disminución de riesgos y prevención de accidentes en el área de trabajo:

La reología de la lechada de cemento está relacionada con la del líquido de soporte, la fracción volumétrica de los sólidos (volumen de partículas/ volumen total) y la interacción entre las partículas.

Todas las personas que se encuentren realizando las actividades diversas que se llevan a cabo en la planta, como son: cargado de bultos, vaciado de bultos, pesado de químicos, manejo del panel, etc. deberán portar, sin excepción: 1.- Lentes de seguridad. Protegen los ojos del contacto con los polvos de los productos químicos que pudieran haberse volatilizado hacia la atmósfera. 2.- Mascarilla contra polvos. Previene la inhalación de estos polvos. 3.- Overol. Proporciona una protección integral al cuerpo de cualquier contacto cutáneo con los productos químicos. 4.- Casco. Resguarda la cabeza de golpes. 5.-Protectores auditivos. 6.-Guantes. Protegen las manos del contacto con el cemento y productos químicos, además de golpes o cortaduras. 7.-Zapatos antiderrapantes con casquillo metálico.

En una lechada de cemento, el fluido intersticial es una solución acuosa de varias clases de iones y aditivos orgánicos. Por lo tanto, la reología de la lechada difiere de la reología del agua. Los sólidos en una lechada están en función directa a su densidad.

-Si - OH + OH-

-Si - O- + H2O

Los iones libres de calcio en la solución reaccionarán con los grupos cargados negativamente sobre la superficie de los granos. Un ion de calcio puede unirse a dos grupos, Si-O- los cuales pueden estar en un mismo grano o en dos granos diferentes. El puenteo entre dos granos se debe a que el área superficial del cemento es grande y compiten por los iones de calcio entre los sitios de adsorción. Una parte de los granos del cemento puede estar cargada positivamente, debido a la adsorción de calcio, mientras que otra parte está cargada negativamente; como resultado, ocurren las interacciones entre las porciones cargadas positivamente. Viscoplasticidad de las lechadas de cemento y mecanismo de dispersión Cuando se mezcla cemento en polvo y agua se forma una estructura de gel en toda la lechada, que impide flujos con esfuerzo cortante menor al esfuerzo de corte dado por el valor de cedencia. Esto es resultado de la interacción electrostática entre las partículas. A esfuerzos de corte menores al valor de cedencia, la lechada se comporta como un sólido. Esto puede originar algunas deformaciones finitas,

Las interacciones de las partículas dependen principalmente de la distribución de las cargas superficiales. Los dispersantes del cemento, también conocidos como "superplastificadores", ajustan las cargas superficiales de las partículas para obtener las propiedades reológicas deseadas de la lechada (figura 3) Ionización superficial de las partículas del cemento en un medio acuoso La hidrólisis de algunos compuestos orgánicos e inorgánicos conducen a su ionización y, por consiguiente, a cargas superficiales. Éste es el caso de la sílice que forma la mayor parte de los elementos del cemento, y cuya fórmula es:

Figura 3 Interacción de partículas.

Ingeniería de Cementaciones

de la fracción de volumen (fs) ocupado por la fase dispersa.

Arriba del valor de cedencia, la lechada se comporta como un líquido comprendido en el modelo Bingham, con viscosidad plástica bien definida.

En modelos más sofisticados, para dispersiones concentradas, la fracción de volumen de la fase dispersa determina el parámetro.

Como se puede ver en la figura 4, experimentalmente, las curvas de esfuerzo cortante y velocidad de corte son aproximadamente lineales; la pendiente de la línea es la viscosidad plástica y su ordenada al origen es el valor de cedencia.

Un grupo hidrolizado silícico o alumínico sobre la superficie de los granos del cemento (-Si- -O-- + Ca+) lleva cargas negativas, las cuales pueden adsorberse sobre los iones de calcio.

Velocidad corte (Lecturas del disco) Velocidaddede corte (Lecturas del

de compresión o, eventualmente, de deslizamiento, pero no fluye.

cemento solo

Cemento disperso

Velocidad de corte (r.p.m.) .

Sin embargo, la "viscosidad aparente", representada por la relación entre el esfuerzo de corte/velocidad de corte, no es una constante; en su lugar ésta disminuye con el incremento del esfuerzo de corte. Una vez que el valor de cedencia es rebasado, la lechada ya no se comporta como unidad: se rompe en partes y agregados de partículas que se mueven entre unas y otras. Estos agregados contienen agua intersticial, lo que da como resultado que el volumen efectivo de la fase dispersa sea mayor que el volumen de los granos de cemento.

Las partículas de cemento se tornan uniformemente con cargas negativas. Este efecto puede observarse midiendo el potencial Z, que es una función de las cargas electrostáticas de las partículas de una suspensión de cemento diluido. En el caso de polímeros no iónicos y para algunas extensiones con polielectrolitos, la repulsión de las partículas puede asegurarse mediante mecanismos diferentes a la repulsión electrostática. Las contribuciones entrópicas y entálpicas pueden impedir el enlace desordenado de los polímeros, evitando así el contacto cerrado entre dos partículas cubiertas por una capa de polímero adsorbido. Composición química de los dispersantes del cemento Los sulfonatos son los dispersantes más comunes del cemento. Generalmente, los materiales preferidos para la cementación tienen de 5 a 50 grupos de sulfonatos adheridos a un gran polímero ramificado.

El volumen de la fase dispersa es el factor clave para determinar la reología de la dispersión. Por ejemplo, en el primer orden de análisis éste conduce a la relación de Einstein.

Los polímeros ramificados son los más deseables debido a su rango de concentración, con lo cual pueden puentear dos partículas mucho más pequeñas.

m = mo(1 + 2.5 fs)

El sulfonato de polinaftalina (PNS o NSFC) es un producto condensado del sulfonato b -naftalina y formaldehído-. Tiene una alta variabilidad en el grado de ramificación y de su peso molecular.

La viscosidad de una dispersión (m), hecha con un fluido base de viscosidad (mo), depende solamente

Sistema dosificador de aditivos líquidos Sin embargo, en localizaciones marinas existen restricciones de espacio que limitan la cantidad de productos químicos almacenados a granel, así como condiciones de humedad severas que afectan el desempeño de los aditivos en polvo. En estas circunstancias, se prefiere el uso de un sistema de dosificación con aditivos líquidos. En instalaciones marinas, este sistema se encuentra fijo en las plataformas y está diseñado para controlar automáticamente la dosificación de aditivos líquidos para las lechadas de cemento a través de un controlador electrónico. Este sistema consta de un conjunto de bombas acopladas a motores eléctricos a prueba de explosión de 5 HP, cuyos elementos expuestos a fluidos han sido seleccionados de materiales resistentes a la corrosión provocada por los mismos. Está disponible con una o cuatro bombas con gastos variables de 25 y 50 gpm. Este sistema también involucra al sistema de medición continua que consta de tres o cuatro bombas electrónicas capaces de dosificar cualquier aditivo líquido al de la mezcla. Cada bomba tiene controles de velocidad variables para suministrar la cantidad exacta de aditivo. El sistema es gobernado a través de un registrador de parámetros, que controla el gasto de cada bomba de aditivo y permite efectuar cambios sobre la marcha, sin afectar el gasto de las demás. Cada bomba puede montarse con un tanque de aditivos con succión y descarga independiente, lo que facilita su remoción y mantenimiento. Diseño de una planta dosificadora de cemento Entre las consideraciones más importantes para el diseño e instalación de una planta de cemento se tiene: Volumen de cemento que se va a manejar. Necesidades del cliente, capacidad de procesamiento de las mezclas, proyección a mediano y largo plazo del mercado.

Facilidad de acceso a las materias primas y/o aditivos. Contar con proveedores confiables por vía aérea, marítima o terrestre. Distancia al o los puntos de utilización. Estratégicamente ubicado en relación con los puntos de venta (bases del cliente o campos petroleros) Comunicaciones. Acceso por caminos por los que puedan transitar equipo pesado, facilidades para efectuar y recibir los pedidos urgentes con sus proveedores. Leyes y reglamentos locales. Cumplir con las normatividades locales para su establecimiento, principalmente en materia fiscal. Condiciones ambientales y de seguridad. Adecuada disposición de residuos tóxicos y nocivos. Una planta dosificadora de cemento tiene como finalidad manejar el cemento a granel por medio neumático mezclando y homogeneizando los aditivos que conforman los diferentes diseños obtenidos por el laboratorio. A su vez estas mezclas son cargadas por la misma planta a las unidades móviles de transportación que conducen el cemento al pozo. Las partes principales que integran una planta de cemento son: Silos verticales. Su objetivo es almacenar cemento y otros materiales a granel que intervienen en altas proporciones tales como harina y arena de sílice. Son recipientes diseñados para operar con presión neumática baja del orden de 20 a 50 psi y gastos altos de aire del orden de 200 a 300 pies cúbicos por minuto. El valor operativo de la planta está basado, por una parte, en su capacidad de almacenamiento y, por otra, en la calidad del mezclado que efectúa. La capacidad de cada silo dependerá del mercado potencial local y de las leyes regulatorias de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes que impactan su movilización de un centro petrolero a otro. Tiene un cuerpo cilíndrico con una base cónica terminada en un casquete bridado y en la junta lleva lonas de distribución de aire, que recibe de la parte final del casquete, el extremo opuesto está formado por una tapa toriesférica para soportar presiones.

121

Ingeniería de Cementaciones

Sistema de aireación dual o combinado En algunos casos se combinan los sistemas de aireación por lonas y por toberas, para obtener un rápido aumento de presión y una consiguiente descarga en menor tiempo. En muchos casos los sistemas de aireación por lonas han sido convertidos en sistemas duales a los que se les hacen adaptaciones con tubería roscada, que evitan los problemas que podrían derivarse de cortar o soldar el silo. Almacenaje y dosificación de cemento Como se mencionó anteriormente, el manejo del cemento a granel es una práctica muy extendida en el mundo entero debido a que facilita el mezclado, transporte y dosificación de grandes cantidades de este material. Normalmente este cemento se almacena en silos verticales u horizontales herméticos y pueden estar bajo cubierta o en intemperie a prueba de humedad. Existen varios sistemas para la dosificación y mezclado del cemento a granel, entre otros: el sistema de aireación y presurización, el sistema de vacío y el sistema de dosificación de aditivos líquidos. Sistema de aireación-presurización El sistema de aireación-presurización sigue el principio descrito para el transporte de cemento a granel (en el apartado muestra la distribución típica de una planta de cemento con sistema de aireaciónpresurización automatizada). Las bondades de este sistema se manifiestan en el manejo de grandes volúmenes de cemento, su transporte al punto de utilización y su facilidad de descarga. En la planta de cemento, el manejo de materiales a granel tiene, entre muchas otras, las siguientes ventajas: El cemento y/o aditivos están resguardados de las condiciones climáticas mientras es almacenado, transportado y descargado. Los aditivos son uniformemente homogeneizados al mezclarse bajo un procedimiento largamente probado.

120

Ingeniería de Cementaciones

La mezcla se efectúa en forma más rápida y uniforme.

La representación comercial de este producto es en forma de polvo o solución acuosa al 40%.

La preparación de grandes volúmenes de cemento para una operación es más práctica.

Para una dispersión de lechada de agua dulce, normalmente se requiere de 0.5 al 1.5% por peso de cemento activo.

Aunque existe gran variedad de diseños para plantas de cemento, adecuados a las necesidades específicas de cada zona, una planta estacionaria para el manejo neumático de materiales a granel consta, básicamente, de una serie de tanques para almacenamiento, pesado y mezclado de cemento. Silos de almacenamiento. Tanques verticales con sección transversal cónica en la parte inferior, lo que les permite operar para su descarga, hacia la báscula de cemento, con el principio de alimentación gravitacional. Báscula de cemento. Báscula presurizada, de sección transversal cónica, dentro de la cual los materiales son cargados neumáticamente. El mezclado de cemento y aditivos y la aireación inicial ocurren dentro de este tanque. Silo de mezclado. En este tanque se hace homogenea la mezcla del cemento y aditivos, permitiendo, además, transferir neumáticamente, al menos dos veces, los materiales de un tanque a otro, antes de pasarlos al tanque de almacenamiento para su posterior cargado al silo móvil. Silo para suministro de aditivos. Como su nombre lo indica, a través de este tanque son incorporados al cemento los aditivos que se van a utilizar. Sistema de vacío. De forma muy similar funciona el sistema de dosificación por vacío. Esta ingeniosa modificación del sistema anterior utiliza un compresor que hace la función de bomba de vacío sobre el silo báscula, para que éste sea llenado con el cemento o los aditivos almacenados en otros silos. Una vez que se ha llenado el silo báscula a la capacidad deseada, se invierte la operación del compresor a través de un arreglo de válvulas electroneumáticas que lo devuelven a su condición de compresor para represionar y transportar el producto desde la báscula hasta el punto de uso o almacenaje.

Para lechadas que contienen NaCl se requieren concentraciones tan altas como el 4% por peso de cemento. La habilidad de dispersión del PNS es muy variable, lo cual depende del cemento.

Algunos productos químicos como los ácidos hidroxilcarboxílicos, también tienen propiedades dispersantes pero son fuertes retardadores del fraguado. Un ejemplo de éstos es el ácido cítrico el cual se usa a menudo en sistemas de cemento salado. Reología de las lechadas dispersas La lechada con suficiente dispersante tiene como valor de cedencia cero y se comporta como un fluido newtoniano; de aquí se puede inferir que el valor de la cedencia varía de acuerdo con la concentración del dispersante.

Generalmente, el PNS es el dispersante más utilizado en la cementación de pozos. Aunque los lignosulfonatos frecuentemente son los más empleados como dispersantes en las formulaciones de lodos de perforación, pero también son efectivos en las lechadas de cemento.

Con PNS el valor de cedencia empieza a incrementarse con la concentración de dispersante y decrece escalonadamente a cero.

El PNS y los lignosulfonatos actúan simultáneamente como retardadores, por lo cual no pueden usarse a bajas temperaturas. Otros derivados de la lignina, tal como las ligninas del ácido carboxílico, son más efectivos como dispersantes del cemento que las ligninas del ácido sulfónico, aunque éstas también retardan el fraguado.

El máximo valor de cedencia refleja el punto de máxima interacción de las partículas cuando existe un balance exacto entre los sitios cargados positiva y negativamente.

Los derivados de la lignina se obtienen de subproductos de la industria del papel, son baratos y tienden a ser químicamente indefinidos. Otros dispersantes efectivos del cemento son los sulfonatos de poliestireno, pero debido a su alto costo, se emplean poco. Los poliacrilatos y los copolímeros, tales como el sulfonato de estireno o anhídrido maléico, también tienen buenas propiedades fluidizantes. Se usan conjuntamente con compuestos inorgánicos tales como los álcalis metálicos o sales de amonio, carbonatos, bicarbonatos, oxalatos, silicatos, aluminatos y boratos. Los polisacáridos hidroxilatados de bajo peso molecular tienen propiedades dispersantes cuando están formados por hidrólisis del almidón, celulosa o hemicelulosa. Otros polímeros no iónicos como los derivados de la celulosa, polímeros de óxido de etileno, alcohol polivínilico y polialcohol, también tienen propiedades dispersantes pero ellos retardan el fraguado.

Cuando existen concentraciones bajas de dispersante hay un exceso de sitios cargados positivamente.

En concentraciones de dispersante más altas, las superficies de los granos son completamente cubiertas por cargas negativas; consecuentemente, el valor de cedencia es cero debido a la repulsión electrostática. El efecto de los dispersantes sobre la viscosidad de las lechadas de cemento es diferente del observado con el valor de cedencia; aunque la interacción electrostática entre las partículas del cemento se incrementa inicialmente con la concentración de dispersante, el tamaño de las partículas agregadas empieza a decrecer inmediatamente. En consecuencia, el volumen de agua inmovilizada decrece y la viscosidad de la lechada también decrece continuamente con la concentración de dispersante (figura 5). Asentamiento de las partículas y agua libre Como efectos laterales de la adición de dispersantes, la lechada puede mostrar sedimentación, tener un gradiente de densidad uniforme de la cima al fondo de un contenedor, mostrar agua libre, o bien, tener una capa de fluido sin carga de partículas sólidas sobre la parte superior de la lechada. Es posible que

Ingeniería de Cementaciones

El operador puede programar directamente en el Unipro II la densidad y el gasto de mezcla requerido para la lechada en el recirculador y durante el desarrollo de la preparación puede ajustar el gasto de mezcla sin que esto afecte a la densidad. Cuando son necesarias dos o más lechadas, pueden llamarse los parámetros previamente cargados en el Unipro II y el ADC inicia automáticamente la nueva mezcla. Sistema Floculado Sistema floculado

Sistema Disperso Sistema disperso

Figura 6 Agua libre, sedimentación y segregación.

Figura 5 Sistemas floculado y disperso.

en la parte superior se tenga agua libre y exista una lechada homogénea en el fondo; también es posible que ocurra la sedimentación sin desprendimiento de agua libre. Agua libre Cuando las partículas del cemento están en suspensión no se encuentran completamente dispersas, e interactúan a través de fuerzas electrostáticas que forman una estructura floculada que soporta el peso de una partícula dada. Si el espacio anular en el pozo es suficientemente estrecho, el peso de las partículas se transmite a las paredes y la lechada se soporta a sí misma. Es raro que lo descrito ocurra, consecuentemente el peso de las partículas del cemento se transmite al fondo a través del gel y ocurre la deformación de la estructura. El agua es forzada a salir de la porción más baja de la lechada y se acomoda en las capas superiores que sufren el menor esfuerzo. La habilidad de las capas superiores para acomodar el agua adicional es limitada; así, una capa de agua puede formarse en la cima de la lechada, como se muestra en la figura 6. Sedimentación Los dispersantes suprimen las interacciones entre las partículas del cemento por la neutralización de los sitios cargados positivamente. Cuando el proceso se termina, las partículas se repelen entre sí a través de interacciones de doble capa. El rango de acción de estas fuerzas es muy corto debido a la alta

ionización del medio, de tal forma que las fuerzas repulsivas permiten el empacamiento uniforme de las partículas. En una lechada completamente dispersada, las partículas se encuentran libres para moverse y libres para caer en el campo gravitacional y así colectarse en el fondo del contenedor. En la realidad esta situación ideal nunca ocurre; en su lugar se establece un gradiente de densidad.

Mezclador de alta energía de mezclado Es un mezclador más avanzado, exacto y controlado por computadoras. Esta unidad proporciona lechadas de la densidad requerida, a cualquier gasto de bombeo deseado, para operaciones de calidad controlada en cementaciones de pozos. El mezclador provee una alta energía de mezclado manteniendo la densidad de la lechada dentro de un rango de +/- 0.01 gr./cm3.

El fenómeno descrito se explica a través de tres propuestas, las cuales comprenden el concepto de polidispersión de las partículas y que, sin importar su tamaño, se comporten de manera diferente.

El mezclador mantiene un control excelente de la densidad sin importar cambios en los gastos de bombeo: más aún realiza ajustes muy rápidos cuando se cambia de un tipo de lechada a otro.

Las tres propuestas son:

Un panel de control remoto permite al operador controlar la unidad con solamente apretar botones de comandos, la pantalla muestra continuamente la densidad de la lechada, el peso del silo vertical, la entrada de cemento (válvula), y la posición de la válvula de la lechada.

1. Las partículas más pequeñas aún no se han asentado. 2. Las partículas más pequeñas estan prevenidas del asentamiento por movimiento browniano. 3. El gel floculado no sea lo suficientemente fuerte para soportar las partículas más grandes. Prevención del agua libre y la sedimentación de la lechada Cuando el pozo está altamente desviado y horizontal no acepta columnas de cemento heterogéneas, pues se requiere suficiente fuerza mecánica del cemento fraguado y un aislamiento más apropiado de las zonas. Un estudio minucioso con una gráfica del agua libre y valores de cedencia contra la concentración del dispersante revela que, con un rango entre 0.2 y 0.3% por peso de cemento, la lechada es lo suficientemente fluida y estable.

Unidades transportadoras de cemento a granel Transferencia del cemento. El uso del cemento a granel fue introducido por Halliburton en la década de los 40's en Sallem, Illinois. Actualmente en la mayor parte del mundo el cemento para pozos petroleros es manejado a granel. El manejo del material cementante a granel ha beneficiado la economía y la tecnología de la cementación. Las lechadas complejas o elaboradas pueden efectuarse primero en seco por medio de tanques presurizados para luego ser transportadas y preparadas en la localización. Típicamente estos sistemas están diseñados para operar a 40 psi como

máximo y ello es suficiente, siempre y cuando se proporcione un flujo grande y constante de aire para transportar suspendido el cemento. Existen varios tamaños y configuraciones de tanques presurizados. Normalmente varían en un rango de 8 pies de diámetro con alturas de hasta 50 pies y pueden ser verticales conificados en su parte inferior u horizontales. El principio de funcionamiento es simple, una línea de aire fluidiza y presuriza el interior del tanque y en cuanto esta presión es liberada, arrastra consigo el material en forma continua. El aire que se filtra entre el material aumenta el volumen de éste en aproximadamente un 20%, lo cual beneficia grandemente para el transporte posterior del mismo. La mayoría de los silos presurizados poseen alguno de los siguientes sistemas de aireación. Sistema de aireación por medio de lonas En este sistema de aireación, el aire a presión es introducido por la parte inferior del silo, concretamente en la zona del cono trunco en los silos verticales. El aire entra por medio de mangueras de aireación, directamente al fondo de un bastidor, en el que se crea una cámara de presión que hace vibrar las lonas y forzar al aire a filtrarse hacia arriba. La función de la cámara de presión y las lonas es la de uniformar la corriente inyectada y hacer que el aire sea mejor distribuido, de otro modo, parte del material no sería movido, y se correría el riesgo de formar puentes. Sistema de aireación por medio de toberas (jets) A diferencia del sistema anterior, la inyección del aire al interior del silo involucra ahora boquillas (tobera) de inyección. Su finalidad es dispersar chorros continuos de aire directamente en el interior del silo hasta que aumente la presión al valor requerido. En forma general, un múltiplo de aire de 4 pg se introduce por la parte superior del silo y de él se ramifican conexiones de 1 pg, en las que van instaladas boquillas de inyección, la disposición de éstas semejan raíces distribuidas en dos niveles y en ángulos de 45° y 90°, respectivamente, medidos sobre un plano horizontal.

119

Ingeniería de Cementaciones

El equipo de premezclado consiste en tinas de homogeneización de hasta 100 bl de capacidad. La preparación se lleva a cabo midiendo en su interior el agua requerida para la mezcla y vertiendo gradualmente el cemento sobre ésta por medio de una descarga neumática; la mezcla se homogeneiza por agitación y circulación, lo que da como resultado una lechada de cemento homogénea y de densidad exacta. Se descarga a la unidad de bombeo para ser enviada directamente al pozo, y así se reducen los probables paros y variaciones en el gasto.

ENTRADA DE CEMENTO

TINA CON

MEIDOR DE FLUJO AGUA

CAPACIDAD DE 8 BL DENSOMETRO

BOMBA DE RECIRCULACION

BOMBA DE AGUA

Figura 88.

Unidad con sistema de mezclado por recirculación ( RCM ). El mezclador de cemento por recirculación (RCM), ofrece una gran combinación de capacidades: a) Pueden mezclarse lechadas de cemento de hasta 2.64 gr/cm3. b) Para trabajos críticos como cementación de tuberías cortas, tapones o cementaciones forzadas, se logra un control exacto en la densidad. c) Es muy útil para mezclado de lechadas con volúmenes bajos del orden de 8 bl o menos. d) Puede reducirse el gasto de mezcla hasta 0.5 bl/ min durante la operación. e) Mejora las propiedades de la lechada debido a una mayor energía de mezclado.

118

f) Trabaja en circuito cerrado evitando la generación de polvo. La principal característica de RCM es el sistema de recirculación a través de una bomba centrífuga y un depósito con capacidad de 8 a 25 bl, divididos en dos secciones y equipados con agitadores de turbinas. El agua y el cemento seco son vertidos al primer compartimento del deposito con gastos controlados mientras se agitan y circulan. La densidad se registra por medio de un densómetro y las variaciones en peso se corrigen por ajuste manual de la cantidad de agua y/o cemento. Una vez que se ha llenado el primer compartimento, la lechada rebosa una mampara antes de iniciar a llenar el segundo compartimento. Esto ayuda a liberar el aire atrapado en la lechada, de modo que la lectura de la densidad no se vea afectada, figura 88. Unidad con sistema de control auto-automático de densidad ( Adc ) Las características y beneficios del control automático de densidad (ADC)Unipro II son: Mejora el control de la densidad. Capacidad de mezclado en múltiples etapas. Cambios instantáneos en el gasto sin afectar la densidad de la lechada. Cambios instantáneos en la densidad de lechada sin afectar el gasto. Operación simple. El corazón del sistema de control automático de la densidad (ADC) es el densómetro radioactivo montado en la línea de recirculación del sistema RCM. Con el monitoreo continuo de la densidad de la lechada en el recirculador, el sistema ADC responde abriendo o cerrando las válvulas de estrangulación de agua o cemento. El gasto del agua de mezcla es contabilizado por medio de un medidor de turbina acoplado a la misma línea de recirculación. Los datos adquiridos por estos medidores son mostrados y gobernados a través del Unipro II en la consola del operador. Estos controles se basan en señales electrónicas en lugar de hidráulicas, lo que da una velocidad de respuesta ultra rápida que mantiene las variaciones en peso de la lechada en el orden de 0.1 gr/cm3.

En el campo, el control de la concentración del aditivo en un rango tan estrecho es difícil. Así, los agentes antiprecipitación son a menudo adicionados para ampliar el rango de concentración dentro del cual bajan los valores de cedencia y puede originarse agua libre. Los agentes antiprecipitación son materiales que restauran parte del valor de cedencia, a un nivel compatible con las condiciones de bombeo y la presión de fricción, donde la formación del pozo puede soportar. La bentonita se puede emplear para reducir el asentamiento de la lechada. Ésta absorbe grandes cantidades de agua, y así la lechada se mantiene homogénea. Varios polímeros solubles en agua reducen la sedimentación mediante el incremento de la viscosidad del agua intersticial. Los materiales usados más comúnmente son derivados celulósicos, tal como el hidroxietil celulosa. El agua de mar y los silicatos pueden mejorar la estabilidad de la lechada; además algunas sales metálicas tales como NaCl2 y MgCl2 construyen débiles, pero extensas estructuras de hidroxilos a través del volumen de la lechada. La eficiencia de los aditivos antiprecipitación se puede evaluar midiendo el gradiente de densidad en una columna de cemento fraguado. Para hacerlo, se coloca con la lechada en una probeta y se deja fraguar. De la cima, parte media y del fondo de la columna se extraen obleas de cemento fraguado. La diferencia en peso entre las obleas da un índice del grado de sedimentación de la lechada. Reductores del filtrado El control de filtrado es un factor de vital importancia en la cementación de tuberías de revestimiento y en las cementaciones forzadas para colocar el cemento en el lugar deseado, sin que sufra deshidratación fuerte al pasar por zonas permeables o bien al estar forzando la lechada. Generalmente, los reductores de filtrado son pro-

ductos derivados de celulosa y se dosifican del 0.3% al 1.5%, por peso de cemento. El valor de filtrado estipulado por el API varía de acuerdo con el tipo de operación y es como sigue: Cementación de T.R. = Tubería corta = Cementación forzada =

no mayor de 200 cm3 no mayor de 50 cm3 de 30 a 50 cm3

El valor del filtrado API se mide en cm3 a 30 minutos bajo una presión diferencial de 1000 psi. Cuando una lechada de cemento se coloca a través de una formación permeable bajo presión ocurre el proceso de filtración. La fase acuosa de la lechada escapa al interior de la formación y deja las partículas sólidas detrás. Este proceso se conoce comúnmente como filtrado. Si el filtrado no se controla puede afectar seriamente el trabajo que se esté realizando. A medida que la fase acuosa decrece, la densidad de la lechada se incrementa. Como resultado, el comportamiento de la lechada diverge del diseño original (reología, tiempo de espesamiento). Si es mucho el fluido filtrado a la formación, la lechada no se puede bombear. El API marca un filtrado para las lechadas de cemento solo, del orden de 1500 cm3 /30 min. En la mayoría de las operaciones se requiere mantener un valor de filtrado menor de 50 cm3 /30 min para un trabajo adecuado de la lechada, por ello se emplean materiales conocidos como agentes de control de filtrado, los cuales están incluidos en el diseño de la lechada. Actualmente, los mecanismos exactos mediante los cuales operan los agentes de control de filtrado no son completamente conocidos aunque se supone que existen varios procesos. Una vez iniciado el filtrado a través de la formación, un enjarre de los sólidos del cemento es depositado sobre la cara de la formación. Los agentes de filtrado disminuyen la velocidad de filtración reduciendo la permeabilidad del enjarre y/o incrementando la viscosidad de la fase acuosa. Existen dos clases principales de aditivos para el control de filtrado: Materiales sólidos con partículas finamente divididos. Polímeros solubles en agua.

Ingeniería de Cementaciones

La naturaleza química y física de cada tipo de material y sus mecanismos hipotéticos se explican a continuación. Materiales pulverizados El primer agente de control de filtrado empleado para lechadas de cemento fue la bentonita, en 1949. Debido al tamaño pequeño de sus plaquetas, la bentonita puede entrar al enjarre y alojarse entre las partículas de cemento, como resultado la permeabilidad del enjarre decrece. Además, para determinar el filtrado se usan sistemas particulares tales como el polvo de carbonato, asfaltos, resinas termoplásticas, etc. El látex es un excelente agente de control de filtrado. Forma redes entre sus moléculas por ser polímeros emulsionados. Usualmente se suministra como una suspensión lechosa, de partículas esféricas pequeñas del polímero (generalmente entre 200 y 500 um de diámetro). La mayoría de las dispersiones de látex contienen aproximadamente 50% de sólidos. Como la bentonita, contiene partículas tan pequeñas que pueden taponar físicamente los poros en el enjarre del cemento. Las redes más comunes para cementos petroleros son las de cloruro de vinilo, acetato de polivinilo y más recientemente el butadieno del estireno. Los primeros dos materiales están limitados a temperaturas menores de 122 °F (50 °C). El látex de butadieno del estireno ha sido aplicado a temperaturas hasta de 350 °F (176 °C). Polímeros solubles en agua A principios de 1940, los polímeros solubles en agua se emplearon como agentes de filtración en la perforación. Actualmente, estos materiales se usan extensivamente como agentes de control de filtrado en lechadas de cemento para pozos. Generalmente, operan simultáneamente incrementando la viscosidad de la fase acuosa y disminuyendo la permeabilidad del enjarre. La viscosidad de una solución de polímeros depende de su concentración y peso molecular. Por ejemplo, una solución al 2% de hidroxietil celulosa de bajo peso molecular puede tener una viscosidad de 500 cp, pero

Ingeniería de Cementaciones

la viscosidad de una solución igualmente concentrada de HCE de alto peso molecular puede ser tan alta como 50,000 cp. La alta viscosidad debiera elevar la velocidad de filtración; sin embargo, esta estrategia por sí sola no puede ser confiable para proporcionar un control de filtrado, debido a que el mezclado de la lechada sería imposible. La reducción de la permeabilidad del enjarre es el parámetro más importante observado en el control del filtrado. Cuando una lechada con suficiente agente de control proporciona una velocidad de filtrado API de 25 cm3 /30 min, el enjarre resultante es aproximadamente 1000 veces menos permeable que el obtenido con una lechada de cemento solo; considerando que el incremento de viscosidad del agua intersticial es cinco veces mayor, como se muestra en la tabla 1: ADITIVO S/A A – 0.35% A – 0.60% A – 0.80% A – 1.00% B – 0.30% B – 0.80% B – 1.30% C – 0.08 GPS C – 0.20 GPS C – 0.40 GPS

PERM. Enj.(md) 5100 924 140 6.1 4.9 770 5.1 1.3 1825 21 15

VISC. FILT. 1 2.24 4.48 3.70 3.32 3.10 4.80 2.30 1.01 1.05 2.05

REL. EFIC. 1 0.280 0.077 0.018 0.017 0.217 0.014 0.011 0.596 0.058 0.038

FILT. (cm3/30 min) 1600 450 173 45 20 300 26 12 240 43 14

Tabla 1

El tamaño de los poros en el enjarre del cemento puede evaluarse empleando un porosímetro de mercurio. La distribución de tamaño típico muestra el diámetro medio que es de 1 mm. El radio de giro típico de una molécula de polímero es menor de 1000 A° (0.1mm); de tal manera que los conjuntos de moléculas deberán ser suficientemente grandes como para obstruir u obturar un poro en el enjarre. Los polímeros solubles en agua pueden formar agregados coloidales adheridos débilmente en la solución, los cuales son suficientemente estables para el acuñamiento y la constricción del enjarre. Tales polímeros pueden también adsorberse sobre la superficie de los granos del cemento y, de esta manera, reducir el tamaño de los poros. Probablemente, una superposición de estos dos fenómenos, adsorción más

La práctica del mezclado continuo ha traído como consecuencia la posibilidad de que no ocurran variaciones de densidad en las lechadas de cemento durante las operaciones críticas, tales como las de las tuberías de revestimiento de explotación. De hecho, en algunos casos para este tipo de operaciones se ha retornado a la tecnología del premezclado. La práctica del premezclado es la clave para una cementación exitosa, los componentes líquidos y sólidos de la lechada, deben ser combinados en el pozo para obtener las propiedades establecidas en el laboratorio. Las dos metodologías más destacadas para el proceso de mezclado son pre-mezclado y mezclado continuo. Pre-mezclado En este proceso se mezcla el total de los ingredientes (cemento, agua y aditivos) en un tanque que cuenta con mecanismos de agitación continua, los cuales imparten energía de mezclado adicional y homogeneización de la lechada antes de bombearla al pozo. Mezclado continuo En este proceso se mezclan los aditivos de la lechada conforme se están bombeando al pozo. Los métodos tradicionales de mezclado continuo son mezclados con jets, slurry chief y tornado. Mezclador con Jets Consiste básicamente de un recipiente cónico, una tina de mezclado, línea de descarga y líneas de alimentación de agua. En esta teoría de mezclado, el cemento y los aditivos secos alimentados por gravedad son succionados desde un recipiente cónico hasta un recipiente de mezclado, por el efecto de vacío creado por el agua, que es bombeado a través de jets (efecto Venturi). Esta lechada pasa por un cuello de ganso que descarga en una tina de mezcla, para ser succionada por una bomba centrífuga y enviada a las bombas de desplazamiento positivo y éstas, a su vez, bombean la lechada dentro del pozo. Slurry chief Este sistema es una versión modificada del anterior, pero con una cuchilla operada hidráulicamente

para controlar la entrada de cemento en el recipiente de mezclado que permite un control más exacto del suministro de cemento, y una bomba centrífuga que recircula la lechada por los jets a través de una línea adicional. Esto ayuda al ajuste de la densidad y a su vez imparte más energía de mezclado a la lechada. Mezclador de tornado Este sistema utiliza una baja energía con el efecto de agitación con flujo tangencial para mezclar sólidos y líquidos. El proceso se realiza cuando el agua se alimenta circunferencialmente en un tubo vertical creando un flujo helicoidal hacia el recipiente de mezclado. El cemento y los aditivos secos son alimentados a través de pequeños tubos concéntricos desde un silo introduciéndose en las paredes de la tubería interior mezclándose con el agua. Más abajo, otra tubería concéntrica alimenta la lechada reciclada en el recipiente de mezclado. Toda la lechada pasa a través de una bomba centrífuga para proporcionar mejor mezclado y mayor energía de mezcla durante la recirculación y a su vez alimenta la succión de las bombas tríplex. Actualmente las unidades de bombeo pueden estar montadas en plataformas, patín o barcos; pueden estar actuadas por motores eléctricos o de combustión interna y tener controles manuales o automáticos. Comúnmente las unidades cementadoras de hoy están equipadas con dos bombas de desplazamiento positivo capaces de bombear en conjunto de 0.25 a 17 bpm., en función del diámetro del émbolo y de las líneas conectadas al pozo. A su vez, las bombas de desplazamiento positivo pueden ser dúplex de doble efecto o tríplex de simple efecto. Cualesquiera de ellas es satisfactoria con las limitaciones propias del diseño; sin embargo para servicio pesado las bombas tríplex proporcionan una descarga más suave y pueden manejar más potencia y presión. También se puede contar con bombas quintúplex cuya cavitación es menor aun sin el amortiguador. La incorporación de un sistema de recirculación automática y de un control automático de densidad, mejora la energía de mezclado y beneficia notablemente la preparación de la lechada.

117

Ingeniería de Cementaciones

Potencia hidráulica Dependiendo del fabricante y el modelo, la máxima potencia varía entre 200 y 500 hhp. Controles e instrumentos Antes de empezar un trabajo algunos mecanismos de control sobre el equipo de cementación son seleccionados o fijados en posición de acuerdo con la composición y densidad de la lechada, así como el gasto de inyección deseado. Durante el trabajo, el ajuste final es hecho con cualquier de los mezcladores de cemento o válvula de control de inyección de agua, dependiendo del tipo de equipo. El ajuste de la velocidad de la bomba de inyección al pozo puede también ser necesario para mantener un nivel constante en el tanque o tanques de lechada, o mantener la presión de bombeo dentro de limites fijados (por ejemplo en los trabajos de cementación a presión).

Ingeniería de Cementaciones

seado, por medición física o por dispositivos electrónicos de medición y graficación continua.

agregación, es el mecanismo real de acción de los agentes de filtración poliméricos.

Gasto. El gasto de lechada es medido en el contador de velocidad del cigüeñal de la bomba de inyectar al pozo o por medio de un medidor de flujo usado para un registro continuo de los parámetros del trabajo que se está haciendo.

Las lechadas de cemento que contienen polímeros solubles en agua deben ser bien dispersadas para obtener óptimo control de la filtración. Los polímeros aromáticos sulfonados o sales son casi siempre adicionados en conjunto con estos materiales.

Presión. La presión de bombeo es leída en un manómetro o en un registrador gráfico, un transductor de presión electrónico es usado si se registran varios parámetros mediante una unidad central.

Como se explicó, los dispersantes mejoran el acomodo o empacamiento de los granos del cemento (y tal vez los agregados de polímero) en el enjarre. Por otro lado, los dispersantes reducen la permeabilidad del enjarre del cemento y pueden proporcionar algún grado de control de la filtración en sí mismos.

Densidad de la lechada. La densidad de la lechada tradicionalmente es medida manualmente mediante una balanza presurizada. Sistemas más sofisticados vienen convirtiéndose en más económicos (por ejemplo, una balanza de medición de peso continuo en tubo en U y densómetros radioactivos conectados a una unidad central de registro). Reología de la lechada. La medición de tales parámetros no son realmente ejecutados de manera rutinaria en el pozo. Esto se sujeta al diseño de laboratorio, tomando en consideración únicamente los porcentajes de los aditivos Resistencia compresiva. Esta medición está sujeta exclusivamente a condiciones de laboratorio, las muestras de la lechada son tomadas normalmente para ejecutarse en un laboratorio central como pruebas posteriores al trabajo.

Figura 87 Densómetro por gravedad.

Los trabajos de cementación requieren la medición de varios parámetros, entre éstos: Agua de mezcla. Los volúmenes de agua son medidos en los tanques de desplazamiento, o por medidores de flujo de pulsación electromagnética. Cemento o mezclas de cemento en seco y lechada. El volumen de lechada mezclada y cemento seco son determinados mediante la combinación de agua de mezcla y la densidad de la lechada. Se monitorea continuamente la densidad de lechada que se prepara para lograr el valor de-

116

Actualmente en muy pocas partes del mundo se trabaja con mediciones físicas de la densidad y con sólo el manómetro que nos indique la presión de bombeo al pozo. Las unidades cementadoras cuentan con dos computadoras a bordo, en una de ellas se programan los valores de los parámetros a los cuales se sujetará la operación de cementación y gobernará dichos parámetros, de tal forma que no permitirá el envío de lechada del recirculador al pozo mientras no se ajuste a la densidad programada, por otro lado, no permitirá mayor presión de la máxima programada en la superficie, contándose en la segunda computadora con graficadores de todos los parámetros y un registro en memoria que conservará toda la información relativa a la operación, que puede ser reproducida cuantas veces sea necesario, con la finalidad de esclarecer posibles problemas operativos.

Derivados de la celulosa El primer polímero usado como aditivo de control de filtrado fue una proteína (polipeptina) extraída de frijol de soya. Recientemente, la etilendiamina carboximetil celulosa y otros derivados de la celulosa fueron introducidos. A finales de los años 50 la carboximetil hidroxietil celulosa (CMHEC) fue introducida como un aditivo de la filtración para las lechadas de cemento y aún es ampliamente usado. Recientemente, la ejecución de la CMHEC se ha mejorado. Se han ajustado el grado de sustitución (DS) de 0.1 a 0.7 (carboximetil) y la proporción mol (MS) de óxido de etileno a anhidro glucosa aproximadamente de 0.7 a 2.5. El agente más común para el control de filtrado celulósico es la hidroxietil celulosa (HEC), con un grado de sustitución entre 0.25 y 2.5. Todos los aditivos celulósicos de filtrado tienen ciertas desventajas, pues como suelen ser efectivos viscosificantes del agua, pueden incrementar la dificultad del mezclado de la lechada y causar viscosidad indeseable en la lechada del cemento. A temperaturas menores de 150 °F (65 °C), los aditivos de filtrados celulósicos son retardadores eficientes; se debe tener cuidado para evitar el sobre retardamiento de la lechada. También la eficiencia de los polímeros celulósicos decrece a medida que se incrementa la temperatura. Los agentes de control de filtrado celulósico no se usan a temperaturas de circulación arriba de 200 °F (93 °C). Polímeros sintéticos no iónicos El polivinil pirolidón (PVP) puede emplearse con

formaldehído de naftalen sulfonato condensado como dispersante. También se usa para mejorar el control de filtrado cuando se le adiciona CMHEC o HEC. Las mezclas complejas que contienen polivinil pirolidón, anhídrido maléico - N - vinil pirolidón copolímero y poli (aril vinil benzil) cloruro de amonio que es un policatión, son efectivos aditivos de control de filtrado. Además, el N - vinil pirolidón puede ser copolimerizado con estiren sulfonato para formar un producto con propiedades satisfactorias de control de filtrado. El alcohol polivinílico (PVAL) se usa frecuentemente como aditivo de control de filtrado. Este material es efectivo para aplicaciones a bajas temperaturas, aproximadamente de 100°F (38°C) y menores, debido a que no tiene efecto retardante a temperaturas mayores y es compatible con los aceleradores tales como el cloruro de calcio. Polímeros sintéticos aniónicos Los grupos más importantes de aditivos de filtración de polímeros aniónicos están compuestos de polímeros cortos, derivados de la acril amina (AAm). La poli acrilamina es no iónica y no se usa sola en lechadas de cemento. Los copolímeros de acrilamina muy a menudo descritos en literatura de patente, contienen un monómero sulfonado: 2-acrilamida-2-ácido metil propano sulfónico (AMPS). Para producir agentes de control de filtrado la AMPS ha sido copolimerizada con los materiales siguientes: · Acrilamida · N,N-dimetilacrilamida (NNDMA) Los terpolímeros de la AMPS se usan como se describe: · AMPS + AAm + ácido itacónico (IA) · AMPS + AA + N-metil-N-vinil acetamida (NMVA) · AAm + vinil sulfonato + NMVA · AA(AAm) + NMVA + AMPS La AMPS también puede ser parte de un copolímero o un terpolímero solos o injertados a la columna vertebral de una lignina, asociado con acrilo nitrilo,

Ingeniería de Cementaciones

NNDMA o AA. Estos polímeros complejos trabajan eficientemente como agentes de control de filtrado en lechadas saladas. Los polivinil aromáticos sulfonados, tal como el poliestireno sulfonado (SPS) y el polivinil tolueno sulfonado (SPVT), han sido identificados como buenos agentes de control de filtrado. Una mezcla de SPVT, PNS y un copolímero sulfonado de estireno y anhídrido maléico es efectivo en sistemas de cemento salado. Polímeros Catiónicos La polietilenamina es un ejemplo de un polialquil poliamina, mismo que ha sido ampliamente usado como aditivo de filtración. El rango del peso molecular dentro del cual la polietilenamina es efectiva: de 10,000 a un millón. Su estructura es probable que esté ampliamente ramificada; de tal forma que los tres tipos de grupo aminas (primarias, secundarias y terciarias) deberán estar presentes en la cadena. El dispersante PNS debe estar presente con la polietilenamina para obtener un control de filtrado significativo. Entre los dos polímeros se forma una asociación insoluble para crear partículas, las cuales proporcionan el control de filtrado. La ventaja principal de la polietilenamina como un agente de filtrado es su efectividad a altas temperaturas. Proporciona un excelente control de filtrado a temperaturas de circulación tan altas como 436°F(225°C), como se muestra en la tabla 2: Las pruebas de filtrado se han corrido a presiones FLA % PPC 0.1 0.1 0.13 0.15 0.15 0.15 0.18 0.18 0.18 0.2 0.25 0.25

PNS % ppc

ILMENITA lb/saco

0.5 0.5 0.5 1.0 1.5 1.5 1.0 1.0 1.0 1.2 1.5 1.5

5 30 25 95 70 70

Tabla 2

PESO LECHADA lb/gal 16.2 16.2 16.2 16.8 19.0 20.0 17.4 18.2 18.0 19.2 19.0 19.0

TEMP (°F)

FILT. Cm3

290 315 337 299 380 370 342 370 400 436 380 380

20 30 18 8 34 40 30 90 78 16 10 11

diferenciales de 500 psi (750 psi con 250 psi de contrapresión). Una notable desventaja de la polietilenamina es su tendencia a promover la sedimentación de la lechada. Aunque la sedimentación es previsible, el diseño de la lechada puede dificultarse. La polialilamina ha sido reportada por Roark como un efectivo agente de control de filtrado. En lugar de ser parte de la columna vertebral, el grupo amina es derivado de ésta. Este material puede ser ligeramente cruzado para disminuir la sedimentación de la lechada. La tabla siguiente muestra el control de filtrado ejecutado con la polialilamina de dos pesos moleculares. PESO MOLECULAR 10.000 150.000

FILTRADO API cm3/30 min 121 142

En esta tabla se muestra la comparación del filtrado de dos pesos moleculares diferentes. Con polímeros polialilamina, adicionados al 2% ppc con 0.66% de lignosulfonato, las pruebas de filtrado se ejecutaron a 150 °F (66 °C) usando cemento clase G. Diversos radicales de amonio cuaternario o monómeros sulfonados pueden ser copolimerizados con varios materiales para obtener efectivos agentes de control de filtrado. A continuación se describen varios productos de este tipo: · Cloruro alquil amonio o cloruro sulfónico · Cloruro dimetil dialil amonio · Cloruro metacrilamida propil trimetil amonio El alquil amonio y los cloruros sulfónicos son copolimerizados con vinilbenzeno para obtener poliaril-vinilbenzeno alquilamonio o cloruros sulfónicos. El DMDAAC es copolimerizado con ácido acrílico (AA) o ácido metacrílico. El MATAC es copolimerizado con sulfonato de estireno (SS) o acrilamida (AAm), tales materiales son polímeros amfolíticos cargados negativamente y positivamente a pH tan altos como la fase acuosa de una lechada de cemento Portland.

las propiedades de la lechada se ven afectadas, no sólo por la proporción entre cemento, agua y aditivos, sino también por el esfuerzo cortante que ocurre durante el mezclado. La operación apropiada de la unidad de mezclado debe resolver los problemas de proporción entre la mezcla de cemento y el agua de mezcla: la proporción correcta le dará a la lechada la densidad esperada y otras propiedades del diseño. La verificación continua de la densidad de la lechada es esencial; sin embargo, algunas fluctuaciones de la densidad durante el mezclado son inevitables. Tiempos prolongados de mezclado y grandes volúmenes de lechada provocan lechadas más homogéneas. Finalmente, la lechada debe ser hecha con la cantidad apropiada de esfuerzo cortante, la cual es una función de la energía de mezclado y tiempo de mezclado. Dado que la bomba centrifuga es un mecanismo cortante ideal, es recomendable incrementar el volumen de lechada que se recircula. Los recirculadores mezcladores están disponibles en una gran variedad de configuraciones, montados en patines fijos, camiones y trailers, con máquina diesel o eléctrica, con diferentes dimensiones. Las cementadoras tienen ciertas características comunes en sus sistemas de mezclado. Un tanque de surgencia que ayuda a mantener una alimentación uniforme de la mezcla seca del cemento, con un rango de capacidad de 1.5 a 4.0 m3. Un recirculador con mezclador de toberas de alta energía. Uno o dos tanques de homogeneización con rango de capacidad de 6.3 a 50 bl. Las dimensiones de las unidades más grandes están limitadas por su transportabilidad. Dos bombas centrífugas de recirculación (o solamente una en las unidades más pequeñas), con un gasto máximo de desplazamiento de hasta 25 bls/ min. (4 m3 /min.) Ambas bombas pueden efectuar cualquiera de las dos actividades, recircular la lechada para mejorar el esfuerzo cortante y homogeneizarla o alimentar la lechada a la bomba de alta presión para enviarla al pozo. Un par de agitadores de paletas, actuadas hidráulica o eléctricamente, para mantener la homogeneidad.

Un múltiple suficientemente versátil para usarse en una variedad de combinaciones. En algunos casos particulares, como trabajos chicos, o cuando las proporciones de aditivos y la densidad de la lechada son muy críticas, el volumen total de lechada necesaria para terminar el trabajo (incluyendo el exceso usual), es preparado antes de ser bombeado al pozo. Los aditivos líquidos no son adicionados de forma medida y controlada computarizada, en su lugar son vertidos directamente dentro del tanque, o adicionados a través del mezclador de tobera. Bombas de alta presión Todas las bombas de alta presión son del tipo reciprocante con tres tapones (tríplex) o cinco tapones (quintúplex) y las válvulas de succión y descarga son accionados por un resorte de carga. La transformación del movimiento rotacional de la flecha de mando, correspondiente al movimiento reciprocante, de los tapones (pistones), es generalmente consumado por un cigüeñal conectado a un sistema de bastón de mando o algunas veces por una placa motriz, conectado al sistema de bastón de mando. Estas bombas incluyen un reductor de relación de velocidad fijada internamente. Dependiendo del fabricante y del modelo la longitud de los tapones puede variar de 5 a 10 pg (12.5 a 25 cm). La eficiencia global de las bombas no es mayor del 85 al 90 %. Si es presurizada adecuadamente, la eficiencia volumétrica puede adquirir el 98 % con agua a un 80 % de máxima velocidad. La construcción es particularmente robusta, permitiendo a la bomba el manejo de lechadas más pesadas y abrasivas. Convertibilidad En función del fabricante, el tamaño de una bomba puede ser alterado mediante el cambio del ensamble de la terminal hidráulica o los tapones y sistemas de empaques que usan adaptadores para la unión de la parte hidráulica con el cuerpo de la bomba. La alteración en las medidas cambia la presión y rango de flujo sin modificar la máxima potencia disponible. Los tapones hidráulicos usados en cementación usualmente tienen un diámetro entre 3 y 6 pg.

115

Ingeniería de Cementaciones

Este tipo de unidades se utiliza con coples soltadores con perfiles adecuados.

Desde entonces se han realizado mejorías considerables, tanto en equipo como en técnica.

Cuando se instalan las unidades recuperables, en el niple pulido los candados que tiene no permiten que se salga de su posición, sólo hasta que se levante el Soltador al terminar la operación de cementación ya que el niple tiene un diámetro menor en su parte inferior en donde los candados se liberan, permitiendo sacar la herramienta, (figura 83).

Antes de 1940, el cemento se distribuía en sacos, que se cortaban en la localización y se vaciaban en tinas que hacían las veces de homogeneizador de las lechadas de cemento; se bombeaban pozo dentro con unidades montadas en carretones y movidos por máquinas de vapor.

Zapata flotadora con doble válvula La selección del equipo de flotación para un trabajo de TR corta es mucho más crítica que para una cementación de tubería de revestimiento. Fallas en el equipo de flotación provocan costosos trabajos de reparación. La guía de la zapata dirige a la tubería a través de las irregularidades del agujero y está diseñada para apoyarse en el fondo en caso de tener que asentar la TR corta en esas condiciones, pues se puede circular por sus orificios laterales. Cuenta con dos válvulas de contrapresión, permitiendo una seguridad extra durante las operaciones La parte inferior de la zapata cuenta con aletas para facilitar su introducción, también se puede proporcionar sin ellas si así lo requieren las condiciones del pozo. Todas sus partes internas son fabricadas con materiales fácilmente perforables. (Figura 84). XIV. DESARROLLO HISTÓRICO DE LAS UNIDADES CEMENTADORAS

A través de los años, la industria petrolera ha exigido constantes cambios en los equipos de cementación para proveerlos de mayor versatilidad y potencia, pero también han alcanzando mayores presiones y gastos. Debido a las condiciones cada vez más difíciles de explotación, el cementar pozos más profundos y con mayores volúmenes de lechadas de cemento, surgió la práctica de mezclado continuo y con ello el desarrollo de las unidades cementadoras.

Reductores de densidad Los reductores de densidad incrementan el rendimiento y reducen la densidad de la lechada. Tienen la habilidad de manejar grandes volúmenes de agua. Esta característica se aprovecha cuando se desean cubrir columnas largas con cemento, sin llegar a rebasar la presión de fracturamiento, pues al usar grandes volúmenes de agua, se reduce la densidad de la lechada; además, son mezclas más económicas.

3. Metasilicato de sodio anhidro Este expandidor es muy eficiente y económico. Es compatible con el mayor número de aditivos químicos; maneja un porcentaje variable de agua en función del porcentaje que se utilice. Se dosifica del 1 al 3% por peso de cemento.

Estos productos reducen la resistencia a la compresión inmediata, por lo mismo, debe tenerse mucho cuidado al emplearlos en operaciones prácticas de campo para no dosificarlos en concentraciones que den valores de resistencia a la compresión inferiores a los 35 kg./cm2, mínimo estimado para cementos con aditivos en 24 horas para soportar la tubería de revestimiento.

Existen otros agentes reductores de densidad, tales como el spherelite o el kolite.

Unidades cementadoras

Los agentes que se usan comúnmente son:

1. Barita

Los sistemas de mezclado por volumen y el de medición de aditivos líquidos han sido diseñados para resolver los problemas de proporción encontrados con los materiales de cementación. Sin embargo,

1. Bentonita

Tiene un peso específico de 4.23 gr/cm3 y requiere 22% de agua de su propio peso. No tiene influencia en el tiempo de bombeo, pero es recomendable correr pruebas de tiempo de espesamiento en cada caso. Se dosifica del 20 al 40% por peso de cemento, donde se desea usar una lechada de alta densidad.

Requiere el 530% de agua de su propio peso; es decir, 5.3 litros de agua por Kg de bentonita; se puede dosificar hasta un 4% por peso de cemento (ppc) sin que perjudique al producto fraguado, dado que en concentraciones mayores el cemento hidratado presenta en corto tiempo una regresión de su resistencia a la compresión por la alta hidroscopía de la bentonita presente. 2. Puzolana

Figura 85.

Con esto, se demuestra la no-regresión de la resistencia mencionada, por efecto de temperatura moderadamente alta.

Son cenizas volcánicas que por sí solas no tienen características cementantes, pero que mezcladas con el cemento, reaccionan con la cal libre de éste y las adquieren.

Densificantes Son materiales químicos inertes, de alto peso específico y que manejan poco agua. Los densificantes comúnmente empleados son:

2. Limadura de fierro Este producto tiene un peso específico de 5.02 gr/cm3 y requiere el 3% de agua de su propio peso. Se emplea hasta el 50% por peso de cemento, dependiendo del peso que se desea obtener de lechada.

El primer trabajo de cementación del que se tiene registro se hizo en 1903 en un pozo de aceite, en California, EU. Se realizó con 50 sacos de cemento, mezclados y vaciados al pozo para controlar un flujo de agua.

El cemento fraguado que contiene puzolana contrae algunas características que son benéficas, como:

Otro procedimiento que se emplea para aumentar la densidad de lechada es reducir el agua de mezcla, adicionando un agente reductor de fricción para disminuir el efecto de incremento de viscosidad.

· Plasticidad, pues soporta vibraciones y golpes de tubería al seguir perforando.

Agentes de control de regresión de la resistencia a la compresión (harina de sílice)

Sin embargo, no fue sino hasta 1910 cuando la cementación moderna nació cuando Perkins introdujo su técnica de cementación con dos tapones.

· Evita resquebrajamiento del anillo de cemento al efectuar los disparos en las zonas de interés.

114

Figura 86.

· Alta resistencia a la compresión secundaria.

Estos agentes evitan la regresión de la resistencia a la compresión por efectos de la temperatura. Son silicatos de alta pureza, con una textura que va de malla 100 a 325 para poder tener una distribución grande y homogénea en el cuerpo del cemento;

Ingeniería de Cementaciones

normalmente se dosifican al 35% por peso de cemento y requiere el 40% de agua de su propio peso para la malla 325, para la malla 100 no requiere agua.

mente la tensión de la interface, evitando la formación de emulsiones estables y el hinchamiento de las arcillas de la formación.

En pozos geotérmicos con temperaturas mayores (hasta de 600°F (315°C) se emplea harina de sílice al 50% (malla 325).

Todas las expansiones de cemento obtenidas con cloruro de sodio y con cloruro de potasio son controladas. Así no se presentan agrietamientos en el cuerpo del cemento.

Aditivos especiales Antiespumantes Agentes expandidores del cemento fraguado Debido a la velocidad con que se maneja el cemento en el campo cuando se está haciendo la lechada (aproximadamente 1 tonelada por minuto), el cemento tiende a mantener gran cantidad de aire. Esto propicia que el control de densidad de la misma sea erróneo; asimismo, algunos de los productos químicos ayudan a mantener el aire dentro de la mezcla y dificultan el trabajo de las bombas de alta presión con que se maneja ésta para ser bombeada al pozo. El problema se minimiza mediante el uso de los agentes antiespumantes, los que eliminan la mayor parte de burbujas de aire. Generalmente, son sales orgánicas ácidas de solubilidad media y se dosifican del 0.2 al 0.3% por peso de cemento. Los antiespumantes son aditivos que dilatan el producto hidratado, sin que esto sea originado por efecto de temperatura. Los expandidores empleados comúnmente son · Cloruro de sodio. Su máxima dilatación se obtiene al 18% por peso de agua y a concentraciones mayores se obtiene ligera contracción del cemento fraguado. · Cloruro de potasio. Este producto, además de ser un eficiente estabilizador de arcillas, al 5% por peso de agua de mezcla exhibe la misma dilatación que el 18% de cloruro de sodio en el cemento. Otra característica positiva del cloruro de potasio es que al 2% por peso de agua hace que el filtrado de las lechadas que lo contienen sea compatible con la mayoría de los aceites, porque reduce considerable-

La herramienta completa consiste de un vástago, canasta protectora y niple de extensión pulido. Una vez que se ha operado un colgador, basta con cargar un peso aproximado de 3000 a 5000 lb sobre el colgador y girar a la derecha de 12 a 15 vueltas, para liberarla. (Figura 79).

· Sulfato de calcio anhidro solo o combinado con cloruro de sodio. Se usa en la dilatación del cemento fraguado del 3 al 5% por peso de cemento. Estas mismas concentraciones complementadas con cloruro de sodio al 18% por peso de agua, proporcionan máxima eficiencia en la expansión lineal. Problemas más frecuentes con las cementaciones · Baja eficiencia en el desplazamiento, que conduce a una pobre calidad de las cementaciones primarias · Diseños de lechadas demasiado complejos, que se tornan altamente costosos y poco eficientes · Bajo Porcentaje de éxito en la colocación de tapones balanceados · Diversificación de los cementos empleados, con pobre control de calidad. · Pérdida de circulación · Migración de gas III. CEMENTACIÓN PRIMARIA Cómo obtener la información del pozo Para lograr un buen desarrollo operativo en cada una de las etapas de la cementación primaria se deben conocer conceptos técnicos básicos del tema. Así, es necesario adentrarse en tópicos como: · Especificaciones de tuberías de revestimiento (TR) que se utilizan en el área de trabajo · Diseño de TR por cargas máximas · Accesorios y equipos de flotación para tuberías superficiales, intermedias, explotación y complementos · Apriete computarizado · Anclaje de las tuberías · Lechadas de cemento para las diferentes cementaciones · Empacadores recuperables y permanentes · Manejo de H2S y CO2 en las cementaciones · Uso de empacadores en tuberías de explotación.

Figura 82.

Herramienta soltadora para operar con un colgador mecánico o hidráulico rotando durante su introducción Está diseñada para operar un colgador mecánico con "J" derecha, o bien para rotar una TR corta durante su introducción, cuando se utiliza un colgador hidráulico; para ambos casos es necesario el empleo de un cople soltador o de un empacador de boca de TR corta que cuenten con un perfil apropiado. (Figura 80). Tapón desplazador anti-rotacional Diseñado para limpiar el interior de la tubería de perforación; puede trabajar en diferentes diámetros de la misma tubería. Sigue al cemento durante el desplazamiento, lo separa del lodo y se aloja en el tapón limpiador; se ancla y se sella para formar juntos un tapón sólido. Su diseño anti-rotacional facilita la operación de molienda. (Figura 81). Tapón limpiador anti-rotacional Diseñado para limpiar el interior de la tubería de revestimiento corta.

Figura 83.

Se instala en el extremo inferior del aguijón pulido de la herramienta soltadora. En su interior recibe el tapón desplazador, que juntos forman un tapón sólido que viaja por toda la TR, limpia su interior y separa al cemento del lodo, hasta alojarse en el cople de retención, en donde forma un sello de contra-presión mientras termina de fraguar el cemento. Su diseño anti-rotacional facilita la operación de molienda. Unidad de sellos recuperable Provee de un sello positivo entre la herramienta soltadora y la TR corta durante las operaciones de circulación y de cementación. Los sellos resisten altas temperaturas y presiones diferenciales. Figura 84.

113

Ingeniería de Cementaciones

Colgadores para TR cortas Herramienta para activar el empacador de BL Se utiliza cuando se baja un empacador de BL operado con peso.

La información del pozo se consigue de su expediente y es la base para diseñar la sarta de la tubería de revestimiento por cementar. Con la información del diseño, el ingeniero de campo verifica en el pozo que los materiales recibidos correspondan al diseño. Aquí se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos: · Revisar especificaciones de los accesorios (tipo, marca, grado, peso y diámetro) · Verificar circulaciones y reología del fluido de control · Revisar probables resistencias con la barrena. · Verificar que el volumen de lodo sea suficiente para la operación de cementación, tomando en cuenta probables pérdidas · Realizar entrevista con el ingeniero de proyecto, para verificar las condiciones del pozo:

Figura 78.

Se encuentra disponible en diámetros API, y especiales también, en los grados y pesos que se requieran. (Figura 77).

Figura 80.

Se puede usar en combinación con varias herramientas soltadoras. Durante la introducción de la TR corta, esta herramienta va dentro de la extensión del empacador de BL. Después de la cementación de la tubería, se levanta para que salgan los "perros" los cuales se posicionan en la parte superior del empacador para aplicar peso y activar el empacador, figura 78.

Figura 81

Herramienta soltadora para colgadores y empacadores que no requieren conjunto de "perros"

Figura 79.

112

Es utilizada para correr y operar colgadores y empacadores de boca de TR corta que no requieren del conjunto de perros.

. . . .

Tiempo de circulación, presión y gasto Diámetro de combinaciones que se van a utilizar Densidad del lodo de entrada y salida (reología) Peso de la polea viajera durante la introducción de la TR para verificar su peso . Condiciones de las bombas de lodo (dimensiones, camisa, pistón y eficiencia) . Debe asegurarse que las líneas superficiales queden limpias de sólidos para el buen suministro de agua y lodo. Cementación de las diferentes tuberías de revestimiento Es importante contar con un manual de procedimientos operativos que facilite y sirva de guía a los ingenieros de nuevo ingreso; asimismo normar operaciones para que en lo sucesivo se realicen como se indica y tratar de evitar problemas durante la operación en los pozos. El objetivo principal es presentar la secuencia operativa que se ha de seguir en las cementaciones de las tuberías para mejorar la eficiencia en la operación de campo, disminuir los problemas que se presentan, el cuidado en el entorno ecológico y el ahorro de nuestros recursos económicos. Cementación de tuberías de revestimiento superficiales La función principal de la cementación de estas tuberías es aislar formaciones no consolidadas y evi-

tar la contaminación de mantos acuíferos que se encuentren a profundidades someras; mantener el agujero íntegro y evitar la probable migración de aceite, agua y gas de alguna arena productora superficial, además de permitir la continuación de la etapa de perforación. Es importante señalar que se incluye en las tuberías de revestimiento superficiales a la tubería conductora. Su función principal es la de permitir la circulación y evitar derrumbes de arenas poco consolidadas, además de ser el primer medio de circulación de lodo a la superficie. Esta tubería de revestimiento puede cementarse o hincarse según lo permita el terreno. Los rangos de estas TR superficiales van de 9 5/8" a 30". El filtrado promedio (Q30 ) es de 150-200 cm3/30 min. En esta etapa se instalan los preventores para el control del pozo. Uno de los problemas que frecuentemente se encuentra en esta etapa es el bajo gradiente de fractura. Para esto hay que tener un buen diseño de lechada y evitar en la cementación una pérdida de circulación; así también hay que evitar el colapso de la tubería de revestimiento debido a la carga hidrostática generada por la lechada en el espacio anular. Las bajas temperaturas de la formación prolongan los tiempos de fraguado del cemento; además, la irregularidad del agujero por condiciones del tipo de formación dificulta durante la operación obtener una eficiente remoción del lodo. Cementación de tuberías de revestimiento intermedias Esta tubería es necesaria para mantener la integridad del pozo al continuar la perforación para profundizarlo. Sus rangos de diámetro varían de 6 5/8" a 13 3/8" y su profundidad de asentamiento varía de 300 a 4,600 m. Normalmente es la sección más larga de las tuberías en el pozo y van corridas hasta la superficie, por lo cual los preventores se instalan en estas tuberías para perforar las siguientes etapas. Estas sartas generalmente se emplean para cubrir zonas débiles que pueden ser fracturadas con densidades de lodo mayores, que son necesarias al profundizar el pozo y así evitar pérdidas de circulación. También aíslan zonas de presiones anormales y la cementación se puede realizar con una sola lechada o con dos diseños si el pozo y el gradiente de fractura lo requieren. Su filtrado (Q30) es de 100 - 150 cm3/-30 min.

Ingeniería de Cementaciones

Cementación de tuberías de revestimiento de explotación La sarta de explotación es el propio pozo y la profundidad de asentamiento de esta tubería es uno de los principales objetivos. Esta tubería sirve para aislar los yacimientos de hidrocarburos de fluidos indeseables, pero deben conservar la formación productora aislada. Es, también, el revestimiento protector de la sarta de producción y otros equipos usados en el pozo. La cementación de esta sarta de tubería es objeto de cuidados minuciosos debido a la calidad exigida y a los atributos requeridos para considerarse como una operación exitosa. El aislamiento eficiente de esta tubería nos permite efectuar apropiadamente tratamientos de estimulación necesarios para mejorar la producción del pozo. IV. DISEÑO DE LABORATORIO Y RECOMENDACIONES GENERALES Diseño de laboratorio Todos los procedimientos de pruebas de laboratorio son establecidos por el American Petroleum Institute (API) en sus especificaciones Spec 10, 10A y 10B y en función de la Normatividad de Materiales que se van a emplear. Tubería conductora Para la cementación de la tubería conductora los requerimientos son mínimos, debido a la poca profundidad de asentamiento de esta sarta (promedio 50m). De hecho, únicamente dos factores deben cumplirse: 1. El tiempo de bombeo, el cual debe ser suficiente para efectuar la preparación de la lechada bombeando al pozo y el desplazamiento de la misma. 2..El desarrollo de la resistencia a la compresión a las 8 horas que debe ser mínimo de 105 kg/cm2 en condiciones ambientales de presión y temperatura.

Ingeniería de Cementaciones

Cuando hablamos del tiempo mínimo necesario para la operación, consideramos el tiempo para hacer la lechada bombeando al pozo, a una velocidad de mezclado de 0.5 a 0.75 ton/min., más el tiempo de desplazamiento a un gasto moderado de 4 a 5 bl/ min. y un factor de seguridad de 1 hora adicional. Como se puede observar, ambos parámetros están íntimamente ligados pues si controlamos el tiempo de bombeo, ajustado al mínimo necesario para efectuar con seguridad el trabajo, automáticamente estamos favoreciendo el desarrollo de la resistencia a la compresión del cemento. Cuando se emplea cemento clase G o H es posible que se requiera de un aditivo que acelere la velocidad de reacción de hidratación del cemento acortando el tiempo de bombeo y favoreciendo el desarrollo de la resistencia a la compresión, todo depende de la cantidad de cemento que se va a emplear. En estas operaciones generalmente se usa cemento solo y agua, como se mencionó anteriormente, un aditivo acelerador para ayudar al desarrollo de compresión. También se puede adicionar un frente lavador de agua sola, con pirofosfato tetrasódico, o, en su caso, cualquier frente lavador disponible comercialmente. Tubería superficial Para perforar la sección del pozo donde se introducen las tuberías superficiales, se emplean fluidos de control con densidades bajas, debido a que el agujero atraviesa zonas poco consolidadas que no soportan cargas hidrostáticas mayores. En la cementación de esta tubería de revestimiento se emplean generalmente dos lechadas de cemento: Una lechada extendida con: 1. La mayor densidad posible sin perder de vista evitar fracturar la formación. Los silicatos de baja gravedad específca por naturaleza y con alto requerimiento de agua, como: las puzolanas activadas, la esferelita, la kaolinita, la perlita, las tierras diatomacias o, en su defecto, el metasilicato de sodio anhidro que es un agente extendedor de lechada empleado para disminuir la densidad.

Figura 77.

mienta soltadora y con un colgador rotatorio, para rotar después de anclado el colgador.

Figura 76.

Soltar la TR corta después de operado el colgador. Provee un sello efectivo en la boca de la TR corta. Los sellos con los que cuenta esta herramienta son activados al aplicar peso de la TP por medio de la sección con perros de la herramienta soltadora. Tiene una extensión o receptáculo (puede ser de 3', 6', 10' o más de longitud), para una futura extensión de la tubería. Cuenta con un perfil especial, que en combinación con la herramienta soltadora y colgador hidráulico permite que la TR corta pueda ser rotada durante su introducción, para alcanzar la profundidad deseada. También se utiliza con un colgador mecánico con "J" a la derecha. También se utiliza en combinación con otra herra-

Presenta un receso en donde se alojará la unidad de sellos recuperable, para formar un sello hermético y asegurar que la operación sea por la parte inferior del sistema. (Figura 76). Empacador para Boca de Liner con Unidad de Sellos Recuperables Esta herramienta es muy versátil, pues reúne varias funciones: Soltar la TR corta después de operado el colgador. Provee un sello efectivo en la boca de la TR corta. Los sellos con los que cuenta esta herramienta son activados al aplicar peso de la TP por medio de la sección con perros de la herramienta soltadora. Cuenta con una extensión o receptáculo (puede ser de 3', 6', 10' o más de longitud), para una futura extensión de la tubería. Cuenta con un receso donde se alojará la unidad de sellos recuperable, para formar un sello hermético y asegurar que la operación sea por la parte inferior del sistema.

111

Ingeniería de Cementaciones

(puede ser de 3', 6', 10' o más de longitud), para una futura extensión de la tubería.

2. El diseño de esta lechada se ajusta a un valor de filtrado. Para lograrlo se emplea un agente controlador de filtrado especial para lechadas extendidas, combinado con un porcentaje bajo 0.2 % de un agente fluidizante que ayude al agente de control de filtrado. Se deben dispersar las partículas sólidas para obtener una mejor distribución de éstas en la lechada, y cuidar que no se origine asentamiento de sólidos y liberación de agua. Se tiene preferencia por un valor del orden de 150 cm3/30 minutos, o menor, a temperatura de circulación de fondo.

2. Tiene un perfil especial, que en combinación con la herramienta soltadora adecuada y colgador hidráulico, permite que la TR corta pueda ser rotada durante su introducción, para alcanzar la profundidad deseada. También se utiliza con un colgador mecánico con "J" a la derecha. 3. También se utiliza en combinación con otro tipo de herramienta soltadora y con un colgador rotatorio, para rotar después de anclado el colgador. Tiene un receso en donde se alojará la unidad de sellos recuperable, para formar un sello hermético y asegurar que la operación se hará por la parte inferior del sistema. (Figura 74).

Figura 75.

Empacadores para boca de TR corta con unidad de sellos molible

Herramienta de tolerancia reducida en el espacio anular, diseñada para obtener un sello efectivo y resistente para altas presiones en las bocas de TR cortas, cementadas o no.

Esta herramienta es muy versátil, pues combina varias funciones:

nela que garantiza un aislamiento del sistema al terminar las operaciones.

1. Soltar la TR corta después de operado el colgador. 2. Provee un sello efectivo en la boca de la tubería. Los sellos con los que cuenta esta herramienta son activados al aplicar peso de la T.P. por medio de la sección con perros de la herramienta soltadora. 3. Cuenta con una extensión o receptáculo (puede ser de 3', 6', 10' o más de longitud) para una futura extensión de la tubería. 4. Tiene un perfil, que en combinación con la herramienta soltadora y colgador hidráulico, permite que la TR corta pueda ser rotado durante su introducción y así alcanzar la profundidad deseada. 5. También se utiliza con un colgador mecánico con "J" a la derecha.

Se encuentra disponible en diámetros API, y especiales también, en los grados y pesos que se requieran.

También se utiliza en combinación con otro tipo de herramienta soltadora tipo y con un colgador rotatorio, para rotar después de anclado el colgador. Cuenta con un sistema de sellos tipo chevron, para efectuar un sello hermético con el aguijón pulido que permita efectuar las operaciones de introducción y cementación además de una válvula de char-

110

Empacador para boca de tubería de revestimiento corta para Instalarse después de cementado El empacador se corre después que la TR ha sido asentada o colocada en su posición, para permitir el máximo flujo anular durante la cementación. Este empacador se aloja y sella con los sellos chevron en el receptáculo previamente instalado. La unidad de sellos actúa contra la TR, aislando la boca de la TR corta y reteniendo altas presiones tanto por arriba como por abajo. Se encuentra disponible en diámetros API, y especiales también, en los grados y pesos que se requieran. (Figura 75). Empacador para boca con embrague y unidad de sellos recuperable Esta herramienta es muy versátil, pues combina varias funciones:

3. Fluidez. Normalmente las lechadas extendidas emplean una relación alta de agua/cemento. Esto origina que la viscosidad tenga valores bajos y no requiera la adición de más agente fluidizante que el empleado conjuntamente con el agente de control de filtrado. 4. El tiempo de bombeo se regula usando un agente retardador de fraguado para temperaturas bajas o moderadas, con un tiempo de bombeo equivalente al tiempo mínimo necesario para la operación. Es decir, el tiempo necesario para preparar y bombear la lechada a una velocidad de mezclado de 1 ton/min, más el tiempo de desplazamiento de la lechada al espacio anular al gasto máximo permisible, de acuerdo con el gasto determinado por el sistema computarizado de análisis hidráulico, más un factor de seguridad en tiempo de 1 hora; en los casos en donde este tiempo total sea mayor o igual a 5:30 horas, por el volumen de cemento empleado, se debe efectuar el trabajo con dos o más unidades cementadoras. 5. El contenido de agua libre de la lechada deberá tener, invariablemente, un valor de 0 cm3, debido a que la liberación de agua generalmente está acompañada de precipitación de sólidos. En otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor numérico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser no-newtoniano para convertirse en newtoniano. Cuando sucede este fenómeno con lechadas extendidas, se debe aumentar el porcentaje del agente extendedor o cambiarlo por otro que tenga mayor capacidad de manejo de agua. 6. Por otro lado, la resistencia a la compresión desarrollada por esta mezcla no debe tener valores inferiores a los 35 kgs/cm2, en un tiempo de 12 hrs

de reposo a las condiciones de fondo. Este cemento cubre la mayor longitud de la tubería que se va a cementar. La segunda lechada con: 1. Densidad normal, es decir se emplea el requerimiento API de agua normal de la mezcla. El API marca en su normatividad Spec 10 que el agua normal es aquélla en la que la lechada obtiene 11 Uc a los 20 min. después de agitarse en el consistómetro de presión atmosférica a condiciones ambientales de presión y temperatura. 2. Se regula el filtrado con un agente de control para lechadas con densidad normal y un dispersante a una concentración baja del orden de 0.2 o 0.3 % por peso de cemento, bajo condiciones de temperatura de circulación de fondo, para obtener una mejor distribución del tamaño de partícula y ayudar al agente de control de filtrado en su trabajo, así se vuelve impermeable el enjarre del cemento formado. 3. Después de obtener el valor de filtrado deseado, se procede a mejorar la fluidez de la lechada; se aumenta un poco el porcentaje del agente dispersante, de tal manera, que se reduzcan al máximo las pérdidas de presión debidas a la fricción durante el desplazamiento en el espacio anular. Es importante considerar, cuando se pondera este parámetro, que de acuerdo con las investigaciones en laboratorios de reología, la eficiencia del desplazamiento se mejora cuando el cemento viaja en el espacio anular a una velocidad mínima de 80 m/min, 1.33 m/seg, 4.37 pie/seg, y a medida que se incrementa esta velocidad, la eficiencia aumenta. Con las características reológicas del fluido, a temperatura de circulación de fondo y la geometría del pozo, se calculan el gasto, las pérdidas de presión por fricción y la presión de fondo de cementación. Esta última se debe vigilar durante toda la operación, para que su valor no llegue a ser igual o mayor que la presión de fractura de la formación. 4. El tiempo de bombeo debe considerar únicamente el tiempo de mezclado y bombeo de este último cemento, a una velocidad de 1 ton/min, más el tiempo de desplazamiento al mayor gasto posible sin fracturar la formación y un factor de seguridad máximo de 1hora.

Ingeniería de Cementaciones

5. El contenido de agua libre de la lechada debe tener, invariablemente, un valor de 0 cm3, debido a que la liberación de agua generalmente está acompañada de precipitación de sólidos. En otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor numérico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser nonewtoniano para convertirse en newtoniano. 6. Debe desarrollar alta resistencia a la compresión bajo condiciones de temperatura estáticas de fondo, dentro de las primeras 12 horas de reposo después del desplazamiento, debido a que sirve de amarre a la zapata; este cemento comúnmente se proyecta para cubrir de 300 a 400 metros del fondo hacia arriba. Tubería intermedia En la perforación del agujero en donde se introducen las tuberías intermedias, también se emplean fluidos de control de baja densidad, del orden de 1.40 gr/cm3, debido a que se atraviesan zonas débiles poco consistentes. Los procedimientos de diseño de esta lechada son similares a los descritos para las tuberías de revestimiento superficiales, es decir: En la cementación de esta tubería de revestimiento se emplean, generalmente, dos lechadas de cemento: Una lechada extendida con: 1. La densidad de 1.60 gr/cm3 sin perder de vista la posibilidad de llegar a fracturar la formación y, por otro lado, que la resistencia a la compresión desarrollada por esta mezcla no caiga a valores inferiores a los 70 kg/cm2 en un tiempo de 12 a 24 hrs de reposo, bajo las condiciones de fondo. Este cemento cubre la mayor longitud de la tubería que se va a cementar en el espacio anular. El agente extendedor de lechada empleado para disminuir la densidad puede ser un silicato de baja gravedad específica por naturaleza y con alto requerimiento de agua, tales como las puzolanas activadas, la esferelita, la kaolinita, la perlita o las tierras diatomacias. 2. El diseño de esta lechada es similar al descrito anteriormente para tuberías superficiales, correspondiente al cemento de baja densidad.

Ingeniería de Cementaciones

La segunda lechada con: 1. Densidad normal, es decir se emplea el requerimiento de agua normal de la mezcla. 2. El diseño de esta lechada es similar al descrito anteriormente para tuberías superficiales, correspondiente al cemento de densidad normal. Con las características reológicas del fluido a temperatura de circulación de fondo y la geometría del pozo, se calcula: el valor de velocidad en el anular, el gasto, las pérdidas de presión por fricción y la presión de fondo de cementación, que se debe vigilar durante toda la operación, para que no llegue a ser igual o mayor que la presión de fractura de la formación. En algunas tuberías intermedias que se cementan a temperaturas estáticas de fondo superiores a los 100ºC, el diseño de las lechadas requiere de la adición de harina de sílice, para atacar el efecto de regresión de la resistencia a la compresión por temperatura. Se debe emplear para este fin, un 35 % de harina de sílice por peso de cemento.

La selección del cople flotador debe ser compatible con la zapata flotadora. (Ver figura 71).

1. Soltar la tubería corta después de haber operado el colgador.

Su diseño anti-rotacional facilita la operación de molienda, y todas sus partes interiores son fabricadas con materiales fácilmente perforables.

2. Cuenta con una extensión o receptáculo (puede ser de 3', 6', 10' o más de longitud) para una futura extensión de la tubería.

Cople flotador

3. Cuenta con un receso donde se alojará la unidad de sellos recuperable, para formar un sello hermético y asegurar que la operación sea por la parte inferior del sistema. (Figura 73).

La selección del equipo de flotación para un trabajo de tubería corta es mucho más crítica que para una cementación de tubería convencional. Fallas en el equipo de flotación pueden resultar en costosos trabajos de reparación. (Figura 72). El empleo de los coples flotadores es opcional y son utilizados para proveer la seguridad de una válvula de contra presión extra.

Tubería de explotación En la mayoría de los pozos del sistema, la primera tubería de revestimiento de explotación cementada es una tubería corta de 7" de diámetro y la segunda es una tubería corta de 5 ½ A 3 ½ pg de diámetro. En la cementación de estas tuberías de revestimiento se emplean las siguientes alternativas de lechada: Lechadas con densidad normal - Densidad. Debido a la profundidad de asentamiento de estas sartas, se requiere de la adición de harina sílica malla 325 para evitar la regresión de la resistencia a la compresión. En este caso, la densidad es de 1.93 gr/cm3 con cemento clase "H" y 52% de agua por peso de cemento. - Control de filtrado. Se procede a moderar el filtrado empleando un agente de control de filtrado para lechadas de densidad normal, combinado con un porcentaje bajo de un agente fluidizante del orden de 0.3% por peso de cemento. El valor que se debe obtener es de aproximadamente 50cm3/30min. bajo una presión diferencial de 1,000 psi.

Figura 73.

La selección del cople flotador debe ser compatible con la zapata flotadora. Se instala normalmente uno o dos tramos arriba de la zapata flotadora.

Figura 74.

Todas sus partes internas son fabricadas con materiales fácilmente perforables.

Cople soltador con embrague y perfil para alojar unidad de sellos recuperable

Cople soltador con perfil para alojar unidad de sellos recuperable.

Herramienta que combina varias funciones:

1. Soltar la TR corta después de haber operado el colgador. Presenta una extensión o receptáculo

109

Ingeniería de Cementaciones

- Fluidez. Con el filtrado controlado, se procede a mejorar la fluidez de la lechada, aumentando un poco el porcentaje de fluidizante a manera de reducir al máximo las pérdidas de presión por fricción durante el desplazamiento en el espacio anular. Es importante tomar en consideración durante la ponderación de este parámetro, que de acuerdo con las investigaciones en laboratorio de reología, la eficiencia del desplazamiento se mejora cuando el cemento viaja en el espacio anular a una velocidad mínima de 80 m/min, 1.33 m/seg., 4.37 pie/seg. y a medida que se incrementa esta velocidad, la eficiencia mejora.

Colgador mecánico con 6 cuñas y "J" derecha El diseño de este colgador es integral, o sea que es de un cuerpo sólido sin soldaduras ni conexiones internas, con lo que se elimina la posibilidad de fugas. Permite un máximo de capacidades, tanto a presión interna como de carga. Este tipo se recomienda para utilizarse en profundidades de medias a mayores; tiene un sistema tipo "J" derecha para la operación de anclaje. La distribución de los conos (6) en forma alternada otorga el beneficio de una mayor área de circulación en posición de anclado y da una capacidad de carga mucho mayor que el sistema sencillo. Su capacidad depende del grado y peso de las tuberías que van a utilizarse. Se opera con vueltas a la derecha, evitando de esta manera problemas de desconexión. Se encuentra disponible en diámetros API, y especiales también, en los grados y pesos que se requieran. También se fabrican en roscas API o Premium (Figura 70). Conjunto de rimas Este ensamble consiste de las siguientes piezas: Molino de cuchillas (Blade mill): Su función es conformar y biselar la boca de liner para evitar dañar a los sellos del niple de sellos (Tie Back) al introducirlo en la extensión del cople soltador o empacador de boca de la TR corta.

Figura 71 Cople flotador y de retención.

un material de menor dureza que el de la extensión para no dañarla. Cople flotador y de retención En un equipo integral, esta herramienta es utilizada en combinación con un colgador mecánico. El empleo de los coples flotadores y de retención es opcional y son utilizados para proveer la seguridad de una válvula de contra presión extra.

Se coloca en la parte superior del ensamble, de tal manera que cuando la rima está limpiando en la parte inferior del receptáculo, simultáneamente se está conformando la boca de la tubería.

- El contenido de agua libre de la lechada debe tener, invariablemente, un valor de 0 cm3. - El contenido de agua libre de la lechada debe tener siempre un valor de 0 cm3. El agua, al liberarse de la lechada, es atraída por cargas electrostáticas a las caras de la tubería y de la formación. Tiende a ascender y a dar lugar a la formación alterna de puentes de agua y sólidos asentados, con deslaves y/o micro anulares.

Sustituto de extension: Se coloca entre El Blade Mill y la rima; sirve para dar la longitud adecuada entre los dos. Rima: Tiene la función de limpiar tanto de impurezas como de residuos de cemento o sólidos, que se encuentren dentro de la boca de la TR corta. El diámetro exterior es de 1/32" menor que el diámetro interior de la extensión y está fabricada de

108

- Tiempo de bombeo. El siguiente paso es determinar el tiempo de bombeo mediante la dosificación de un retardador del fraguado para alta temperatura. Esto se hace, generalmente, con base en la respuesta que el retardador muestre al cemento que se usó en trabajos anteriores o por ensayo y error. En este caso se recomienda iniciar las pruebas de tiempo de bombeo con porcentajes bajos y hacer incrementos del orden de un décimo en la dosificación del producto hasta lograr el tiempo deseado. El tiempo de bombeo que se debe dar a una lechada es el necesario para efectuar la operación en el pozo; es decir, el tiempo para preparar y bombear la totalidad de la lechada a una velocidad de mezclado de 1 ton/min., más el tiempo de desplazamiento de la lechada al espacio anular al gasto máximo permisible, de acuerdo con el gasto determinado por el sistema computarizado de análisis hidráulico, más un factor de seguridad en tiempo de 1 1/2 hr. Cuando este tiempo sea mayor o igual a 5 horas, debido al volumen de cemento empleado, se debe efectuar el trabajo con dos unidades cementadoras.

Figura 72 Cople flotador.

Resistencia a la compresión. Se deben correr pruebas de resistencia a la compresión, con base en el diseño completo de la lechada, para saber en cuánto tiempo el cemento fraguado desarrolla su resis-

tencia a la compresión y así poder continuar en el pozo con la perforación de la siguiente etapa o con las operaciones de terminación. En la práctica se asume un valor aceptable de resistencia a la compresión de 35 kg/cm2, como mínimo, para que la capa de cemento soporte el peso de la tubería. Este valor de resistencia a la compresión con lechadas de densidad normal se obtiene, generalmente, dentro de las primeras 8 horas de estar en reposo a las condiciones de fondo. Lechadas de alta densidad - Densidad. Debido a la profundidad de asentamiento de estas sartas, se requiere de la adición de harina sílica, para evitar la regresión de la resistencia a la compresión. Así la densidad es ajustada tomando en consideración la presencia del 35 % de harina sílica o de arena de sílice. En estos casos de incremento de densidad es preferible usar arena malla 100, debido a que no requiere de agua adicional y el valor de la densidad estará en función de la densidad del fluido de control. El incremento de la densidad se logra empleando un agente densificante de alto peso específico que no requiera de la adición de agua, tal como la hematita y la limadura de fierro. Otro material densificante es la barita, sulfato de bario, el cual es empleado comúnmente en los lodos de perforación para darle peso al fluido; pero para usarlo en las lechadas es poco recomendable por su bajo grado de pureza. Estos materiales densificantes se emplean a porcentajes relativamente altos con respecto a los aditivos comunes, siempre calculando que se obtenga el peso de lechada deseado mediante balance de materiales. También se puede efectuar el incremento de la densidad mediante la disminución del agua de mezcla. En estos casos, se incrementa el porcentaje del agente dispersante para contrarrestar el incremento de la viscosidad. Control de filtrado. Ya que se tiene la densidad deseada, se procede a regular el filtrado. Se emplea entonces un agente de control de filtrado para lechadas de densidad normal a un porcentaje bajo del orden de 0.3 a 0.4% por peso de cemento, combinado con un porcentaje bajo de un agente fluidizante que le ayude en su trabajo del orden de 0.3% por peso de cemento. El valor que se debe obtener es de aproximadamente 50 cm3/30min. bajo una presión diferencial de 1,000 psi.

Ingeniería de Cementaciones

Fluidez. Con el filtrado controlado, se procede a mejorar la fluidez de la lechada, aumentando el porcentaje de fluidizante a manera de reducir al máximo las pérdidas de presión por fricción durante el desplazamiento en el espacio anular. Es importante considerar durante la ponderación de este parámetro, que de acuerdo con las investigaciones en laboratorios de reología, la eficiencia del desplazamiento se mejora cuando el cemento viaja en el espacio anular a una velocidad mínima de 80 m/min, 1.33 m/seg., 4.37 pie/seg., y a medida que se incrementa esta velocidad, la eficiencia mejora, en este caso de lechadas densificadas, el porcentaje de fluidizante empleado es mayor debido a la baja relación agua sólidos. Tiempo de bombeo. El paso siguiente es determinar el tiempo de bombeo mediante la dosificación de un retardador del fraguado para alta temperatura. Esto generalmente se hace con base en la respuesta que muestre el retardador al cemento que se esté usando de acuerdo con trabajos anteriores, por el empleo de gráficas proporcionadas por la compañía de servicio, o por ensayo y error, en cuyo caso se recomienda iniciar las pruebas de tiempo de fraguado con porcentajes bajos y hacer incrementos del orden de un décimo en la dosificación del producto, hasta lograr el tiempo deseado. El tiempo de fraguado inicial que se debe dar a una lechada es el tiempo necesario para efectuar la operación en el pozo; es decir, el tiempo para preparar y bombear la totalidad de la lechada a una velocidad de mezclado de 1 ton/min., más el tiempo de desplazamiento de la lechada al espacio anular al gasto máximo permisible, de acuerdo con el gasto determinado por el programa computarizado de análisis hidráulico, más un factor de seguridad en tiempo de 1 1/2 h, en los casos en donde este tiempo sea mayor o igual a 5:30 h, debido al volumen de cemento empleado, se debe efectuar el trabajo con dos unidades cementadoras. El contenido de agua libre. La lechada debe manifestar, invariablemente, un valor de 0 cm3 de agua libre, debido a que la liberación de agua generalmente está acompañada de precipitación de sólidos; en otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor numérico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser no-newtoniano para convertirse en newtoniano. Además al liberarse el

Ingeniería de Cementaciones

agua de la lechada es atraída por cargas hidrostáticas a las caras de la tubería y de la formación. Tiende a ascender dando lugar a la formación alterna de puentes de agua y sólidos asentados, con deslaves o microanulares.

Se opera aplicando presión a la TP soltando una canica de asentamiento que se deja gravitar hasta el asiento de la misma localizado en el cople de retención. Se encuentra disponible en diámetros API, y especiales también, en los grados y pesos que se requieran.

Resistencia a la compresión. Se deben correr pruebas de resistencia a la compresión con el diseño de la lechada completo, para saber en cuanto tiempo desarrolla el cemento fraguado, su resistencia a la compresión y así poder continuar en el pozo con la perforación de la siguiente etapa o con las operaciones de la terminación del mismo. En la práctica se asume un valor aceptable de resistencia a la compresión de 35 kg/cm2, como mínimo, para que la capa de cemento soporte el peso de la tubería. Este valor de resistencia a la compresión con lechadas de alta densidad se obtiene generalmente dentro de las primeras 4 horas de estar en reposo a las condiciones de fondo.

También se fabrican en roscas API o Premium.

Lechadas de baja densidad Densidad. Debido a la profundidad de asentamiento de estas sartas, se requiere de la adición de harina sílica para evitar la regresión de la resistencia a la compresión. La densidad se debe ajustar entonces tomando en consideración la presencia del 35 % de harina sílica. En estos casos de disminución de densidad es preferible usar harina de sílice malla 325, debido a que ésta requiere del 40 % de su propio peso de agua adicional. El diseño completo de esta lechada es similar al procedimiento descrito para las tuberías anteriores con lechadas de baja densidad. El contenido de agua libre de la lechada debe tener, invariablemente, un valor de 0 cm3, debido a que la liberación de agua generalmente indica una inestabilidad del sistema diseñado; en otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor numérico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser nonewtoniano para convertirse en newtoniano. En pozos direccionales y horizontales el factor de estabilidad de la lechada se torna crítico debido a que el agua libre puede formar un canal en la parte alta del espacio anular a lo largo del intervalo cementado. Esto favorece el flujo de fluidos de las capas a través de éste.

Figura 69.

También se fabrican en roscas API o Premium (Figura 68). Colgador hidráulico sencillo. El diseño de este colgador es integral, o sea que es de un cuerpo sólido sin soldaduras ni conexiones internas, con lo que se elimina la posibilidad de fugas. Permite un máximo de capacidades, tanto a presión interna como de carga. Está disponible con conos sencillos (3). Su capacidad de carga depende del grado y peso de las tuberías que van a utilizarse. Por su diseño, el área de flujo permite efectuar las operaciones de circulación y cementación sin problemas. (Figura 69). Figura 70.

107

Ingeniería de Cementaciones

XIII. ACCESORIOS PARA TUBERÍAS CORTAS (LINER) Cople de retención anti-rotacional

Ingeniería de Cementaciones

pón desplazador en una cámara superior durante las operaciones de circulación-acondicionamiento y mezclado de cemento.

Tubo Conductor TR 20"

Herramienta utilizada en combinación con un Colgador Hidráulico.

TR 13 3 / 8"

Es considerado como parte del equipo de flotación.

TR 9 5 / 8"

TR 7"

TR Corta 5"

Figura 7 Arreglo típico de las tuberías de revestimiento.

Figura 68 Información de gabinete También tiene una unión giratoria para operaciones de rotación y reciprocación y un sustituto para alojar la bola para operar colgadores hidráulicos y herramientas que así lo requieran. Están disponibles en diferentes medidas como 3 1/2" IF, 4 1/2", IF 6 5/8" Colgador hidráulico con 6 cuñas

Figura 67.

Presenta una combinación de asientos para canica de anclaje del Colgador Hidráulico y para el Tapón Limpiador. Su diseño anti-rotacional facilita la operación de molienda. Todas sus partes interiores son fabricadas con materiales fácilmente perforables. (Figura 66).

El diseño de este colgador es integral, o sea que es de un cuerpo sólido sin soldaduras ni conexiones internas, con lo que se elimina la posibilidad de fugas. Permite un máximo de capacidades, tanto a presión interna como de carga. REG (izquierda). (Figura 67). La distribución de los conos en forma alternada otorgan el beneficio de una mayor área de circulación en posición de anclado.

Como se ha mencionando anteriormente la información es parte esencial para una buena cementación. La planeación de gabinete nos permite predecir el comportamiento mediante la simulación de la cementación del pozo. La información que se requiere es la siguiente: · Definir el objetivo particular de la operación · Recopilar información del pozo: Estado mecánico Historia de perforación Diseño de TR (Memoria de cálculo) Programa de introducción de TR (accesorios, combinaciones, centradores)

Cabeza de Cementación

Se opera aplicando presión a la TP, soltando una canica de asentamiento que se deja gravitar hasta el asiento de la misma localizado en el cople de retención.

· Registros: Calibración y desviación con temperatura de fondo del agujero Información litológica

Esta herramienta está diseñada para soportar grandes cargas de tensión provocadas por el peso de la tubería de perforación y de la TR corta. Aloja al ta-

Se encuentra disponible en diámetros API y especiales también, en los grados y pesos que se requieran.

· Cálculos correspondientes

106

Información de laboratorio La información básica de laboratorio se refiere a los diseños de la lechada, en función de la tubería que se va a cementar. Cemento. Diseño de lechada que va a utilizarse en el pozo. Para hacerlo se deben considerar parámetros reológicos en función del fluido de control de la perforación, valor de filtrado, agua libre, tiempo de bombeo y resistencia a la compresión, de acuerdo con los diseños de laboratorio. Frentes de limpieza. Normalmente se bombean dos tipos: un frente lavador y un frente espaciador con la finalidad de lavar y de acarrear los sólidos que genera la barrena. El frente lavador normalmente tiene densidad de 1.0 gr./cm3 y el del frente espaciador dependerá de la densidad que tenga el fluido de control que se tenga en el pozo. De tal manera que los frentes reúnen requisitos como: tipo, volumen, densidad y compatibilidad con el fluido de control y con la lechada (más detalles en el diseño de gabinete). Materiales Los materiales utilizados en la cementación de las tuberías de revestimiento son similares a los empleados en las tuberías superficial, intermedia y de explotación. Éstos dependen de la tubería que se va a cementar. Estos materiales se describirán posteriormente. V. DISEÑO DE GABINETE El diseño de gabinete de la cementación inicia con el empleo del programa de cómputo para efectuar el estudio reológico de las lechadas de cemento y de los demás fluidos que formarán parte de la operación de cementación. Esta parte del diseño está muy ligada al trabajo de laboratorio y, si se combinan, se obtienen las bases de las alternativas de diseño que habrán de seguirse. Para su aplicación en el pozo, un buen diseño de lechada de cemento dará lecturas del viscosímetro rotacional bajas y aportará valores de los parámetros reológicos más apropiados. Así se obtendrá un Número de Reynolds mayor al Número de Reynolds Crítico, con gastos relativamente bajos, posibles de ser efectuados con la bomba del equipo de cementación durante el desplazamiento, acorde a la

Ingeniería de Cementaciones

geometría del anular entre tubería de revestimiento, agujero y tubería ya cementada. Cuando un diseño que se está analizando presenta lecturas altas en el viscosímetro rotacional, se debe modificar la proporción de los aditivos; en especial, debe vigilarse que el agente fluidizante no origine el asentamiento de sólidos y la liberación de agua. La interrelación del fluidizante con el agente de control de filtrado juega, también, un papel importante en el diseño y siempre se debe buscar un estado de equilibrio entre ambos en función de la temperatura. Los agentes retardadores del fraguado basado en lignosulfonato y cromolignosulfonato presentan un efecto dispersante en las lechadas de cemento, el cual debe ser tomado en cuenta al diseñar. Todo esto nos indica la facilidad de cambio de los parámetros reológicos y en general obtener el diseño que más favorezca a la eficiencia del desplazamiento en el espacio anular. No se debe perder de vista que el gasto máximo que puede darse con una bomba del equipo de cementación que emplea una línea de alta presión de 2 pulgadas de diámetro, es de aproximadamente 7 bl/min y que cuando se requiere dar un gasto mayor se debe emplear una línea de mayor diámetro o tender dos líneas o más hasta la cabeza de cementación. El siguiente paso es efectuar el estudio hidráulico de la operación de cementación. Se debe utilizar el mismo programa de cómputo, que se alimentará con la información de los parámetros reológicos y físicos que caracterizan a cada lechada y fluidos tales como el fluido de control, frente lavador, frente espaciador y fluido de desplazamiento. Al programa también se le suministra la información del estado mecánico del pozo, aparejo de cementación, gradiente de fractura del pozo o presión de fractura de alguna zona débil, presión de poro alta que se tenga detectada durante la perforación. El sistema efectúa el análisis de esfuerzos a que se verá sometido el pozo durante la operación de cementación. Se debe tener especial cuidado de comparar continuamente las presiones de cementación en el fondo, contra la presión de fractura sobre la base del gasto aplicado, recomendado por el estudio reológico.

Ingeniería de Cementaciones

El sistema indica cuando un gasto es tan alto que no es posible efectuar la operación en esas condiciones. Esto sucede cuando se alcanza la presión de fractura de la formación mediante una gráfica del comportamiento de la presión de fondo y la presión de fractura en todo el tiempo que dura la operación. En este caso se debe disminuir el gasto, sacrificando eficiencia del desplazamiento de lodo del espacio anular; pero compensándolo con movimientos de la tubería, tanto rotacional como reciprocante, cuando sea posible. El análisis gráfico indica cuándo es posible aplicar un gasto mayor al crítico obtenido en el estudio reológico, sin riesgo de fracturar la formación o abrir zonas de pérdida, manifestadas durante el proceso de perforación del pozo. El sistema establece un estado de esfuerzos en todo el pozo durante el tiempo que dura la operación y presenta un parámetro permanente de comparación del esfuerzo ejercido sobre las paredes y fondo del pozo y de la presión de fractura, a fin de evitar en lo posible el llegar a fracturar y tener pérdidas de circulación durante la operación. Toda la información que se le suministra al sistema y los datos reportados del proceso, se pueden almacenar en un archivo binario o incluirlos en la base de datos, según lo estime conveniente el usuario.

La mayor parte de las razones para cementar por etapas se reducen al primer caso. Actualmente no es rara la cementación de sartas largas corridas hasta la superficie para proteger las tuberías de la corrosión. Alternamente, zonas de pérdida de circulación pobremente taponadas, debajo de la zapata de la última tubería cementada, a menudo requieren ser cubiertas con cemento hasta la superficie. La cementación de dos etapas, con la cima de la primera etapa cubriendo las zonas débiles, ofrece seguridad, pero implica el llenado completo del espacio anular total. Tres técnicas de cementación multietapa son comúnmente empleadas: 1. La cementación normal de dos etapas, en donde la cementación de cada etapa es una operación separada y distinta.

Los coples de cementación por etapas, están integrados por juegos de camisas deslizables concéntricas, montadas en un mandril, con sellos seccionales mediante O´ Rings, lo cual torna al cople

2. La cementación continua de dos etapas, con ambas etapas cementadas en una sola operación continua. 3. La cementación de tres etapas, donde cada etapa es cementada como una operación distinta. El tiempo de ejecución de la cementación por etapas, incrementa el tiempo- equipo. Como conse-

Para cada pozo es necesario efectuar el análisis del proceso de la operación de cementación primaria, variando los parámetros factibles, como es el caso del gasto, el diseño de la lechada, densidad de lechada, las características reológicas del lodo, etc. a manera de poder contar con varias alternativas y seleccionar la que favorezca más al pozo por cementar. La alternativa que se seleccione deberá contar con el mejor diseño de lechada, la velocidad más baja de viaje de la lechada en el espacio anular con el menor gasto de bomba posible y estar lo más arriba de la zona de transición del régimen laminar a turbulento; es decir, se debe tener la menor caída de presión originada por la fricción con los fluidos que se están manejando en el pozo durante la operación de cementación primaria. El programa computarizado maneja de forma gráfica para mayor apreciación, los principales parámetros de control de la operación con 24 gráficas. Muestra el comportamiento del tiempo de bombeo contra: presión en la superficie, presión de fondo o

cuencia de que en la mayoría de las cabezas de cementación no se puede acomodar la precarga de los tapones y la secuencia operacional del bombeo requerido, la cabeza de cementación debe ser abierta para liberar el torpedo, asumiendo que el tapón de la primera etapa fue precargado. El tapón de desplazamiento pudo ser cargado después de liberar el torpedo, pero la precaución debe ser extrema con los tipos de tapones y su compatibilidad con la cabeza de cementar. El arreglo de los tapones debe ser siempre cuidadosamente verificado, antes del trabajo de cementación, para asegurar la correcta instalación de los tapones en la cabeza.

Figura 66.

Figura 65 Operación de cople por etapas.

sensible a manejos inadecuados, sobre todo al enroscarlo cuando se instala en la tubería de revestimiento que se va a cementar y para su apriete, se sujeta con llaves de cadena sobre la sección de las camisas deslizables.

105

Ingeniería de Cementaciones

recargarse en la parte baja del agujero y si no se cuenta con equipo eficiente de centrado, la calidad de la cementación será baja, hasta llegar a los coples. En estos pozos deben emplearse centradores sólidos que soporten perfectamente bien el peso de la tubería, sin deformaciones ni cambio de posición, los centradores sólidos van integrados a la sarta de la tubería de revestimiento y no restringen el área de flujo del anular. Por otra parte, propician una distribución apropiada de la lechada alrededor de la tubería, sobre todo en las zonas de interés. No debe perderse de vista que el costo de los centradores sólidos es alto, por lo que se recomienda su aplicación al centrado de la tubería en las zonas de interés. Cabeza de cementación

Figura 63 Centrador sólido integral roscable.

mento en el anular, y si no se logra la turbulencia a gastos moderados, mejorar la eficiencia de colocación. En los agujeros direccionales y horizontales el centrado de la sarta se torna más crítico debido a que, por efecto de la gravedad, la tubería tiende a

Las cabezas de cementación son contenedores de acero de alta resistencia a la presión interna y a la tensión, que albergan uno o los dos tapones inferior y superior, un sistema mecánico o hidráulico para soltar los tapones durante la operación de cementación, en el momento que se requiera, sin parar la operación. Así no se da oportunidad a la construcción de desarrollo de la fuerza de gel en el lodo, que afecta la eficiencia de la remoción, pues éste es el principal inconveniente del empleo de las cabezas de un solo tapón, y por lo cual se desecharon. Con la cabeza de doble tapón únicamente se suspende la operación un instante para cambio de la línea de bombeo de la misma cabeza, lo cual no representa ningún problema. El sistema de liberación en la cabeza de doble tapón es el mismo que en las cabezas de un solo tapón. Cementación en etapas múltiples La cementación de etapa múltiple puede ser necesaria por una gran diversidad de razones: · · ·

Figura 64 Cabeza de cementación de doble tapón.

104

Formaciones incapaces de soportar altas presiones hidrostáticas, ejercidas por columnas largas de cemento. Zonas superiores que requieren ser cementadas con cemento de alta densidad, alta resistencia compresiva y sin contaminación. Intervalos separados ampliamente, sin requerir cemento entre ellos.

presión de cementación, presión hidrostática anular, presión de fricción en el anular, presión hidrostática en tubería de revestimiento, presión de fricción en el interior de la tubería de revestimiento, densidad equivalente, comparación de presión hidrostática en el anular e interior de la tubería de revestimiento, comparación del valor de presión de fricción en anular y en el interior de la tubería de revestimiento, gasto de entrada y salida, tirante en caída libre y la velocidad de viaje de la lechada en el espacio anular; por otro lado, estas mismas gráficas se obtienen, pero relacionando estos mismos parámetros con el volumen de bombeo en sustitución del tiempo de bombeo. El sistema también obtiene una cédula de bombeo y análisis, detallando en columnas, minuto a minuto, toda la operación. De igual forma, el sistema de cómputo proporciona un reporte integrado de tres secciones: la primera, contiene los datos del pozo, su ubicación y características de la operación de cementación que se va a efectuar; la segunda, contiene los principales parámetros hidráulicos de la operación como son: presión máxima de cementación en el fondo, presión máxima en superficie, potencia hidráulica requerida, tiempo total de operación, presión de fractura de la formación, gasto de desplazamiento o gasto de la lechada al salir ésta al espacio anular. La tercera sección presenta un listado de los materiales que intervienen en la operación de cementación, tales como el cemento y los aditivos según diseño, volumen de lechada, volumen total de agua de mezcla, porcentaje de exceso de la lechada, rendimiento de la lechada y el tiempo de bombeo de que se dispone. El procedimiento de operación del sistema computarizado se detalla en el manual del usuario. Si se desea tener mayor información sobre cualquier parte del proceso de operación del simulador de cementaciones primarias, se deberá consultar el Manual del Usuario. Procedimientos de diseño de gabinete Obtención de datos Los datos que se deben obtener para efectuar el diseño completo de una cementación primaria son:

Características del pozo: Tipo de operación D = Diámetro promedio de agujero, (pg) H = Profundidad del agujero, (m) Te=Temperatura estática de fondo, (ºC) Ángulo de desviación, en grados con respecto a la vertical Punto de desviación, (m) Manifestación de flujo de agua dulce, salada, sulfurosa, gas, aceite, a la profundidad de, (m) Pérdida de circulación, moderada, parcial, total, a la profundidad de (m) rfc = Densidad de control, (gr/cm3) r = Densidad equivalente de fractura, (gr/cm3) Características de la tubería que se va a cementar D= Diámetro ( pg) Gr=Grado W= Peso, (lb/pie) Zapata tipo a la profundidad, (m) Cople tipo a la profundidad, (m) Centradores: cantidad, marca, disposición en las zonas de interés. Cople de cementación múltiple: a la profundidad de (m), marca. Colgador T.R. corta: a la profundidad de (m), Marca. Conector complemento de T.R. corta, tamaño, profundidad (m) DTP = Diámetro de tubería de perforación (pg), peso (lb/pie) Tubería anterior D=Diámetro (pg) Gr=Grado W=Peso (lb/pie) H=Profundidad (m) Características del fluido de perforación Base del fluido r = Densidad (gr/cm3) Viscosidad (cp) Punto de cedencia (lb/100 pies2) Información adicional Cima del cemento (m) Zonas de interés localizadas (m) Determinación de las bombas para efectuar el

Ingeniería de Cementaciones

desplazamiento (las del equipo de perforación o las del equipo de cementación) Número de etapas, primera con cima de cemento a ____m., segunda con cima de cemento a ____m. Obtención del diámetro promedio del agujero El diámetro promedio del agujero se define por medio de un registro de calibración reciente del pozo que se va a cementar. Se consideran secciones en donde predomine cierto diámetro o dividiendo en secciones cortas de igual longitud, determinando en cada sección un diámetro promedio o predominante. Otro procedimiento es tomar el diámetro de la barrena y adicionar un porcentaje de exceso que variará en función del tipo de formación del 10 al 50%, para rocas compactas a poco consolidadas, respectivamente. Cálculo del volumen de lechada necesario para la operación de cementación primaria El volumen de la lechada es una función directa de la geometría del pozo, del diámetro de la tubería que se va a cementar y de la longitud de espacio anular por cubrir. Con el diámetro promedio del pozo, determinado de acuerdo con el punto anterior, y el diámetro externo de la tubería que se va a cementar, se puede calcular la capacidad del espacio anular por unidad de longitud, por medio de la fórmula:

[

]

2 2 9ROXPHQ = 0.785 × '$JXMHUR − '([W .7XER × K

En el caso de otra tubería cementada con anterioridad en la sección que se cubrirá con cemento, se debe emplear para el cálculo el diámetro interno de la tubería ya cementada y el diámetro externo de la tubería por cementar y así calcular el volumen correspondiente a esta parte. La ecuación dimensional está en función del sistema de unidades que se esté trabajando. También se obtienen estos valores empleando una tabla de volúmenes de las compañías de servicio.

Con la capacidad del espacio anular entre tubería de revestimiento y agujero por unidad de longitud (o cualquiera de las capacidades que a continuación se citan) se aplica la siguiente fórmula para determinar el volumen en la longitud que se desea cubrir con cemento: 9ROXPHQ = &DSDFLGDG (. $.

OW × /RQJLWXG D FXEULU P P

En los casos en donde se aplique un porcentaje de exceso de lechada para compensar la falta de uniformidad del diámetro del pozo, el porcentaje se aplica únicamente al volumen de lechada calculado del espacio anular entre tubería a cementar y el agujero descubierto. Además se calcula el volumen de lechada que queda dentro de la tubería de revestimiento, del cople a la zapata, empleando la siguiente fórmula:

9ROXPHQ = &DSDFLGDG ,QWHULRU 7 .5. OW × /RQJLWXG HQWUH FRSOH \ ]DSDWD P En muchos casos, el cemento cubre toda la longitud del agujero y un traslape entre la tubería por cementar y la última tubería cementada, como es el caso de la cementación de tuberías de revestimiento cortas. Algunas tuberías superficiales se cementan hasta la superficie; otras superficiales e intermedias se cementan en parte de la longitud entre tuberías. En estos casos el volumen de lechada entre tuberías, se debe calcular con el diámetro interior de la tubería cementada con anterioridad y el diámetro exterior de la tubería por cementar, con la siguiente formula:

9ROXPHQ = &DSDFLGDG HQWUH WXEHUtDV OW × /RQJLWXG D FXEULU P P El volumen de lechada por emplear es la suma de los volúmenes calculados, según el caso. Definición de la densidad de la lechada

ser acorde al tipo de válvula empleada. La velocidad de bajada debe ser lo suficientemente lenta para evitar la presión por irrupción. El equipo de flotación puede requerir un llenado más frecuente para evitar el colapso de la tubería de revestimiento. Una vez que la tubería ha alcanzado la profundidad deseada, la unidad de sello y centradores del Stabin, se conectan a la tubería de perforación y se introducen en la tubería de revestimiento. La tubería de perforación se baja hasta la unidad de sello empotrada en el receptáculo. Se debe aplicar peso adicional, al equipo que no contenga candado para controlar las fuerzas que tratan de desconectarlo mientras se está cementando la TR. La máxima fuerza de desunión puede estimarse multiplicando la máxima presión de bombeo esperada, por el área de la unidad de sello. Una regla simple que generalmente dará el peso adecuado de tubería, es aplicar el mayor peso de lo siguiente: 15,000 lb, o 2,000 lb por cada 100 pies de profundidad. Para obtener este peso puede ser necesario el uso de tubería lastrabarrena o tubería de perforación pesada. Las unidades de sello con candado, incluyen un mecanismo de candado adicional, para contrarrestar la fuerza de liberación, por lo que no se requiere de peso adicional; sin embargo, generalmente se requiere de rotación para salirse del candado. La sarta de perforación está aislada en el interior de la tubería de revestimiento, del bombeo y la presión hidrostática generada mientras se cementa. Se debe tener cuidado de no generar presiones diferenciales que puedan exceder la resistencia al colapso de la tubería revestidora, para lo cual debe aplicarse presión al interior del revestidor mediante el uso de una cabeza de empacamiento.

Centradores Una de las grandes necesidades en la tecnología de las cementaciones es el centrado de las tuberías de revestimiento que se van a cementar, debido a la falta de eficiencia en el desplazamiento del fluido de control obtenido cuando no se tiene un centrado aceptable de las tuberías, respecto a la geometría del pozo. En tuberías no centradas se presentan áreas restringidas al flujo, que se conservan en estas bolsas de lodo de alto grado de gelificación y con alto contenido de recortes. Cuando se coloca la lechada de cemento en estas áreas, las bolsas de lodo no son removidas, aunque el cemento viaje en régimen turbulento. Esto se manifiesta en la evaluación de las cementaciones como canalizaciones de lodo en el cuerpo del cemento. La eficiencia del desplazamiento es la relación del fluido que está en movimiento mientras se circula, con respecto al volumen total de fluido en el pozo. Hay varios factores que afectan la eficiencia del desplazamiento durante el proceso de la cementación primaria. Entre éstos se puede citar la falta de acondicionamiento del pozo y del fluido de control, el acondicionamiento de la lechada y de los frentes lavador y espaciador, tendientes a entrar en turbulencia a gastos de bombeo bajos o moderados, debido a que en turbulencia se efectúa un barrido más eficiente del lodo durante el proceso de colocación del ce-

A continuación se enlistan algunas de las razones y beneficios para el empleo del equipo Stab-in:

La densidad de la lechada debe ser, invariablemente, un poco mayor que la densidad del fluido de perforación para mantener el control del pozo.

La densidad del fluido de perforación está directamente ligada a la presión de fractura de la formación y a la existencia de zonas de presión anormal o existencia de zonas débiles, por lo cual, la densidad de la lechada no puede diferir drásticamente de este juego de presiones.

Principalmente se reduce el volumen y tiempo de desplazamiento. Evita el derrame de lechada en exceso durante el desplazamiento. Reduce el tiempo de operación de la cementación. Ocurre menor contaminación debido al área reducida y régimen turbulento en la tubería de perforación. Figura 62 Centradores de flejes.

103

IngenierĂa de Cementaciones

un 10 % mayor que el ĂĄrea inferior. Las fuerzas que actĂşan para operar el pistĂłn son producidas por la presiĂłn hidrostĂĄtica, que actĂşa sobre las ĂĄreas superior e inferior. Debido a que el ĂĄrea superior es mĂĄs grande, se requiere de menor presiĂłn para balancear las fuerzas a travĂŠs del pistĂłn. Cuando la presiĂłn de arriba (hidrostĂĄtica de la tuberĂa de revestimiento) excede el 90 % de la presiĂłn de abajo, (hidrostĂĄtica del anular), el pistĂłn se deslizarĂĄ hacia abajo para parar el llenado. Igualmente, cuando la presiĂłn de abajo excede el 90 % de la presiĂłn de arriba el llenado se reanuda. Este ciclo se repite continuamente a medida que baja la tuberĂa. Sin embargo, el ciclo no puede empezar hasta que la presiĂłn hidrostĂĄtica es suficiente para superar las pĂŠrdidas de presiĂłn por fricciĂłn. Cuando se emplean dos vĂĄlvulas, la superior interpreta la presiĂłn regulada por la vĂĄlvula inferior y el efecto combinado debe resultar en un 81 % de llenado. La vĂĄlvula de charnela inoperante puede ser convertida para empezar a funcionar como vĂĄlvula flotadora en cualquier momento. La conversiĂłn de la mayorĂa de las vĂĄlvulas requiere del viaje de una bola, y opera en la forma descrita para el equipo de orificio de llenado. La circulaciĂłn previa al lanzamiento de la bola puede ayudar a limpiar el asiento de la vĂĄlvula de desechos sĂłlidos. Para verificar la presiĂłn de actuaciĂłn apropiada, la bola debe caer y posicionarse en su asiento antes de iniciar el bombeo. La presiĂłn requerida de activaciĂłn de la mayorĂa de las vĂĄlvulas estĂĄ generalmente entre 500 y 800 psi. Debido a que la bola es eliminada, una zapata y un cople pueden ser usados y ambos ser accionados con una sola bola. Una zapata de orificio, tambiĂŠn puede ser usada debajo de un cople diferencial, siempre que la bola activadora sea compatible con ambas unidades, o el orificio pueda ser abierto con flujo. Las siguientes son algunas orientaciones adicionales y precauciones. Â&#x2022; Para reducir el desgaste de la vĂĄlvula flotadora durante largos periodos de circulaciĂłn, y de acondicionamiento, la operaciĂłn de conversiĂłn puede ser demorada hasta justo antes de bombear el cemento. Â&#x2022; A causa de las restricciones en las vĂas de llenado, la tuberĂa de revestimiento debe bajarse a velocidad moderada (generalmente 2 pies/segundo) para reducir la presiĂłn de irrupciĂłn.

102

IngenierĂa de Cementaciones

Â&#x2022; Los materiales para pĂŠrdida de circulaciĂłn pueden tender a un llenado lento o a evitarlo, lo cual puede incrementar la irrupciĂłn o a conducir al colapso. Puede ser necesario el monitoreo del indicador de peso y circulaciĂłn periĂłdica. Â&#x2022; La desviaciĂłn de los agujeros y tamaĂąos de las tuberĂas de revestimiento pueden imposibilitar

La diferencia de densidades entre la lechada de cemento y el fluido de perforaciĂłn generalmente estĂĄ en el orden de 0.1 a 0.4 gr/cm3. CĂĄlculo de cemento, agua y aditivos La cantidad de cemento idĂłnea para obtener el volumen de lechada necesario, se calcula sobre la base del rendimiento que se obtiene de cada saco de cemento. Se debe considerar el diseĂąo por medio de un balance de materiales, como se presenta en el siguiente ejemplo: Si la densidad del fluido de perforaciĂłn es igual a 1.70 gr/cm3 y la temperatura estĂĄtica del fondo, es mayor de 100ÂşC, se emplea una densidad de lechada de 1.93 gr/cm3. 0$7(5,$/

Figura 61 Equipo de cementaciĂłn Inner-string.

el uso de bolas activadoras pesadas. Algunos fabricantes ofrecen bolas guiadas para desviaciones sobre los 20Â°; otros, trampas para las bolas y bolas precargadas, las cuales deben operar en cualquier desviaciĂłn; sin embargo, la circulaciĂłn debe evitarse antes de colocar la bola en su asiento. La mĂĄxima desviaciĂłn de operaciĂłn debe ser proporcionada por el proveedor. Â&#x2022; Equipo de CementaciĂłn denominado Inner String o Sarta Interior. Es una tĂŠcnica tĂpicamente usada con tuberĂas de revestimiento de diĂĄmetro grande, en donde la sarta de la tuberĂa de perforaciĂłn es colocada dentro de la sarta de la tuberĂa de revestimiento como un conductor para bombear fluidos de la superficie al anular entre las dos sartas (anular con la tuberĂa de revestimiento). El equipo de cementaciĂłn con sarta interior (Figura 61) proporciona un medio para recibir y sellar la tuberĂa de perforaciĂłn pozo abajo. Este equipo tambiĂŠn es conocido como equipo "Stab-in", y estĂĄ generalmente disponible con receptĂĄculo de candado y sin ĂŠste. Las zapatas y coples son bĂĄsicamente versiones grandes de los tipos previamente discutidos, con la adiciĂłn de un receptĂĄculo de sello y superficie biselada. Las medidas mĂĄs comunes son en tuberĂas de 10 Âž pg y mayores. En las operaciones de introducciĂłn de la tuberĂa de revestimiento, la velocidad con la que se baje debe

3(62

$*8$

5(1',0,(172

OW VDFR

680$ '( $*8$

680$ 727$/

&(0(172 &/$6( + +$5,1$ '( 6,/,&(

Tabla 3

De este balance de materiales se desprenden los siguientes parĂĄmetros:

'HQVLGDG=

3HVR 93.5NJ = = 1.93JU / FP3 9ROXPHQ 48.4OW

Rendimiento 48.4 lt/saco Agua = 26 lt/sc CĂĄlculo del requerimiento de materiales Suponiendo que se deseara tener un volumen de lechada de 90,000 lt con caracterĂsticas apropiadas para obtener un flujo turbulento o poder desplazar al mayor gasto posible. Empleando los datos de la lechada a usar, determinados en el balance de materiales se tiene: NĂşm. sacos de.cemento =

Volumen de lechada lt 90,000 lt = = 1,860 sacos Rendimiento lt/saco 48.4 lt /saco

Peso de cemento = 1,860 sacos x 50 kg./saco = 93,000 kg = 93 ton. Harina sĂlica 1,860 sacos x 17.5 kg./saco = 32,550 kg = 32.55 ton

Agua de mezcla = 1,860 sacos x 26 lt/saco = 48,360 lt= 48.36 m3 Asumiendo que del estudio de laboratorio se obtuvo el siguiente diseĂąo: Los porcentajes son por peso de cemento. Agente de control de filtrado 0.6 % 558 kg Agente fluidizante 0.4 % 372 kg. Antiespumante 0.2 % 186 kg Retardador del fraguado 0.4 % 372 kg Agente de control de migraciĂłn de gas 1.0 % 930 kg Peso de la mezcla sĂłlida en seco 127.968 ton CĂĄlculo del tiempo de mezclado Suponiendo que Ăşnicamente se emplee una lechada, con dos frentes de 4 m 3 cada uno, lavador y separador, asumiendo una velocidad de mezclado normal de una tonelada por minuto, se tiene un tiempo de mezclado de 128 minutos, para preparar y bombear al pozo las 128 toneladas de producto seco, este tiempo de mezclado tan prolongado, denota la necesidad de utilizar dos unidades de cementar con lo que el tiempo de mezclado se reduce aproximadamente a una hora o mezclar con centrĂfuga y destinar las dos bombas de desplazamiento positivo a mandar lechada al pozo tendiendo doble lĂnea de 2 pg. de la unidad de cementar al pozo, o una sola lĂnea de 3 pg, con esto tambiĂŠn se reduce el tiempo de mezclado aproximadamente a 90 minutos por mezclar aproximadamente 2 ton/min., la lĂnea de alta presiĂłn de 2 pg de diĂĄmetro, es capaz de manejar aproximadamente hasta 7 bl/min. Volumen de los frentes lavador y separador El objetivo principal de emplear un frente lavador es dispersar el lodo de perforaciĂłn del espacio anular. Para lograrlo se incorpora al flujo el fluido floculado que se encuentra depositado en regiones del anular en donde no exista circulaciĂłn. Si no se centra la tuberĂa que se va a cementar, o si se desprende gran parte de la pelĂcula de lodo (enjarre), generalmente la densidad del frente lavador es igual a la del agua o muy prĂłxima. Otros de los objetivos de emplear un frente separador es levantar el lodo dispersado por el frente lavador eliminĂĄndolo del espacio anular por cubrir con cemento, en funciĂłn a su viscosidad; tambiĂŠn separar el fluido de perforaciĂłn de la lechada

Ingeniería de Cementaciones

de cemento, ya que su incompatibilidad normal puede originar alta viscosidad e, inclusive, un problema de fraguado prematuro o de no fraguado, dependiendo de la base del lodo, de las sales que contenga y del porcentaje de contaminación. Los frentes separadores son diseñados cuidadosamente en cuanto a sus propiedades reológicas, pérdida de filtrado y densidades. Su densidad siempre se procura que sea un poco mayor que la densidad del fluido de perforación y menor de la densidad de la lechada de cemento. Es práctica común de campo adecuarla a la media aritmética de la diferencia de densidades del lodo y lechada. Si el fluido de perforación es a base de aceite, ambos frentes deben ser diseñados especialmente para que tengan la capacidad de eliminar la película de aceite que cubre las paredes de la formación y de la tubería que estará en contacto con el cemento. Ambos frentes, lavador y separador, deben ser compatibles, tanto con el fluido de perforación como con la lechada de cemento. Esto se prueba en el laboratorio antes de emplearse en los pozos. Estudios experimentales en los laboratorios de reología, las prácticas de campo y consideraciones económicas han mostrado que los volúmenes que se van a emplear deben cubrir, cada uno, un mínimo de 300 metros lineales del espacio anular en diámetros grandes, y 400 m. en diámetros menores. Régimen de bombeo del frente lavador y del frente separador Los frentes lavadores son fluidos newtonianos que exhiben una relación constante entre el esfuerzo cortante aplicado al fluido y la velocidad de corte. Esta relación se denomina viscosidad plástica. Estos fluidos, como el agua o la gasolina, tienen la particularidad que a bajos gastos de bombeo entran en flujo turbulento. Los frentes separadores generalmente tienen un comportamiento de fluidos no newtonianos similares a las lechadas de cemento. Su viscosidad es una función de la velocidad de corte y también del esfuerzo cortante.

Ingeniería de Cementaciones

Muchos de los espaciadores o separadores entran en flujo turbulento a velocidades de bombeo menores que las lechadas de cemento; es decir que en muchos, a las velocidades de bombeo que se programa el desplazamiento de la lechada, el frente separador ya está en régimen turbulento y se aleja más de la zona de transición del régimen laminar a turbulento. En otros casos no adquiere el régimen turbulento, aunque en realidad esto no es necesario para que cumpla con su objetivo ya que su diseño está dirigido a evitar la digitación de los fluidos en contacto y levantamiento de los sólidos que componen el lodo de perforación. De cualquier manera, se prefiere que el espaciador entre en turbulencia debido a que mejora la eficiencia del desplazamiento del lodo y ayuda al desprendimiento del enjarre.

El equipo de auto llenado es recomendado, cuando la carga al gancho de la polea viajera no sea de importancia, o cuando las condiciones del agujero puedan estar deterioradas. Se requiere entonces de la circula-

de la tubería de revestimiento. La mayoría de las unidades de llenado diferencial (zapatas o coples), mantendrán la tubería de revestimiento aproximadamente a un 90 % de su capacidad con respecto al nivel del

Régimen de bombeo de la lechada de cemento durante su desplazamiento al espacio anular De acuerdo con los estudios reológicos de investigación tendientes a mejorar la eficiencia del desplazamiento del fluido de perforación del espacio anular, los frentes lavador-separador y las lechadas de cemento deben estar en régimen turbulento. En donde no sea posible lograrlo, debido a la geometría del pozo, diámetro de la tubería o al límite de presión de fractura de la formación, se debe desplazar al mayor gasto posible. También se ha establecido en las investigaciones reológicas que para tener una buena eficiencia en el desplazamiento del fluido de perforación del espacio anular durante las cementaciones primarias, las lechadas deben viajar a una velocidad mínima de 80 m/min y, donde no sea posible dar esta velocidad, se recomienda desplazar a la mayor velocidad posible. La reología de la lechada se puede modificar por medio de aditivos químicos, con el fin de adecuar los valores de sus parámetros a las características que se consideren más apropiadas para cada trabajo de cementación primaria en particular, pero siempre buscando la mayor fluidez posible sin que se presente asentamiento de sólidos y liberación de agua, lo cual está asociado. Con las lecturas obtenidas en el viscosímetro rotacional de 300, 200, 100, 6 y 3 rpm más la densidad de la lechada y la geometría del pozo, el sistema computarizado para el estudio reológico determina los

Figura 60 Operación de Válvula Diferencial. Figura 59 Zapata y cople de llenado diferencial.

ción en sentido inverso y de la habilidad para correr la tubería de revestimiento tan rápido como sea posible. Las válvulas de charnela y la de acción vertical no se recomiendan para usarse con fluidos de perforación que contienen grandes concentraciones de materiales obturantes para controlar pérdidas de circulación. El uso de muchos raspadores reciprocantes y otros adicionantes externos pueden incrementar la resistencia al flujo en el anular y causar sobre flujo. Otro fenómeno es el súbito paro durante la introducción de la tubería; estos paros deben ser evitados para evitar la conversión prematura de la válvula. Equipo de llenado diferencial Las zapatas y coples de llenado diferencial combinan los beneficios del equipo de flotación y el de auto llenado. (Figura 59). Estos equipos están diseñados para llenarse automáticamente y regular el nivel del fluido dentro

fluido en el anular. Cuando ambos, zapata y cople, son usados, la tubería de revestimiento debe permanecer aproximadamente a 81 % de su llenado. El equipo de llenado diferencial a menudo es usado sobre sartas largas para reducir la presión de irrupción y la posibilidad de daño a la formación, lo cual normalmente está asociado con el equipo de flotación. Este equipo ahorra tiempo de introducción, lo que disminuye la posibilidad de pegaduras. Regula el nivel del fluido, reduce la función de carga al gancho y evita el sobre flujo, dado que el anular no está restringido. La circulación puede establecerse en cualquier dirección sin daño a la válvula. La válvula resumirá la operación cuando el nivel del fluido dentro de la tubería de revestimiento y en el espacio anular adquiera la diferencial de diseño. La válvula diferencial típica regula el llenado a través de la acción de un pistón de flotación diferencial (figura 60). El pistón se desliza hacia arriba para abrir y hacia abajo para cerrar. Está diseñado de tal forma que el área superior presurizada es aproximadamente

101

IngenierĂa de Cementaciones

das en el equipo de flotaciĂłn; sin embargo, las vĂĄlvulas de contrapresiĂłn se modifican a una posiciĂłn de abierto para permitir el llenado y la circulaciĂłn inversa (figuras 57 y 58). El llenado continuo de la tuberĂa de revestimiento ahorra tiempo y reduce la

El equipo de autollenado debe bajarse para que funcione como una vĂĄlvula de contrapresiĂłn direccional o vĂĄlvula flotadora. La conversiĂłn generalmente es ejecutada despuĂŠs de que la tuberĂa de revestimiento se coloca a la profundidad programada; pero tambiĂŠn puede ser convertida mientras se estĂĄ corriendo para prevenir o para controlar la carga al gancho de la polea viajera. Para prevenir la introducciĂłn sin control, la mĂĄxima velocidad del flujo de entrada a la tuberĂa puede ser limitada por el gasto de admisiĂłn de ciertas vĂĄlvulas.

parĂĄmetros que caracterizan cada lechada con su acoplamiento al pozo, hasta llegar a determinar la velocidad de la lechada en el espacio anular y el gasto de bombeo que se debe efectuar para tener esa velocidad. Las principales fĂłrmulas empleadas en los cĂĄlculos son: Îł = 1. 7023 Ă&#x2014; 1 donde: Ď&#x201E; = 0.01065 Ă&#x2014; Î¸

Îł = 9HORFLGDG GH FRUWH, V

Figura 57 Zapatas de llenado automĂĄtico.

Modo de llenado (El Fluido entrando)

PresiĂłn de Bomba Aplicada (LiberaciĂłn de balines)

PosiciĂłn de soporte de presiĂłn inferior

Figura 58 VĂĄlvulas tipo movimiento vertical.

presiĂłn de irrupciĂłn asociada con el equipo de flotaciĂłn. Las vĂĄlvulas son usualmente diseĂąadas para reducir el sobre flujo del fluido de control en la tuberĂa de revestimiento mediante la regulaciĂłn de la velocidad de llenado para una velocidad de introducciĂłn A una velocidad promedio de introducciĂłn de la tuberĂa de un tubo por minuto, el nivel del fluido en el interior de la tuberĂa de revestimiento debe permanecer uno o dos tubos abajo del nivel anular. Los sobre flujos aĂşn pueden ocurrir si se excede la resistencia de flujo anular y la resistencia interna al flujo de la vĂĄlvula. Esta condiciĂłn es mĂĄs probable que ocurra en condiciones de agujero esbelto, o cuando los agujeros presentan cavidades puenteadas y restricciones al flujo en el anular. Para remover o para desprender materiales adheridos, la vĂĄlvula permite la circulaciĂłn en cualquier direcciĂłn.

100

Estas vĂĄlvulas son convertidas por la expulsiĂłn del tubo de orificio, permitiendo al resorte de carga cerrar la charnela de la vĂĄlvula. (Figura 57). Esta operaciĂłn normalmente requiere del uso de pequeĂąas bolas metĂĄlicas que viajan al fondo. Para ahorrar tiempo, la bola es generalmente lanzada dentro de la tuberĂa de revestimiento, permitiendo que caiga libremente, mientras se conectan e introducen los Ăşltimos cinco tramos de tuberĂa de revestimiento. La velocidad de caĂda libre se estima en 61 m/min. La bola puede ser bombeada al fondo; sin embargo, debe posicionarse mientras se bombea; la conversiĂłn puede ocurrir sin ninguna indicaciĂłn en el manĂłmetro. De otra manera, con la bola apropiadamente situada, el tubo de orificio puede ser descargado por la aplicaciĂłn de 300 a 800 psi, dependiendo del fabricante de la vĂĄlvula. Algunos fabricantes indican un gasto de flujo opcional, para convertir la vĂĄlvula sin el empleo de la bola. Esta opciĂłn es de mayor aplicaciĂłn cuando la desviaciĂłn del agujero es superior de 30Â°, debido a que se presenta la dificultad de posicionar la bola apropiadamente. La vĂĄlvula de acciĂłn vertical o vĂĄlvula de tapĂłn El resorte de carga que actĂşa sobre el tapĂłn para sostenerlo en posiciĂłn de abierto y permitir el llenado de la TR. El tapĂłn es liberado para impedir el flujo en sentido inverso, y establecer un mĂnimo de gasto a travĂŠs de la vĂĄlvula. El gasto mĂnimo estĂĄ generalmente entre 4 y 8 bl/min. Los coples de vĂĄlvula de acciĂłn vertical estĂĄn diseĂąados para retener el mecanismo de viaje. AsĂ dos unidades de vĂĄlvulas de acciĂłn vertical (zapata y cople) pueden ser usados para proporcionar un seguro de sello adicional.

= *DVWR YROXPpWULFR EO PLQXWR = 9HORFLGDG SURPHGLR OLQHDO SLHV VHJ = 'HQVLGDG GHO IOXLGR OE PDVD JDO

La pĂŠrdida de presiĂłn debida a la fricciĂłn se calcula con la siguiente formula: â&#x2C6;&#x2020;3 = 0.03875

1 5H JHQ GRQGH

'( = '+ â&#x2C6;&#x2019; 'S

Cuando la lechada tiene un comportamiento como Ley de Potencia, la mejor lĂnea recta deberĂĄ ser trazada a travĂŠs de los puntos de los datos calculados en la grĂĄfica logarĂtmica, de la velocidad de corte contra el esfuerzo cortante. ParĂĄmetros generalizados Îˇâ&#x20AC;&#x2122; , Îş â&#x20AC;&#x2122; Îˇâ&#x20AC;&#x2122; =Îˇ

Îˇ . â&#x20AC;&#x2122; = . ďŁŽďŁŻ 3Îˇ + 1ďŁšďŁş J ďŁ° 4Îˇ ďŁť 'RQGH : Îˇ = Ă&#x2039;QGLFH GH FRPSRUWDPLHQWR GH IOXMR DGLPHQVLRQDO Îˇ â&#x20AC;&#x2122; = 7pUPLQR JHQHUDOL]DGR DGLPHQVLRQDO . â&#x20AC;&#x2122; = 7pUPLQR JHQHUDOL]DGR HQ OE IXHU]D VHJÎˇ â&#x20AC;&#x2122; / SLH2 F

SLH

)DFWRU GH FWWH 8QLYHUVDO HQ ,EPSLH ,EIXHU]D VHJ

JHQ

1086 9 2â&#x2C6;&#x2019;Îˇ â&#x20AC;&#x2122;Ď Îˇâ&#x20AC;&#x2122; . â&#x20AC;&#x2122;(96 / ' ) (

FDOFXODU 9 XVDQGR OD HFXDFLyQ VLJXLHQWH

= 17.16 Ă&#x2014;

(' 2 â&#x2C6;&#x2019; ' 2 ) +

'RQGH 1

5H JHQ

: = 1~PHUR GH 5H\QROG JHQHUDOL]DGR DGLPHQVLRQDO

No. Reynolds CrĂt. 3,000 3,100 3,200 3,300 3,400 3,500 3,600 3,700 3,800

Gasto de bombeo mĂnimo para estar en rĂŠgimen turbulento = 0.05828( ' â&#x2C6;&#x2019; '

4PLQ

ďŁŽ1 )ďŁŻ ďŁ°

5H FULW

(96 /

â&#x20AC;&#x2122;

1.86 Ď

)Îˇ â&#x20AC;&#x2122; ďŁš 2â&#x2C6;&#x2019;Îˇ â&#x20AC;&#x2122; ďŁş ďŁť

= *DVWR GH ERPEHR PtQLPR SDUD IOXMR WXUEXOHQWR EO PLQXWR

1 5H FULW

1 5H

A 1 0.94 0.84 0.74 0.64 0.54 0.44 0.34 0.24

Tabla 4.

GRQGH

NĂşmero de Reynolds

Rango de nÂ´ de: 0.95 0.85 0.75 0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 0.00

4PLQ

Ă&#x2039;QGLFH GH FRQVLVWHQFLD GHO IOXLGR ,EP VHJ

= 3pUGLGD GH SUHVLyQ SRU IULFFLyQ OE IXHU]D SXOJ

Tabla de correspondencia de valores de nÂ´ y el NĂşmero de Reynolds CrĂtico para fluidos en Ley de Potencia.

Â&#x2022; Comportamiento en ley de potencia

= /RQJLWXG HQ HO DQXODU SRU FHPHQWDU SLHV

'( = GLiP. KLGUiXOLFR HQ HO DQXODU SJ '+ = GLiP. GHO DJXM. R LQW. GH WXE. H[W SJ '3 = GLiP. H[W. GH WXE. SRU FHPHQWDU SJ

J F [ LQWHUFHSFLyQ

= )DFWRU GH IULFFLyQ GH )DQQLQJ DGLPHQVLRQDO

Î¸ = /HFWXUD GHO YLVFRVtPHWUR HQ JUDGRV LQVWUXPHQWR

Ď /9 2

Ď&#x201E; = (VIXHU]R FRUWDQWH OEI / SLH 2

Donde

â&#x2C6;&#x2019;1

1 = 9HORFLGDG GHO YLVFRVtPHWUR HQ USP

VĂĄlvulas de charnela u orificio de llenado

= 'LiPHWUR H[WHUQR GH OD WXEHUtD D FHPHQWDU SXOJ

'3 4

= 1~PHUR GH 5H\QROG &UtWLFR JHQHUDOL]DGR DGLPHQVLRQDO

Comportamiento en plĂĄstico Bingham Cuando la lechada tiene un comportamiento como un plĂĄstico de Bingham, la mejor lĂnea debe ser trazada a travĂŠs de los puntos de los datos en la grĂĄfica lineal de la velocidad de corte contra el esfuerzo cortante.

IngenierĂa de Cementaciones

Debe obtenerse la pendiente y la interceptaciĂłn de la lĂnea a la velocidad de corte igual a cero. El cruce de la lĂnea es el esfuerzo cortante de cedencia de la lechada, la pendiente de la lĂnea es usada para calcular la viscosidad plĂĄstica de la lechada por medio de la siguiente relaciĂłn:

Îˇ = J F Ă&#x2014; ( SHQGLHQWH) GRQGH : Îˇ = 9LVFRVLGDG SOiVWLFD OEP SLH VHJ NĂşmero de Hedstrom

= 0.6234

1 +H

= 1.6714

â&#x20AC;&#x2122;

GRQGH

Îˇ 2

Îˇ

1 5H

= 1~PHUR GH 5H\QROG SDUD SOiVWLFRV %LQJKDP DGLPHQVLRQDO

1 +H

= 1~PHUR GH +HGVWURP DGLPHQVLRQDO

= (VIXHU]R FRUWDQWH GH FHGHQFLD OE IXHU]D SLH 2

Îˇ = 93 = 1.5 (Î¸ 300 â&#x2C6;&#x2019; Î¸ 100 ) Ď&#x201E;

= 3& = Î¸ 300 â&#x2C6;&#x2019; 93

donde: PC = Punto de Cedencia........( lbf/100 pie2) VP= Viscosidad PlĂĄstica en.....( cp ) CĂĄlculo de la pĂŠrdida de presiĂłn por fricciĂłn En la grĂĄfica que relaciona al NĂşmero de Reynolds con el Factor de FricciĂłn de Fanning y el NĂşmero de Hedstrom, asĂ como el punto de transiciĂłn del rĂŠgimen laminar a rĂŠgimen turbulento, se toma como el punto de intersecciĂłn de la lĂnea de flujo laminar dado (lĂnea del NĂşmero de Hedstrom) y la lĂnea oscura gruesa (curva para flujo turbulento de fluidos newtonianos). DetrĂĄs de esta intersecciĂłn, el factor de fricciĂłn deberĂĄ leerse de la curva de flujo turbulento para fluidos newtonianos. Con el factor de fricciĂłn determinado de la grĂĄfica, la pĂŠrdida de presiĂłn debido a la fricciĂłn deberĂĄ calcularse, usando las ecuaciones para ambos flujos laminar y turbulento, con la relaciĂłn:

I =

9 =

&DSDFLGDG

(' +

â&#x20AC;&#x2122; â&#x2C6;&#x2019; ' 3 )1 Re . FULW Îˇ ..... EO / PLQ Ď

4 HVS . DQXODU

GRQGH 9 9HORFLGDG HQ HO DQXODU SLHV PLQXWR &DSDFLGDG HQ HO HVSDFLR DQXODU EO SLH

'(9

Ď&#x201E;

CĂĄlculo del tiempo de desplazamiento de la lechada 4 PLQ = 0 . 09348

El NĂşmero de Reynolds y el NĂşmero de Hedstrom son definidos por las siguientes relaciones: 1 Re

O de la misma grĂĄfica distinguiendo las zonas en funciĂłn del NĂşmero de Reynolds. El NĂşmero de Reynolds CrĂtico se lee en la grĂĄfica en el punto de intersecciĂłn como se indicĂł con anterioridad. El gasto mĂnimo para obtener flujo turbulento se determina con la siguiente relaciĂłn:

16 â&#x20AC;&#x2122; 1 Re.

A pesar de estos trabajos iniciales, el desplazamiento del lodo permanece como sujeto de muchos trabajos teĂłricos y experimentales actuales, esto se debe, en parte, al incremento de la complejidad del problema (pozos mĂĄs profundos, pozos direccionales, etcĂŠtera). Sin embargo, la mayor dificultad surge del factor que ambas aproximaciones experimentales y teĂłricas presentan severas limitaciones. Un primer logro a la aproximaciĂłn teĂłrica parece mĂĄs atractivo debido a que hay mayor retro informaciĂłn asociada con los mecanismos experimentales. Los volĂşmenes grandes, ademĂĄs del bombeo y desplazamiento del cemento, tienden a causar desgastes excesivos e incrementan la frecuencia de fallas del equipo de flotaciĂłn.

Para obtener el tiempo de desplazamiento de la lechada al espacio anular, se procede a calcular el volumen de la tuberĂa de revestimiento que se estĂĄ cementando, sin considerar el volumen del cople a la zapata. El volumen determinado por desplazar se maneja generalmente en unidades inglesas de campo barriles (un barril=159 litros), para facilitar el cĂĄlculo y la operaciĂłn, ya que el equipo de cementaciĂłn tiene cubicadas las cajas de fluidos en barriles (de 10 o 18 barriles por caja) y las tablas de volĂşmenes manejan bl/pie, m 3 /m y el gasto volumĂŠtrico de las bombas se maneja en bl /min.

DespuĂŠs de que el cemento es desplazado, la vĂĄlvula de flotaciĂłn debe evitar el flujo de regreso a la tuberĂa de revestimiento. La falla de la vĂĄlvula de flotaciĂłn se manifiesta en la presiĂłn de superficie y necesariamente debe ser contenida. Por otra parte, la aplicaciĂłn de presiĂłn en la superficie es indeseable debido a que ĂŠsta expande a la tuberĂa de revestimiento en el periodo de endurecimiento del cemento. Cuando la presiĂłn es descargada, la tuberĂa se contrae a sus condiciones normales de diĂĄmetro causando una micro separaciĂłn anular entre la tuberĂa y el cemento. Aunque pequeĂąa, la separaciĂłn anular compromete el aislamiento de las zonas.

Por lo tanto, el tiempo de desplazamiento de la lechada se obtiene de la siguiente relaciĂłn:

Otras razones para seleccionar una vĂĄlvula de flotaciĂłn:

DeterminaciĂłn del tiempo de fraguado Tdesplazamiento= Volumen de t.r. bl/Q.bl/min.

Âˇ Âˇ

donde T=tiempo de desplazamiento .....minutos.

Âˇ

El tiempo de fraguado se debe ajustar empleando un agente retardador o un acelerador dependiendo del tiempo necesario para efectuar la operaciĂłn completa de cementaciĂłn, que comprende: el tiempo para preparar y bombear la lechada al pozo, asumiendo una velocidad de mezclado de una tonela-

Âˇ

Son mĂĄs simples, no requieren viajes adicionales para iniciar la funciĂłn de la vĂĄlvula de contrapresiĂłn. Debido a que todos los fluidos desplazados deben circular por el anular hasta la superficie. El lodo puede ser agitado y acondicionado mĂĄs continuamente. Los pozos desviados pueden ser mĂĄs claramente indicados y controlados. La tuberĂa de revestimiento puede ser llenada con un lodo limpio bien acondicionado para la cementaciĂłn.

Las presiones de irrupciĂłn son generadas cada vez que la tuberĂa de revestimiento es levantada y baja-

da y son el producto de la inercia y la resistencia al flujo del fluido desplazado. Las presiones de irrupciĂłn combinadas con las diferenciales hidrostĂĄticas pueden exceder la resistencia al colapso de la tuberĂa de revestimiento o la presiĂłn de fractura de la formaciĂłn. Esto causa pĂŠrdidas de lodo o daĂąo permanente a la formaciĂłn. Adicionantes externos tales como los centradores y raspadores reciprocantes pueden incrementar la resistencia al flujo y deben ser considerados cuando se determine una velocidad de introducciĂłn segura. Las velocidades de introducciĂłn crean velocidades de flujo anular aceptables durante la perforaciĂłn y son, generalmente; consideradas seguras. La ecuaciĂłn derivada del modelo plĂĄstico de Bingham puede ser usada para estimar una velocidad de introducciĂłn mĂĄxima segura a una profundidad en particular. Los efectos de anormalidades del pozo y agregados externos son despreciados. El flujo turbulento es asumido y un factor de fricciĂłn en el peor de los casos de 0.03 debe ser usado. 2

Vp = [25.6*Ps*(Dh-Dp) / (f*L*r)] * [(Dh /Dp )-1] Donde: Vp

f L r Dh Dp Ps Psf

= Velocidad mĂĄxima de la introducciĂłn de la tuberĂa para prevenir daĂąo a la tuberĂa y a la formaciĂłn. = 0.03 (factor de fricciĂłn del lodo) = Profundidad (pies) = Densidad ( lb / gal)

= DiĂĄmetro del agujero (pg) = DiĂĄmetro de la tuberĂa ( pg) = Es el menor de Psf o de Psc (psi) = 0.5*L(Gf - 0.052*r) protecciĂłn a la formaciĂłn Psc = 0.5(Pscm -0.052 *r) ProtecciĂłn a la tuberĂa Gf = Gradiente de fractura Pscm= Resistencia mĂnima al colapso de la tuberĂa (psi) Equipo de llenado automĂĄtico Las zapatas y coples de llenado automĂĄtico contienen vĂĄlvulas de contrapresiĂłn similares a las usa-

Ingeniería de Cementaciones

Figura 56 Equipo de flotación.

autollenado, debido a su gran espacio interior que permite el paso de componentes de los coples de autollenado, al convertirlos a sistema de válvula de contrapresión. Equipo de flotación A medida que se van incrementando las profundidades de perforación de los pozos, las estructuras de los mástiles del equipo de perforación se ven sometidas a mayores esfuerzos y fatigas por incremento de las longitudes y pesos de las tuberías de revestimiento. El uso de un equipo de flotación, reduce estos esfuerzos y fatigas, aprovechando el efecto de flotación aplicado a la tubería ( figura 56). El equipo de flotación consiste de zapatas y coples especiales con válvulas de contrapresión que impiden la entrada de los fluidos del pozo. Conforme la tubería es bajada, la carga al gancho es reducida en la misma magnitud dada por el peso del fluido desplazado por la sarta. La tubería es llenada desde la superficie y se controla su peso monitoreándolo en un indicador en donde se observa el peso sobre la polea viajera. La secuencia del llenado es generalmente cada 5 a 10 tubos, sin embargo, algunas tuberías con diámetros mayores o tuberías con pared delgada pueden requerir un llenado más frecuente para impedir el colapso de la tubería. Además para un llenado apropiado, la tubería debe bajarse en forma lenta y continua para evitar la presión de irrupción o de pistón y daño a la formación. Una vez que la tubería de revestimiento llega al fondo, se llena y la circulación es establecida para em-

Ingeniería de Cementaciones

pezar el acondicionamiento del pozo, para lo cual se circula, por lo menos, un volumen equivalente a la capacidad del agujero; sin embargo, para optimar las condiciones del agujero y del lodo para efectos de la cementación, algunos programas de perforación requieren circular el volumen indicado. El principal objetivo de un trabajo de cementación primaria es proporcionar un aislamiento completo y permanente a las zonas permeables localizadas atrás de la tubería de revestimiento. Para lograr este objetivo el lodo de perforación y los frentes de lavado y espaciador deben ser completamente removidos del anular y el espacio anular debe ser entonces llenado completamente con la lechada de cemento. Una vez colocado el cemento en su lugar éste debe endurecer y desarrollar las propiedades mecánicas necesarias para mantener la vida productiva del pozo. De tal manera que una buena remoción del lodo y una apropiada colocación de la lechada son esenciales para obtener el aislamiento en el pozo. Un desplazamiento incompleto del lodo puede inducir a una canalización de lodo continuo a través de las zonas de interés y de tal forma favorecer la comunicación entre las zonas. La durabilidad de la adherencia del cemento está también relacionada al proceso de desplazamiento. Esto es el porqué el desplazamiento del lodo ha sido un tópico de interés por mucho tiempo en el ámbito de la cementación de pozos. Las investigaciones respecto a los procesos de colocación del cemento iniciaron en 1930. Algunos factores clave que influyen en las fallas de los trabajos de cementación primaria fueron identificados y las soluciones fueron propuestas al inicio de los años cuarenta. Usando un simulador a gran escala, Jones y Berdine (1940) mostraron que un pobre aislamiento de las zonas puede ser atribuido a la canalización de la lechada de cemento a través de lodo, un fenómeno el cual ellos encontraron se debe a la excentricidad de la tubería de revestimiento. La presencia de enjarre del lodo residual entre la interface del cemento /formación fue también identificado como una de las causas del pobre desplazamiento del lodo. Para minimizar la canalización del cemento Jones y Berdine propusieron centrar la tubería de revestimiento. Ellos también encontraron formas efectivas para remover el enjarre del lodo, incluyendo toberas de flujo, raspadores, movimientos reciprocantes de la tubería de revestimiento y la posibilidad de bombear ácido a la cabeza de la lechada de cemento.

da de mezcla seca por minuto, en todas las cementaciones primarias, excepto la cementación de la tubería conductora donde la velocidad de mezclado es de 0.5 a 0.75 toneladas por minuto; el tiempo para soltar el tapón ciego de limpieza y el tiempo para efectuar el desplazamiento al gasto de bombeo determinado en el análisis hidráulico, más un factor de seguridad de una a una y media horas, debido a la variación en la respuesta que los cementos presentan a los aditivos. Aditivos para el control de agua libre Los principales agentes de control de agua libre son aditivos cuyo objetivo principal no es el control del agua libre. Actúan adicionando agua a sus moléculas, como una de sus características de comportamiento en las lechadas de cemento, con lo cual evitan que las lechadas presenten agua libre. Dentro de éstos se tiene a los agentes de control de filtrado, que desarrollan una débil estructura de gel al hidratarse y los agentes extendedores de las lechadas de cemento, cuyos objetivos son: reducir la densidad de la lechada, con grandes cantidades de agua para aumentar de esta forma su rendimiento; los agentes de bloqueo de migración de gas a través del cuerpo de cemento, que controlan el desarrollo prematuro de gel, le regulan drásticamente el filtrado de la lechada y evitan la presencia de agua libre por adherirla a su retícula estructural. Cuando se diseñan lechadas de baja densidad es frecuente que, por obtener densidades menores, se manejen volúmenes de agua superiores a la capacidad o requerimiento de agua del extendedor, lo que provoca una excesiva agua libre. En estos casos se debe aumentar un poco la concentración del extendedor. También los agentes dispersantes tienden a liberar agua de la lechada, acción que contrarresta el agente de control de filtrado. En general, cuando se diseñan las lechadas para las cementaciones primarias, se debe tener un valor de agua libre de 0 cm3; pero cuando se trata de la cementación de agujeros desviados u horizontales, se debe tener especial atención a los fenómenos de asentamiento de sólidos y liberación de agua que siempre están asociados.

Aditivos para el control de filtrado Cuando las lechadas son expuestas a presión durante el desplazamiento a zonas permeables, ocurre un proceso de filtrado: la fase acuosa escapa de la lechada a través de los poros de la formación, lo que origina, por una parte, daño a la formación y, por otra, que las características reológicas de la lechada cambien drásticamente, hasta el extremo de producir problemas como no poder bombear o un empacamiento de sólidos en el frente de la región permeable y arriba de ésta. Por esta razón es importante controlar el filtrado de las lechadas de cemento. Los mecanismos exactos y actuales de trabajo de los agentes de control y regulación del filtrado son poco entendibles. Pero si al iniciarse el proceso de filtración, las partículas sólidas se depositan en la cara de la superficie permeable y forman un enjarre; los agentes de control de filtrado bajan la velocidad de filtración y reducen la permeabilidad del enjarre y/o incrementan la viscosidad de la fase acuosa. Existen dos clases principales de aditivos de control de filtrado: materiales sólidos granulares finamente divididos y polímeros solubles en agua. Los agentes de control de filtrado trabajan conjuntamente con los dispersantes. Efectúan una distribución homogénea de las partículas sólidas, disminuyen el porcentaje de agente de control de filtrado necesario para obtener el valor de filtrado deseado, con respecto a cuando se utiliza sólo el agente de control de filtrado. Aditivos dispersantes de la lechada de cemento Las lechadas de cemento son suspensiones altamente concentradas de partículas sólidas en agua, hasta con un 70 % de contenido de sólidos. La reología de estas suspensiones está relacionada con la reología del líquido que soporta los sólidos, a la fracción volumétrica de los sólidos (volumen de partículas / volumen total) y a las interacciones entre las partículas. En la lechada, el fluido intersticial es una solución acuosa de varias especies iónicas y aditivos orgánicos; de esta forma su reología puede diferir grandemente de la reología del agua. Las interacciones entre las partículas dependen principalmente de la distribución de las cargas sobre la

IngenierĂa de Cementaciones

superficie del sĂłlido. Los dispersantes del cemento ajustan las cargas superficiales de las partĂculas sĂłlidas para obtener las propiedades reolĂłgicas de las lechadas deseadas. Los dispersantes del cemento mĂĄs comunes son los sulfonatos polimĂŠricos que se ionizan al estar en soluciĂłn con el agua y son atraĂdos por las cargas electrostĂĄticas de la superficie de las partĂculas sĂłlidas del cemento. Forman una fina capa alrededor del grano, reducen la pĂŠrdida de presiĂłn por la fricciĂłn al ser bombeados y efectĂşan una distribuciĂłn homogĂŠnea del tamaĂąo de las partĂculas.Todo esto influye fuertemente en el control del filtrado. Los dispersantes disminuyen la viscosidad y punto de cedencia de las lechadas y tienden a favorecer el asentamiento de los sĂłlidos y liberaciĂłn de agua, por lo que no se recomienda su empleo sin el agente de control de filtrado. Aditivos de control de tiempo de espesamiento Los agentes retardadores del fraguado del cemento, al igual que los agentes aceleradores, son comprendidos como agentes catalizadores en el proceso de reacciĂłn de hidrataciĂłn del cemento. Se les consideran catalizadores positivos los que aumentan la velocidad de reacciĂłn de hidrataciĂłn, acortando el tiempo de espesamiento (aceleradores) y catalizadores negativos los que disminuyen la velocidad de hidrataciĂłn, aumentando el tiempo de espesamiento. Los mecanismos de cĂłmo trabajan los catalizadores en general, incrementando o disminuyendo la velocidad de reacciĂłn, es a la fecha tema de discusiĂłn. El acelerador del tiempo de espesamiento del cemento mĂĄs confiable en su trabajo es el cloruro de calcio. Se dosifica de 0.5 % a 6 % por peso de cemento.

IngenierĂa de Cementaciones

Lignosulfonatos ĂĄcidos de calcio y de sodio Cromolignosulfonatos de calcio Hidroxicarboxil celulosa ĂĄcida Compuestos sacĂĄridos Compuestos derivados de la celulosa Compuestos organofosfonatos Sales del ĂĄcido fosfĂłrico Ă cido bĂłrico Sales del ĂĄcido fluorhĂdrico Ă&#x201C;xido de zinc Ă&#x201C;xido de plomo Siempre deben verificarse en el laboratorio los parĂĄmetros reolĂłgicos, el valor de filtrado, espesor de enjarre, agua libre, su tiempo de espesamiento y su resistencia a la compresiĂłn, a las 8, 12 y 24 horas bajo condiciones de presiĂłn y temperatura de los diseĂąos de lechada propuestos para cualquier cementaciĂłn primaria. El tiempo de espesamiento debe ser suficiente para realizar la operaciĂłn de cementaciĂłn en el campo, pero no debe ser significativo en el desarrollo de la resistencia a la compresiĂłn. VerificaciĂłn de la resistencia a la compresiĂłn de los diseĂąos ideados de las lechadas En cuanto a los diseĂąos de lechada que se aplican en cualquier cementaciĂłn primaria, se debe verificar el desarrollo de su resistencia a la compresiĂłn en 8, 12 y 24 horas de permanecer en reposo a las condiciones de fondo de presiĂłn y temperatura, basĂĄndose en las Normas API SPEC 10. Los valores de resistencia estipulados para cemento solo, aplicable al control de calidad del cemento clase H, son: 300 psi (21 kg/cm2) a las 8 horas de curado a 100ÂşF (38ÂşC) y presiĂłn atmosfĂŠrica

Otros aceleradores son el cloruro de sodio y el sulfato de calcio.

1,500 psi (105.6 kg/cm2) a las 8 horas de curado a 140ÂşF (60ÂşC) y presiĂłn atmosfĂŠrica

Los retardadores del tiempo de espesamiento se clasifican en orgĂĄnicos e inorgĂĄnicos; ĂŠstos a su vez en de alta, media y baja temperatura de trabajo.

En cuanto a la resistencia a la compresiĂłn que debe desarrollar la lechada diseĂąada para cualquier cementaciĂłn primaria, se acepta como la resistencia mĂnima que debe tener el cemento para soportar el peso de la tuberĂa, de 500 psi (35 kg/ cm2) a las condiciones de 3,000 psi y la tempera-

Los retardadores del tiempo de espesamiento mĂĄs comĂşnmente empleados son:

XII. ACCESORIOS PARA TUBERĂ?AS DE REVESTIMIENTO

)LJ 1R =DSDWDV *XtDV

Los accesorios normalmente empleados en las operaciones de cementaciĂłn de las tuberĂas de revestimiento se presentan en la figura 54. Tipos de accesorios Zapatas La parte inferior de la tuberĂa de revestimiento es protegida por una zapata guĂa. Coples Un cople flotador o cople de auto-llenado es colocado uno o dos tramos de tuberĂa arriba de la zapata para proporcionar, entre otras funciones, un asiento para los tapones de cementaciĂłn y parar finalizar el trabajo de colocaciĂłn del cemento, cuando llega a este lugar el tapĂłn de desplazamiento. La secciĂłn corta de tuberĂa que separa a la zapata y al cople flotador es proporcionada como un amortiguador dentro de la tuberĂa para retener la parte final de la lechada, con posible contaminaciĂłn. Esta secciĂłn puede ser mayor de dos tramos de tuberĂa para asegurar la colocaciĂłn de buena calidad de cemento en la parte exterior de la zapata. Tapones Los tapones actĂşan como barreras de separaciĂłn entre las lechadas de cemento, y entre el fluido de perforaciĂłn y fluidos de desplazamiento. Centradores Los centradores son colocados en las secciones crĂticas de interĂŠs para centrar la tuberĂa y obtener una mejor distribuciĂłn del cemento alrededor de ĂŠsta, mejorando de esta manera la calidad de la cementaciĂłn primaria. Zapata guĂa Es la forma bĂĄsica de zapata para tuberĂa de revestimiento, no contienen vĂĄlvulas de contra presiĂłn ni mecanismos de control de flujo y es usada para proteger las aristas de la parte inferior de la tuberĂa. La mayor parte de los tipos de zapata guĂa contie-

Zapata guĂa Tipo Regular

Zapata guĂa con turbulencia Tipo Aluminio

Zapata guĂa Tipo Cemento

Zapata guĂa (Tipo Cemento con orificios laterales

Figura 55 Zapata guĂa.

nen una nariz redondeada para guiar la tuberĂa a travĂŠs de desviaciones y restricciones del agujero. Sin embargo, el modelo de zapata guĂa "regular" no tiene una nariz redondeada por lo que no se recomienda su empleo en agujeros desviados. Esta zapata regular simplemente sirve para reforzar la arista mĂĄs baja de la tuberĂa de revestimiento debido a su construcciĂłn con espesor de pared mayor y proporciona un bisel interno para guĂa de subsecuentes herramientas de perforaciĂłn, corridas dentro de la tuberĂa de revestimiento. En la figura 55 se muestran varios tipos de zapatas guĂa, las cuales incluyen diferentes perfiles y orificios de salida. La nariz y los componentes internos son construidos en material molible como son el cemento y el aluminio. El cuerpo generalmente es construido del mismo acero que los coples de la tuberĂa de revestimiento, tĂpicamente K-55 o N-80. La nariz de la zapata de aluminio incluye guĂas helicoidales, las que inducen una acciĂłn de turbulencia que sirve para limpiar y levantar los recortes alrededor de la zapata, con lo cual se mejora la colocaciĂłn de la lechada de cemento. Las zapatas con orificios laterales de flujo permiten una acciĂłn secundaria, para que la tuberĂa pueda ser sentada en el fondo mientras se cementa. Los orificios laterales pueden tambiĂŠn mejorar la remociĂłn y lavado cuando es necesario circular para evitar pegaduras de la sarta. Las zapatas guĂa son generalmente usadas en profundidades someras o moderadas combinadas con un cople flotador o uno de autollenado. Ă&#x2030;stas son generalmente colocadas debajo del cople de

Ingeniería de Cementaciones

Normalmente la circulación inversa cubre el área circundante del empacador y una distancia corta debajo de éste, por lo cual el volumen de fluido para dar circulación inversa es igual a la capacidad de la sarta de trabajo, de 24.2 bl. La cantidad mínima de agua que se debe tener en la localización para efectuar la operación será: Volumen de tubería de producción Volumen del revestidor Volumen de circulación inversa Volumen de agua para la mezcla Agua residual en tanque Agua mínima para la cementación

igual a 3,480 lt - 115 lt= 3,365 lt si dividimos éstos entre la capacidad de la sarta de trabajo se tiene 3365/ 3= 1,121.7 m llenos de lechada, los cuales producen una carga hidrostática de 222 kg/cm2, el resto de la longitud de la tubería de producción está llena con agua y da una carga hidrostática similar

24.2 bl 0.72 bl 24.2 bl. 12.0 bl 19.0 bl 80.0 bl

tura estática de fondo del pozo, generalmente se espera que esta resistencia a la compresión se adquiera dentro de las primeras 8 horas de curado.

miento superficial. Para determinar su peso se toman en cuenta los siguientes parámetros:

En el laboratorio, las cédulas de bombeo vienen elaboradas en las Normas API SPEC 10 y dentro de éstas las dirigidas a la cementación primaria de tuberías corridas hasta la superficie son de la 1g a la 11g, con las siguientes características:

Densidad del Fluido de Control rfc (gr/cm3) Densidad del Acero rac=( 7.85 gr/cm3) Densidad del Cemento rc (gr/cm3) Grado de la Tubería Gr Peso de la Tubería WTR (lb/pie) Longitud de cada grado de la tubería (m) LTR Capacidad de la tubería de revestimiento CTR (lt/m)

Cédulas de bombeo

- Información por calcular: &e'8/$

352)

35(6,Ï1

*5$'

7(03 &,5&

)21'2 SVL

305

1,000

0.9

610

1,500

0.9

1,220

2,600

0.9

1,830

3,900

0.9

112

2,440

5,200

1.1

129

3,050

7,500

1.1

146

3,660

10,200

1.3

185

4,270

13,400

1.3

215

4,880

16,100

1.3

245

10g

5,490

18,800

1.5

308

11g

6,100

22,000

1.5

348

&,5& 7(50

)21'2 )

) S

Normalmente, donde se aplica este tipo de operaciones son pozos ya trabajados, explotados por un cierto periodo, y sus tuberías ya no tienen los mismos valores de parámetros de presión interna y de colapso, por lo que se debe tener mucho cuidado con las presiones aplicadas de trabajo y uno de los puntos más críticos es la inyección del cemento, así como la circulación inversa. La presión para circular el cemento a la inversa hasta fuera del pozo, puede exceder las limitaciones de la tubería vieja.

Tabla 5

La capacidad de la tubería de revestimiento es de 115 lt, 0.72 bl. El volumen de la sarta de trabajo es de 24.2 bl. Si le restamos al volumen de lechada, el volumen de la tubería de revestimiento queda: Volumen de lechada dentro de la sarta de trabajo es

Factor de Flotación Peso Teórico de la tubería Peso Físico de la tubería Volumen de la lechada Volumen de agua de mezcla Volumen de desplazamiento Tiempo de desplazamiento Gasto de desplazamiento Presión diferencial

FF WT WF Vlc Va Vd T Q Pdif

(lb) (lb) (lt) (lt) (lt) (min) (lt/emb) (kg/cm2)

Factor de flotación (FF). Este factor se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación: FF = 1- rfc / rac

Para determinar anticipadamente qué presión podría obtenerse para desplazar el cemento en circulación inversa, se calcula en condiciones donde el cemento apenas llegó a la última perforación, ya que podría ser que en ese momento no se inyectara más cemento. Para calcular la presión máxima al circular inversa, se toma la altura del cemento en la sarta de trabajo.- El volumen total del cemento para 100 sacos es 3,480 lt, 21.89 bl de lechada.

Información disponible:

Figura 54 Arreglo típico de la tubería de revestimiento en trabajos de cementación primaria.

en ambos lados por lo tanto la diferencia en carga hidrostática se limita a esta sección de columna, y representa una presión diferencial de 110 kg/cm2, 1,562 psi, que será el valor de presión que se tendrá que aplicar para efectuar la circulación inversa, aproximadamente. Este es un ejemplo de cálculo pero, basándonos en los barriles inyectados en cada operación tendremos la base para determinar la altura de cada fluido en el interior de la sarta de trabajo.

Cuando se va a efectuar una cementación primaria a profundidad mayor de 6,100 m, se deberá elaborar la cédula de bombeo correspondiente. Se deben tomar en cuenta la nueva profundidad, la temperatura estática de fondo medida y la presión hidrostática en el fondo, ejercida por el fluido de control y presión de bomba. En el campo, el sistema computarizado elabora una cédula de bombeo de la secuencia de la operación, narrando cada minuto o cada dos minutos las condiciones que prevalecen en el pozo, de acuerdo con el análisis hidráulico efectuado por el simulador. Esta información es tomada de la cédula de bombeo por el sistema y transportada a la forma gráfica para mayor interpretación.

· Peso teórico de la tubería (WT). Para el cálculo se emplea la siguiente ecuación: WT = (LTR * 3.28 * WTR) / 2.2 ( kg ) Si se tienen tuberías de diferente peso, éste se debe calcular por secciones. · Peso físico de la tubería ( WF ). Éste se obtiene de multiplicar el peso teórico por el factor de flotación. WF = WT* FF · Volumen de lechada ( VLc ) se aplica la siguiente ecuación; VLC= cemento (ton) * 20 * rendimiento (lt/sc) (lt)

Cálculos, fórmulas y procedimientos

Para el cálculo del volumen de agua requerida para mezclar el cemento (Va), se aplica la siguiente ecuación:

Cálculos de la operación de una tubería de revesti-

Va=cemento (ton) * 20 * agua necesaria (lt/sc) (lt)

Ingeniería de Cementaciones

Para el cálculo del volumen de desplazamiento ( Vd ) se toman en cuenta las diferentes capacidades de la TR y se utiliza la siguiente ecuación: Vd = CTR * LTR

( lt )

donde,

CTR - capacidad de la TR (lt/m ) LTR - Longitud de la TR hasta el cople flotador ( m ) Como el volumen que se va a desplazar es muy grande en estas tuberías, es necesario reducir el tiempo de desplazamiento para evitar un problema de fraguado prematuro. Por lo tanto, se debe desplazar con la bomba del equipo y calcular el tiempo de desplazamiento ( T ), utilizando la siguiente ecuación:

Presión diferencial. Se define como la diferencia de densidades del fluido de control y el cemento, desde el cople hasta la altura máxima que alcanzará el cemento en el espacio anular. Se calcula con la siguiente ecuación: donde, Pd = (L ( rC - rfc ) ) / 10 L = (VLC - Vzc ) / CEA y, Vzc = (CTR) hzc donde, L - altura del cemento en el espacio anular (m) rC - densidad del cemento (gr/cm3) rfC - densidad del fluido de control (gr/cm3) CEA - capacidad del espacio anular ( lt/m) Vzc - volumen de lechada dentro de TR entre zapata y cople (lt). hzc - longitud entre zapata y cople (m).

T = Vd/(Q*epm*Ef) ( min ) donde, Q - gasto ( lt/emb ) epm - número de emboladas por minuto Ef - Eficiencia ( % )

Q = ( 0.03862 ) (Dc )(Lv) (lt/emb)

Este tiempo debe considerarse cuidadosamente en las tuberías superficiales, principalmente en las de 16", 13 3/8" y 9 5/8" para verificar el viaje del tapón desplazador y antes de que llegue al cople bajar el gasto de desplazamiento para evitar que el tapón llegue de golpe y origine un problema de desprendimiento de TR. La tubería de 20" actualmente no presenta este problema ya que al realizar la operación se utiliza la herramienta de stab-in que se baja con TP de 5".

cemento

L COPLE Cople

hzc

Vzc ZAPATA

Zapata Figura 8.

Cemento H Agua Suma

Peso Kg. 50 19 69

Agua lt 19 19

Rendimiento lt 15.8 19.0 34.8

Densidad = 69/34.8 = 1.98 gr/cm Agua 19 lt/sc Rendimiento 34.8 lt/sc

La cantidad de cemento que se va a emplear de acuerdo con la experiencia de campo es de 100 sacos 5,000 kg. Volumen de lechada = 34.8 lt/saco x 100 sacos = 3,480 lt = 21.89 bl

El arte para un forzamiento exitoso es determinar el problema antes de iniciar el trabajo.

Con estas ecuaciones se calculan diferentes tiempos de desplazamiento y se genera una tabla en donde se elige el gasto para desplazar tomando en cuenta el menor tiempo posible y la presión máxima de desplazamiento.

Inicio del

Las cimas de cemento son el uso más común en el diagnóstico de temperatura.

Si es una bomba dúplex, para el cálculo se utiliza la siguiente ecuación: Q = 0.02575 (2 Dc - Dv ) (Lv) donde, Dc - diámetro de la camisa ( pg ) Lv - longitud del vástago ( pg ) Dv - diámetro del vástago ( pg )

Material

maciones, cimas de cemento, agujeros, fugas en la tubería de revestimiento, o canalización de fluidos.

normal a la densidad de la lechada que se obtiene con el requerimiento normal de agua de mezcla, en el caso del cemento clase H es de 38 %, por peso de cemento.

Temperatura

Figura 53 Registro de temperatura.

Este cálculo depende del tipo de bomba del equipo: si se trata de una bomba tríplex el cálculo se lleva a cabo mediante la siguiente ecuación:

5HJLVWUR GH 7HPSHUDWXUD

Ejemplo.- Cementación a presión, para aislar un intervalo disparado en tubería de revestimiento de 5 ½ pg de diámetro, con peso de 17 lb/pie, grado C95, el intervalo abierto es de 1,289 - 1,290 m, depresionado. El empaque está sentado a 1,280.5 m, es un empacador recuperable de tensión, con tubería de producción de 2 7/8 pg, grado P-105 de 6.5 lb/pie hasta la superficie. La temperatura estática de fondo es de 55°C El fluido de control es agua dulce en el espacio anular, en la sarta de producción el nivel está abatido casi en su totalidad, el yacimiento está agotado y el poco nivel es agua salada de la formación con 186,000 ppm de cloruros. El volumen de cemento para el trabajo se calculó sobre la base de experiencia de este campo. Se hizo el cálculo de la densidad, agua de mezcla y rendimiento de la lechada por medio del balance de materiales. Con densidad normal, no se requiere harina sílica por ser pozo somero. Se denomina densidad

Volumen de agua para la mezcla = 19 x 100 = 1,900 lt =12 bl Como no sabemos en qué momento el pozo no va a aceptar más cemento, se debe contar con suficiente agua para desplazar el cemento desde la base del intervalo disparado. El volumen de la tubería de producción: V = Capacidad lt/m x longitud m = litros Capacidad de la tubería de producción de acuerdo a las tablas de volúmenes es de 0.0058 bl/pie, 0.003 3 m /m, 3 lt/m Volumen = 3 lt/m x 1,280.5 m = 3,842 lt = 24.2 bl El volumen de la tubería de revestimiento se calcula de la misma forma, capacidad de acuerdo a tablas 0.0232 bl/pie, 12.1 lt/m y son 9.5 m de tubería del empaque a la base de intervalo disparado. Volumen en tubería de revestimiento = 9.5 m x 12.1 lt/m = 115 lt. = 0.72 bl. El cemento sobrante de la inyección (las perforaciones ya no aceptan más lechada) se debe eliminar del pozo por circulación inversa para mayor eficiencia en el barrido de éste.

Ingeniería de Cementaciones

puede ser usado como trazador para trabajos de cementación forzada, pues éste es soluble en las lechadas de cemento y parte del isótopo puede ser forzado contra formación junto con el filtrado. Los trazadores radioactivos son de gran ayuda al determinar cuál es o dónde está el problema.

5HJLVWUR GH $GKHUHQFLD Micro-sismograma

Antes

Después

Amplitud

Diagnóstico de la dirección del fluido Otra herramienta de diagnóstico de la dirección del fluido, se trabaja en cualquier problema que involucre al movimiento del fluido (figura 50).

antes

7LHPSR GH WUDQVLWR

después

Si se utiliza cemento con diferentes densidades, la presión diferencial se calcula por secciones y la presión diferencial total será la suma de éstas. Esta presión diferencial nos proporciona un punto de referencia para saber si el desplazamiento de la lechada es normal o si se presenta alguna anomalía durante o al final de la operación. Presión máxima de desplazamiento. Sirve como punto de referencia para evitar sobrepasar el volumen necesario. para que el tapón desplazador llegue al cople receptor sin rebasar la presión interior de la tubería y así evitar el desprendimiento o ruptura de la tubería de revestimiento. La ecuación que se ocupa para el cálculo es la siguiente: Pmáx = (RTRT/FS-WF) / AiTR (lb/pg2) donde, RTRT - resistencia a la tensión de la TR (lb) FS- factor de seguridad AiTR- área interior de la TR (pg2) WF = peso físico de la TR (lb) Si se tienen diferentes grados de tubería, se calcula por secciones la presión máxima; se toma como punto de referencia la de menor resistencia a la tensión si la presión máxima de desplazamiento es mayor.

Figura 51 Tiempo de tránsito.

Se coloca una herramienta de rayos gamma a la profundidad adecuada. Se agrega una pequeña cantidad de material radioactivo fluido bombeado en el pozo. El paso del fluido radioactivo es cronometrado electrónicamente por dos contadores gamma para dar un gasto del fluido. El registro de los gastos a diferentes profundidades indicará problemas como fugas en la tubería, en empacadores o en tapones puente, así como otras fugas en el sistema. Registro de adherencia El registro de adherencia es de tipo acústico usado en principio para ayudar a determinar la adherencia del cemento a la tubería de revestimiento y la formación, (figura 51).

Figura 52 Registro de adherencia.

La adherencia de la TR y la formación es el registro de las amplitudes acumuladas de respuesta acústica dentro de periodos fijos de tiempo Ésta es una buena herramienta para evaluar un trabajo de cementación y ubicar las áreas que no tengan buena adherencia (figura 52). Como en otras herramientas de diagnóstico, el grado de adherencia debe ser difícil de acertar excepto para aquellos con una experiencia considerable de interpretación. Registros de temperatura Este registro mide los cambios de temperatura continuamente, al tiempo que se baja la herramienta en el pozo (figura 53). Esto resultará en una curva de temperatura con cambios que pueden indicar movimiento de fluidos en for-

Punto de equilibrio de la presión diferencial o hidrostática. Este punto se alcanza cuando el cemento dió vuelta en la zapata y se tiene la misma altura en el espacio anular y el interior de la TR dependiendo de la densidad de la lechada. Nos sirve para comparar el tiempo calculado de desplazamiento con el real (en forma aproximada). Si se tienen antecedentes de pérdida, se recomienda reducir el ritmo de desplazamiento para evitar un incremento de la presión en el espacio anular e inducir la pérdida de circulación, lo que ocasionaría una mala cementación de la tubería. Los cálculos que se realizan para una TR de 20" son los mismos que vimos anteriormente, con la diferencia de que aquí se ocupa la herramienta stab-in y el cálculo para el volumen de desplazamiento depende ahora de la tubería de perforación por emplearse. La ecuación es la siguiente: Vd = LTP * CTP (lt) donde, Vd= Volumen de desplazamiento (lt)

LTP - longitud de la tubería de perforación ( m ) CTP - capacidad de la tubería de perforación (lt/m) De igual manera se calcula la presión diferencial con la siguiente ecuación: FC = Pmáx * AES (lb) donde, FC = fuerza que actúa sobre el cople Pmáx = presión de circulación + presión diferencial del espacio anular y TP con los fluidos bombeados (lb/pg2) AES - área exterior de sellos = 0.785 * D2 (pg2) Esta fuerza FC actúa hacia arriba tratando de sacar el niple de la sección pulida del cople. Por este motivo se le aplica peso a la TP. La presión de circulación se toma después de haber llevado a cabo la introducción del stab-in, para verificar que no circule por el espacio anular entre TP y TR. Los cálculos para anclar y cementar una tubería corta (explotación) son un poco más completos, pues se deben tomar en cuenta otros factores como: · Se calcula el peso de la sarta con la siguiente ecuación: · WS = WTR + WTP ( lb ) donde, WS- peso de la sarta (lb) WTR - peso de la TR (lb) WTP - peso de la tubería de perforación ( lb ) Los pesos de la TR y TP se calculan teórica y físicamente (flotada) antes, durante y después de la operación. Calcular el volumen de lechada de acuerdo al diseño así como el cálculo del fluido de desplazamiento. El cálculo se hace por separado ya que nos sirve como punto de referencia para verificar el acoplamiento de tapones, presión final o alguna anomalía que se presente durante la cementación. El volumen total será la suma del volumen de la TR con el volumen de la TP (figura 9). Calcular la presión diferencial en función de la altura que cubrirá el cemento sobre la TR. Calcular la presión máxima de desplazamiento tomando en cuenta la resistencia a la tensión, la pre-

Ingeniería de Cementaciones

VTP

V3 V2

VTR

V1 Cople flotador Figura 9 Estado mecánico típico de una TR corta, donde se observa el volumen de la TP y la TR y a la profundidad donde llega el tapón sólido.

sión interna y la resisitencia al colapso del conjunto colgador, y de acuerdo con los valores obtenidos, se trabajará con la presión mínima calculada para evitar daños a la tubería de revestimiento o al conjunto colgador. Para el cálculo de estos parámetros, se utilizan las ecuaciones ya estudiadas en el cálculo de una TR corrida. Calcular el punto de equilibrio de la presión diferencial o hidrostática. Tomar en cuenta las elongaciones de la TP y de la TR, debidas a su propio peso. Las elongaciones de TP y TR se suman y se toman en cuenta para verificar fondo; además de conocer el efecto que tendrá el peso de la misma sobre la resistencia a la presión interna de la TR cementada y evitar un desgarramiento, por lo tanto se debe calcular la capacidad de carga del colgador y la resistencia al desgarramiento de la TR cementada. Para este cálculo se emplean las siguientes fórmulas:

Carga máxima al colapso del colgador (Cc), Cc = RTRc * FCc (lbs) donde; RTRc - Resistencia al colapso de la TR cementada. FCc - Factor de capacidad del colgador al colapso. Carga máxima que resiste la TR sin "desgarrarse" (Cpi) Cpi = RTPpi * FCpi (lbs) donde; RTRpi - resistencia a presión interna de la TR cementada. FCpi - factor de capacidad del colgador a presión interna

Problemas especiales en cementaciones forzadas

De acuerdo con estos cálculos, la carga máxima al colapso y la presión interna de la TR cementada deben ser mayores que el peso de la TR por cementar para evitar colapso o desgarramiento de la misma, si ocurriera lo contrario, o sea que estemos en el límite por diseño, entonces la TR se sentará en el fondo cargando un porcentaje del peso total para evitar un desgarre.

La ubicación se requiere para que pueda aislarse debidamente de la presión y su longitud dictará el tipo de lechada que se va a usar. Por ejemplo, si la grieta es corta, digamos de unos 30cm, podría emplearse la misma técnica de forzamiento de las cavidades de disparos. Esto es, un forzamiento de baja presión con un control moderado de filtrado. Si la rasgadura es muy larga, digamos de 10 pies, entonces debe forzarse como si se tratará de un intervalo grande de disparos. La lechada debe ser un volumen más grande con bajo valor de filtrado. El objetivo es colocar cemento en la grieta tanto como sea posible sin deshidratación prematura. Cada esfuerzo debe hacerse evitando la fractura en la formación. Algunos creen que se fisura más la tubería de revestimiento cuando se aplica la presión para forzar.

Procedimientos operativos En el desarrollo operativo de una cementación de tuberías superficiales de 20", 16", 13 3/8" y 9 5/8", que son las más comunes, se debe hacer el siguiente procedimiento operativo: · Efectuar junta de seguridad con el personal involucrado en la operación · Instalar cabeza de cementar con tapón diafragma. · Verificar las conexiones superficiales de unidades de alta presión (UAP). · Colocar en las presas de lodo los niveles, para que cuando se inicie el trabajo se verifique constantemente y así detectar pérdida o descontrol del pozo. · Soltar tapón de diafragma o limpiador · Bombear volumen lavador · Probar el equipo de flotación y descargar lentamente, a cero, la presión diferencial. En caso de no funcionar el equipo, tratar de activar, de nueva cuenta, el mecanismo de flotación con el bombeo del mismo volumen lavador a un gasto alto, y descargar súbitamente para verificar el equipo de flotación y cuantificar el volumen regresado. En caso de duda, de que el volumen no corresponda al que debe pasar por el equipo, se debe bombear un fuido testigo para, por diferencial, detectar el punto por donde se esté circulando. · Bombear el fuido espaciador que es el que nos permite tener una buena eficiencia de barrido de

&DQDO 5D\RV *DPD

Fisuras En ocasiones, la tubería de revestimiento se rompe en fisuras debido a una sobre presión accidental. Se requiere un trabajo muy difícil de cementación forzada para repararla, particularmente si la grieta es de más de 1 metro de longitud. Debe determinarse primero la localización y la magnitud de la grieta.

Agujeros de corrosión Los agujeros causados por la corrosión son también difíciles de reparar mediante un trabajo de cementación forzada. La naturaleza del problema debe ser parcialmente definida por la ubicación física del agujero o agujeros. Esto es, los agujeros deben ser adyacentes a una sección corrosiva conocida y fácil de ubicar. La técnica de forzar cemento debe ser similar a la usada en otras perforaciones. Use un cemento de baja pérdida de fluido y una presión baja de forzamiento. Muy a menudo, después de obtener una buena cementación y molienda, se encuentra con que otro agujero se ha desarrollado en otro lugar. Esto continúa así hasta que un revestidor es colocado para cubrir el problema entero, o bien, se coloca una tubería de revestimiento, desde la superficie hasta el fondo. Si los orificios causados por la corrosión están en un espacio sin cementar detrás de la tubería, se debe

Corrida 1

P G D G L G Q X I R U 3

Corrida 2

Corrida 3

Trazador

Perforación TR

Dentro de la formación

$FWLYLGDG Figura 50 Utilización de trazadores radioactivos.

usar el procedimiento anterior en la re-cementación. El método de tapón es probablemente el mejor, pues no es aconsejable colocar un retenedor en una TR que puede estar altamente corroída. Las cuñas pueden marcar la tubería o bien el empacador puede no sellar debido a la elongación del tubo. Algunas veces se han sufrido este tipo de problemas teniendo que desviar por esta situación. Diagnósticos de la inspección Pueden agregarse trazadores radioactivos a los fluidos que van a ser bombeados en un pozo para indicar la confinación de los mismos (figura 50). La trayectoria que sigue el fluido y su relación con las características físicas del sistema pueden ser indicativos del problema. El trazador puede agregarse al fluido en la superficie o expulsarse de la herramienta de rayos gama por una señal eléctrica. En cualquier caso, se bombea el fluido a gasto constante y se sigue continuamente mediante una herramienta gamma, o se mueve el fluido en incrementos de un barril y se ubica después de cada movimiento. La vida media de los trazadores como el yodo radioactivo (I-B1) es de 8 días. El escandio (SC-46) o iridio (Ir-192) se usan en las lechadas del cemento y tienen una duración promedio de 85 y 75 días respectivamente. El yodo no

Ingeniería de Cementaciones

&HPHQWDFLyQ IRU]DGD D WXEHUtD FRUWD

Ingeniería de Cementaciones

el área más pobremente adherida e inyectar con el intento de llenar el espacio vacío tanto como sea posible. Si no obtiene un buen llenado, dispare la tubería de revestimiento y coloque un empacador recuperable por encima de la boca de la tubería corta o un retenedor dependiendo del arreglo físico del sistema Lavar o moler Algunos operadores usan tubo de cola debajo del empacador para lavar las perforaciones inmediatamente después del trabajo de cementación forzada.

Figura 49 Forzamiento a tubería corta.

Forzamiento en tuberías cortas Las tuberías cortas o liners son difíciles de cementar porque muchas de las condiciones son adversas (figura 49). El anular normalmente es muy pequeño, la tubería no está bien centrada debido al claro tan pequeño, existen bajas reologías de modo que los volúmenes tan pequeños de cemento son fácilmente contaminadas por el lodo, y el gas que puede migrar y canalizar a través del cemento en las tuberías de explotación largas. Si la tubería corta tiene fuga en el traslape debe efectuarse un trabajo de cementación forzada. La fuga puede ser lo suficientemente grande para admitir el cemento; por lo tanto el procedimiento es el mismo que cuando se forza cemento en la tubería de revestimiento. Normalmente se usa un empacador recuperable ya que los retenedores tienden a causar problemas cuando se muelen y sus residuos se depositan en el fondo de la tubería. Una sección con pobre adherencia debe ser manejada de diferente manera dependiendo de que tan grande sea la sección vacía. Muy raramente algunos tratan de forzar disparando en la parte superior e inferior del espacio vacío y circulando cemento hasta la cima de las perforaciones. Las condiciones de los revestidos son a menudo muy críticas para esta práctica. El método más común es disparar en

El propósito de esta operación es lavar el cemento no adherido y evitar moler después.

· ·

Las perforaciones que han sido efectivamente selladas pueden ser dañadas o abiertas por esta acción de lavado. Es preferible dejar que el exceso de cemento fragüe antes de usar la barrena.

· · ·

Tiempo de molido

Es difícil predeterminar el tiempo de molienda sin conocer las condiciones. Por ejemplo, una molienda después de forzar 2 o 3 perforaciones puede requerir un lapso corto, mientras que una grieta en la tubería de revestimiento puede requerir más tiempo. Una resistencia compresiva de 1000 psi es más que suficiente para contener las presiones normales de prueba. Observar los recortes en la presa da una indicación de las condiciones del cemento. Si los recortes son finos y angulares, el molino está rompiendo el cemento, el cual presenta buenas condiciones en su resistencia a la compresión. Sin embargo si están ovaladas o esféricas, el cemento no ha alcanzado su mejor resistencia compresiva, cierre el pozo y espere, se puede tener una indicación de éxito en la forma en que el tapón se rebaje. Si encuentra consistencia a todo lo largo del intervalo, el resultado puede ser bueno. Sin embargo, si se encuentran zonas sin consistencia en medio o en el fondo del intervalo con cemento pueden indicar una contaminación. En este caso, la próxima operación deberá hacerse con una lechada de menor pérdida de filtrado.

los recortes en suspensión que se pudieran tener en el agujero y dejar un buen enjarre para el paso de la lechada de cemento. Bombear la lechada de cemento (normalmente en estas tuberías superficiales se bombean dos tipos de lechada: de baja densidad o con control de gas dependiendo de la zona que se perforó), recuperar muestras del cemento y del agua de mezcla para análisis. Bombear, si así lo indica el diseño, la segunda lechada de cemento llamada de alta o de amarre. Recuperar, de igual manera, las muestras de cemento y agua para su análisis. Verificar que la lechada se haya bombeado lo más homogéneamente posible. La última lechada es para lograr un buen amarre de los accesorios. Al terminar de bombear el cemento, cerrar el macho para evitar cualquier succión. Soltar el tapón de desplazamiento. Efectuar el desplazamiento. Si se desplaza con la bomba del equipo, cerrar válvula de 2" (llenadera) y abrir válvula de 4" (stand pipe). Si se desplaza con unidad de alta presión, verificar apertura de machos y llevar físicamente la contabilidad de cajas bombeadas.

El desplazamiento se debe iniciar a bajo gasto hasta restablecer circulación para romper el gel del lodo y lechada evitando inducir una pérdida. Se debe checar constantemente la presión inicial de desplazamiento, el peso de la TR, la circulación y nivel de presas; en caso de salir lodo contaminado por el cemento, éste se desecha, y si la presión de desplazamiento se incrementa y tiende a ser mayor que la calculada con la resistencia a la tensión o a la presión interna de la TR, debe reducirse el gasto para evitar un problema y poder alcanzar la presión final. por último se verificará de nueva cuenta, la presión final como se determinó anteriormente. En caso de que no funcione el equipo de flotación, dejar el macho cerrado de la cabeza de cementar con la presión diferencial calculada en espera de fraguado (tiempo que se determina de las pruebas de laboratorio con la lechada de cemento y que se vio anteriormente). Es importante aclarar que actualmente la industria del petróleo procura evitar la contaminación al medio ambiente; de tal manera que los cálculos de las lechadas en estas TR superficiales no son a superficie y se procura amarrar las zapatas de la última TR cementada.

El procedimiento de operación para una TR de 20", cuando se utiliza la herramienta stab-in, difiere un poco con respecto al mencionando anteriormente. La secuencia es la siguiente: · Realizar una junta de seguridad con personal involucrado en la operación · Meter TR a profundidad programada, circular para acondicionar lodo y verificar la reología del mismo, efectuar ajuste de la TR e instalar el piso falso, meter stab-in (enchufarse) y romper circulación. Nota: Durante la operación se puede represionar el espacio anular entre TR y TP para evitar un colapso de la TR y una posible comunicación de la herramienta stab-in. Otra técnica es bombear un volumen de lodo pesado entre el espacio anular de TR y TP antes de la operación para generar una presión diferencial de 500 psi y cumplir con el objetivo antes mencionado. · Circular verificando efectividad de la herramienta stab-in con presión y gasto; si durante el desarrollo de la operación se observa una recuperación en el indicador de peso, esto será debido al factor de flotación de la TR. Este efecto se produce cuando sale la lechada de cemento al espacio anular. · Revisar la cabeza de cementar y colocar el tapón de desplazamiento, instalar la cabeza de cementar y las líneas de inyección. · Bombear el frente lavador, verificar circulación y probar el equipo de flotación descargando la presión diferencial. · Bombear lechadas de cemento en el orden programado, verificar que no haya fugas durante la operación. En caso de haberlas corregir la anomalía y poder continuar. · Soltar el tapón de desplazamiento. Verificar el movimiento de machos con el número de vueltas previamente revisadas, sacar el "perno que sostiene el tapón sólido" y con el perno de seguridad "testigo" verificar la salida del tapón. · Con la Unidad de Alta Presión (UAP), desplazar volumen de TP, hasta alcanzar presión final, bombear un volumen de 3 bls de agua dulce para dejar la herramienta stab-in en seno de agua y no con cemento para asegurar la recuperación de la misma. · Probar nuevamente el equipo de flotación.

Ingeniería de Cementaciones

Si se bombeó el volumen de lodo pesado en el espacio anular, desenchufar herramienta stab-in y sacarla a superficie. En caso de no tener este volumen pesado, esperar a pozo cerrado el tiempo necesario de acuerdo con la resistencia compresiva del cemento para poder desconectar la herramienta stab-in y sacar a superficie. Si hablamos de la cementación de una TR de explotación, el procedimiento operativo es el siguiente: Anclaje de TR · Realizar una junta de seguridad con el personal operativo. · Probar las conexiones superficiales con las presiones de trabajo. · Una vez llegada la TR a la profundidad programada, verificar con circulación el peso de la sarta subiéndola y bajándola. Tocar fondo con peso (se recomienda el 30% del peso de la TR), colocar marcas antes y después de cargar peso. En este lapso se circula para acondicionar lodo verificando propiedades reológicas, posibles gasificaciones, la entrada y la salida del mismo al pozo. · En el tiempo de circulación, revisar la cabeza de cementar, verificar que los machos estén libres, revisar el número de vueltas con que se libera el perno. · Dependiendo del cálculo efectuado del efecto de pistón y de la altura en que se encuentra el último cople de TP sobre la mesa rotatoria, conectar la cabeza directamente a este cople o a un tubo extra en el auxiliar (de ser posible se recomienda trabajar con lingadas completas). · Proceder al anclaje. Lanzar la canica que se aloja en un asiento que para tal efecto tiene el cople de retención. Esta canica rompe los pernos de corte que accionan el mecanismo de cuñas del colgador al aplicar presión por TP, el anclaje se comprueba cargando peso, tomando como referencia las marcas que se colocaron con anterioridad. Es importante señalar que las presiones para romper los pernos de corte de las cuñas y el asiento del cople de retención varían en función del fabricante y de la calibración que se les dió. Hay ocasiones en que se calibran con mayor presión para operaciones especiales. · Verificar equipo de flotación con diesel o agua. · Para soltar la TR se procede de la siguiente manera: descargar el peso de la TR en el colgador car-

Ingeniería de Cementaciones

gando de 5 a 10 tons. de peso de TP. Para verificar el anclaje, girar la TP a la derecha para soltar. · Para comprobar si soltó, levantar una longitud menor a la longitud del aguijón o mandrill de sellos y observar el peso de la TP en el indicador de peso. Posteriormente se carga peso a la TR de acuerdo con los cálculos descritos anteriormente. · Conectar líneas de inyección y efectuar preparativos realizando pruebas de compatibilidad de lodofrentes lavador y separador-cemento.

&DQDO

Desarrollo operativo · Bombear frente lavador (verificar circulación y presión diferencial) y espaciador. · Bombear lechada de cemento de acuerdo con la cédula de bombeo (verificar constantemente presión, circulación y peso de TR), recuperar muestras de cemento y agua de mezcla. · Soltar tapón sólido, sacando el perno . · Desplazar la lechada. Aquí se debe verificar el acoplamiento de tapones de TP al tapón de TR alojado en el colgador. Así, de acuerdo con cálculos de volumen de TP, se debe de disminuir el gasto de bombeo para poder ver este acoplamiento. Si no se alcanzara presión final (llegada del tapón al cople de retención) con el volumen calculado, no se debe de sobredesplazar ya que se lavaría la zapata. · Verificar el equipo de flotación (si no funciona, de todas maneras sacar el soltador), desenchufar soltador (verificando el peso de la TP), levantar 200m arriba de la cima de los baches, establecer circulación y observar pozo; si no hay escurrimiento, dejar pozo cerrado para esperar fraguado y sacar el soltador; si se observa escurrimiento, levantar soltador 300m arriba de la cima de cemento (llenando pozo), circular, cerrar pozo y esperar fraguado. · Cuando exista una diferencia fuerte entre la densidad del cemento comparada con la densidad del fluido de control, se prepara un volumen de lodo con densidad cercana o igual a la del cemento (para el desplazamiento). Esto ayuda cuando falla el equipo de flotación o para mantener las columnas en equilibrio dentro y fuera de la tubería y evitar movimiento del cemento. Tuberías de revestimiento cortas (liner) Cuando se trata de cementaciones de tuberías cor-

Figura 48 Canalización.

Cementación forzada en una canalización Un problema común que requiere de cementación forzada es una canalización de cemento detrás de la tubería de revestimiento, causado por lodo de perforación a lo largo de la tubería de revestimiento durante la cementación primaria, (figura 48). Este canal puede ser relativamente corto o correr en toda la longitud de cemento y normalmente, se descubre cuando la tubería de revestimiento se dispara para producir y la zona comienza a aportar fluido de perforación o agua. Para inyectar en un canal, seleccione el mejor de los dos métodos disponibles dependiendo del arreglo físico del sistema. El método que requiere menos operaciones es colocar un empacador recuperable sobre las perforaciones existentes y forzar directamente sobre ellas. Lo lógico es que el canal tenga la menor resistencia al flujo y por lo tanto el cemento llene el canal y no entre en la zona de interés. El cemento deberá tener baja viscosidad y bajo filtrado de manera que llene más efectivamente el canal sin deshidratación prematura. Las presiones de bombeo y de forzamiento deben ser menores que el gradiente de fractura. Si la formación se fractura accidentalmente, existirá entonces un problema más severo. Un método más es hacer de dos a cuatro disparos adyacentes a una zona de baja presión, una zona de agua o algún otro lugar ventajoso. Colocar un

retenedor de cemento entre los disparos existentes y las nuevas perforaciones procurando dejarlo más cerca de las nuevas perforaciones e inyectar con la lechada antes descrita. El objetivo debe ser aislar la zona de interés, la cual acaba de ser disparada; por lo tanto, la presión anular debe ser vigilada muy de cerca para evitar la comunicación. El fluido debe ser inyectado en los disparos existentes para asegurar un buen trabajo. Si el objetivo es llenar el canal, la lechada del cemento debe tener baja viscosidad, baja pérdida de fluidos y al menos cinco horas de tiempo de bombeo. Para llenar completamente el canal, se le debe permitir al cemento alcanzar las perforaciones existentes y moverse dentro del anular de la tubería. Esto puede parecer peligroso, pero la operación puede llevarse a cabo con seguridad. Si las condiciones no son críticas (temperatura extremadamente alta o gran profundidad), no necesita obtenerse una presión forzada. Desconecte el stinger del retenedor de cemento y levante a unos 3 metros sobre las perforaciones existentes y circule en inversa hasta que se limpie. Forzamiento en espacios vacíos El fracaso de una cementación puede deberse a un espacio sin cemento o pobre adherencia para cierta longitud de la tubería. Esto puede ser crítico en la terminación del pozo. Este vacío sin cementar puede ser aislado por un buen cemento en ambos lados. Mejor que disparar en algún punto en la sección vacía e inyectar con la idea de que la sección entera de vacío será llenada con cemento, es preferible disparar en el fondo y arriba del espacio vacío de manera que se tenga algún control en la trayectoria del cemento. Debe colocarse un retenedor de cemento justo sobre las perforaciones más bajas. Utilice una lechada de bajo filtrado y alta densidad en las perforaciones más bajas y permita que la lechada se comunique con las perforaciones superiores. Desconecte el soltador y levante unos 3 metros sobre las perforaciones y circule en inversa para limpiarlo.

Ingeniería de Cementaciones

Forzamiento con bloqueos

Método de tapón

Esta operación se emplea antes de perforar para producir y ayudar a evitar la migración de fluido de las zonas superiores e inferiores de la formación productora.

Hay dos métodos para conducir un trabajo de cementación a presión. El más común, aunque el menos confiable, es el método de tapón. El procedimiento debe ser:

Esto se hace disparando y forzando una zona permeable debajo, para después repetir la misma operación sobre la zona potencialmente productiva. Ambos tapones se muelen, y la zona potencialmente productiva se dispara para producir. Ésta es una operación de la costa del golfo y no se practica mucho en países de roca dura, principalmente porque su objetivo es evitar el efecto de conificación del agua.

Localizar la cima del cemento con un registro

Se efectúa un forzamiento a baja presión para evitar exceder la presión de fractura y crear un problema mayor. Las areniscas altamente permeables parecen ser mejores candidatos para este tipo de trabajo. Cementación forzada para abandono Frecuentemente, una zona es considerada no comercial y es abandonada colocando un tapón puente con cable para aislarla permanentemente. El tapón de puenteo puede ser fijado a conveniencia cuando se requiere disparar un intervalo superior. Este método siempre deja una pregunta sin contestar: ¿se puede depender de que un tapón puente no fugue? Esta pregunta no comenzará a preocuparle sino hasta que el intervalo superior comience de pronto a aportar agua o no responda a un tratamiento de estimulación. El operador puede intentar la cementación en una zona sobre la cima del cemento detrás de la tubería, pues parte de la lechada pudo perderse en alguna zona de baja presión debido a que la columna hidrostática fue excesiva o la misma zona pudo haber causado una pérdida total de circulación. En cualquiera de estos casos, el cemento pudiera no haber cubierto la zona de interés. Quizá la causa menos común para que no se alcance la cima programada sea un excesivo lavado del pozo. Generalmente se hacen compensaciones empleando un exceso de cemento durante la cementación primaria.

de temperatura Hacer perforaciones arriba de la cima del cemento Circular el pozo hasta que esté limpio con circulación total Si existe circulación parcial o nula, la opción es simple: detener el trabajo de corrección o repetir la operación en la otra cima de cemento detectada Bombear un volumen de unos 150 m de dispersante de lodo o solución ácida MCA. Es preferible esta solución porque dispersará y deshidratará las partículas de arcilla Usar unos 150 m de lechada de sacrificio. Una mezcla de cemento con puzolana es económica y hace un buen trabajo Usar cualquier cemento básico con una baja pérdida de filtrado y baja viscosidad Bombear la lechada descrita hacia la tubería de revestimiento, con un tapón superior convencional de cementación. Desplazar esto con la mayor precisión posible. Algunos operadores mantienen una ligera presión baja en el anular para efectuar un ligero forzamiento. Esto puede ser peligroso si la formación se rompe Cerrar el pozo. Verificar la cabeza contenedora de tapones en caso de haber fugas Método con empacador El segundo método emplea un empacador o retenedor de cemento anclado aproximadamente a 6 metros sobre los disparos. El trabajo se efectúa con la tubería de perforación. Todas las demás operaciones y materiales son las mismas. La principal ventaja de este método sobre el anterior es una retención positiva del cemento por el empacador debido a una válvula de contra presión en la herramienta. Una desventaja es que el empacador debe ser molido si está sobre la zona potencialmente productiva.

tas de explotación (7pg o 5pg), normalmente se utiliza un empacador permanente que se coloca debajo de la camisa soltadora (C-2 boca de tubería corta). Su objetivo es, básicamente, el control del pozo cuando se tengan pérdidas parciales o totales y cuando exista la posibilidad de que el pozo se descontrole. El procedimiento operativo consiste en lo explicado anteriormente y la función adicional para activarlo es aplicar solamente peso (25-30 tons) para romper seguros y activar el mecanismo. En la actualidad los retos de perforación son tan grandes que la exigencia para las operaciones de servicio son más delicadas. Tal es el caso de la cementación de una TR 3 ½" (slim liner o tubería esbelta); los cálculos son iguales a los de una cementación de tubería de explotación corta normal (7" o 5") y las variaciones con respecto al procedimiento operativo son las siguientes: · Realizar una junta de seguridad con el personal operativo. · Probar las conexiones del equipo en superficie · Verificar peso total de las tuberías (TR y TP) y tocar fondo con circulación si las condiciones lo permiten. · Soltar canica para anclar conjunto colgador y durante el viaje de la canica instalar la cabeza de cementar con el tapón de desplazamiento. · Anclar la TR y con fluido del pozo manejar presiones equivalentes para no rebasar los limites del colgador. Verificar este anclaje con peso sobre la TR, con los cálculos previamente efectuados. · Soltar la tubería y verificar que el soltador esté libre, con peso y con presión. Establecer circulación con presión equivalente en el cople. Para observar abatimiento de presión, este procedimiento se debe al diseño del cople receptor donde se aloja la canica. Esta herramienta es del grado y peso de la TR para evitar problemas en el pozo. · Anclada y soltada la tubería, se aplica peso sobre la camisa soltadora C-2 y se efectúa el bombeo de la lechada entre tapones para evitar la contaminación del volumen pequeño empleado de lechada y desplazar con agua y fluido retardante o lodo contaminado. Todo esto para lograr que el cemento que pudiera dar vuelta arriba de la boca de la TR pueda fraguar. · Levantar el soltador 500m llenando pozo, cerrar preventores y esperar fraguado. En ocasiones puede ocuparse un empaque permanente que

· · ·

· ·

deberá de activarse antes de esperar fraguado. Para efectuar la cementación de complementos de TR, se sigue este procedimiento operativo: Efectuar junta de seguridad. Romper circulación, verificar gasto y presión. Enchufar tie-back en la camisa soltadora (C-2) y probar la efectividad de los sellos con una presión de 35-70 kg/cm2 más que la de circulación. Colocar una marca al verificar la (C-2) y otra cuando se empieza a cargar peso y se enchufa al tieback (lo normal son 30 tons arriba del peso de la TR) en la camisa soltadora C-2; levantar la herramienta tie-back para dejarla en posición de cementar (libre los orificios). Es importante señalar que al verificar la C-2 y cargar peso para enchufar el tie-back observar que el último cople de la TR libre los preventores para poder efectuar el corte de ésta, terminada la operación. Para verificar el enchufe de los sellos del tie-back se establece circulación (a gasto y presión estable) se levanta la TR a una longitud mayor o igual a la carrera de la camisa observando el comportamiento de la presión; fuera de la camisa tiende a disminuir y cuando entra a la camisa se incrementa. Hay ocasiones en que se observa comunicación de los sellos; en este caso, lo conveniente es levantar el tieback y circular para limpiar la zona y rotar la TR para cambiar de posición los sellos y volver a enchufarse. Esto, a veces, da buenos resultados; en caso contrario dejar el pozo represionado al terminar la operación. Instalar la cabeza de cementar y las conexiones superficiales probándolas con la presión máxima de operación. Soltar tapón limpiador, bombear frente lavador y probar el equipo de flotación, recuperar muestra de cemento y agua de mezcla y bombear lechada verificando densidad y circulación, soltar tapón de desplazamiento, desplazar verificando la presión máxima de desplazamiento y final siendo esta presión de 35-70 kg/cm2 mayor que la de circulación, verificar el equipo de flotación al final de la operación. Al finalizar la operación, se cargan 30 tons para enchufar el tie-back (verificada con la marca puesta previamente) si éstas no fueran suficientes se le cargan un poco más teniendo un margen del peso de la misma TR; finalmente, cerrar macho de la cabeza y lavar cabezal con pozo cerrado.

Existe la cementación de una TR corta que se ubica

Ingeniería de Cementaciones

arriba de la boca del liner. Se diferencia de una cementación de complemento porque esta tubería corta no llega a superficie. En el medio petrolero se le conoce como stub y los cálculos son iguales a los de un complemento y tuberías cortas, porque esta tubería lleva una herramienta soltadora, por lo tanto, se debe de soltar la TR al finalizar la cementación y levantar la herramienta soltadora 200m arriba de la cima de los frentes lavador y separador, romper circulación y sacar a superficie.

superficie T.C.

37 m h2

TR 20´´

zapata 20´´

691 m agujero 18´´ TR 13 3/8 ´´

Ejemplos De acuerdo con lo expuesto en este capítulo, lo esencial para el estudiante es contar con ejemplos prácticos de las operaciones que se han realizado. Ejemplo 1: Pozo: Escuintle 201 Programa: Cementar la tubería de revestimiento superficial de 13 3/8 de diámetro exterior a una profundidad de 1950m con cima de cemento a superficie Estado mecánico:

cople 13 3/8

1926.51 m

zapata 13 3/8

1950 m

Figura 10 Arreglo del pozo Escuintle 201.

DTR 13 3/8 , 77 lb/pie

90.60 lt/m

Cálculo del volumen de lechada (VLC) y cantidad de cemento: CEA1 = (CAD 18 DTR 13 3/8 )

Densidad del lodo: 1.50 gr/cm

= 164.2 90.6

Bomba tríplex = 7x12

= 73.6 lt/m

Distribución de TR:

CEA2 = (CTR 20 DTR 13 3/8 )

zapata guía 13 3/8 BCN, TAC-110, 77 lb/pie,

0.34 m

2 t TR 13 3/8 BCN P-110, 77 lb/pie

22.51 m

cople dif. 13 3/8 BCN, TAC-110

0.67 m

162 t TR 13 3/8 BCN, P-110, 77 lb/pie

1 926.51 m

Datos calculados u obtenidos de tablas:

= 185.3 90.6 = 94.7 lt/m en donde: DTR - desplazamiento de TR CAD = capacidad agujero descubierto

CAD 18

164.2 lt/m

CEA1 = capacidad espacio anular entre agujero descubierto 18 y TR 13 3/8

CTR 20 , 94 lb/pie

185.3 lt/m

CEA2 = capacidad espacio anular entre TR 20 y TR 13 3/8

CTR 13 3/8 , 77 lb/pie

76.02 lt/m

VLC = VEA1 + VEA2 + VCZ

Estos pozos normalmente tienen bajo nivel y comienzan a admitir tan pronto como se empiezan a forzar. Es extremadamente importante hacerlo siempre a la menor presión. Con un empacador para mejor control, represione unas 1000 psi. Bombee contra la formación para establecer una presión de inyección. Tan pronto como todo el cemento se haya mezclado, abra la válvula para el tanque de desplazamiento y deje que el desplazamiento fluya por gravedad hacia el pozo hasta que el flujo casi se detenga, luego comience a bombear muy lentamente. Si el pozo continúa succionando cuando se haya bombeado todo el desplazamiento, sobre desplace 3 a 5 barriles debajo de la perforación más baja. Probablemente la presión de forzamiento puede alcanzarse usando una técnica de estáticos y dinámicos que fomenten la formación del enjarre. El primer periodo probablemente no disminuirá la admisión. En este punto, la operación se vuelve un arte en vez de ciencia. Continúe con el bombeo alternado hasta que la admisión continúe disminuyendo y se comience a alcanzar presión. La cantidad de lechada a bombear y el tiempo de inyección intermitente es una situación de juicio. Mantenga la presión alcanzada durante cinco minutos (varía según las condiciones), después descargue. Represione hasta la presión original y manténgala por otros cinco minutos. Descargue nuevamente y remueva el empacador y circule en inversa el exceso de cemento, teniendo cuidado de no exceder la presión de forzamiento. Las zonas que admiten succionando, es probable que estén naturalmente fracturadas o posean una permeabilidad extremadamente alta. Las fracturas pueden admitir cemento indefinidamente con estáticos y dinámicos durante el proceso de forzamiento, así se alcanza una presión nominal, mientras que las zonas con alta permeabilidad pueden requerir muy pocos periodos para formar el enjarre. Agentes para puentear (taponar) Se ha visto que las zonas de baja presión requieren muchas etapas de inyección a presión antes de que se alcance el objetivo del forzamiento. Deben tomarse en consideración los aditivos que puedan ayudar a puentear o restringir el flujo en un sistema fracturado. Esta solución puede contrastar con el hecho de forzar en arenas permeables, en donde el

interés principal es básicamente el comportamiento de la lechada dentro de la cavidad de las perforaciones. Hay varios aditivos que atacan este problema. Los agentes obturantes tales como: la gilsonita, la perlita y arena, se han usado con buen éxito. Quizás el mejor de éstos sea la gilsonita. Se han probado muchas combinaciones y han sido aceptables para situaciones particulares o específicas. Por ejemplo, pueden usarse una o dos lechadas. La primera lechada puede tener 5 lbs de gilsonita por saco, seguido por cemento solo. Lo que se intenta con la primera lechada es puentear y forzar con la segunda. Algunas personas tienen una percepción totalmente diferente: corren una lechada de cemento solo delante del agente obturante. El objetivo es asegurarse de que parte del cemento quede en la formación antes de iniciar el forzamiento. Si este es el caso, entonces el diseño es el adecuado. Lechadas aceleradas Las lechadas aceleradas se usan también como una restricción para ayudar a lograr el taponamiento. Estas pueden acelerarse para fraguar en 15 minutos usando un acelerador a base de yeso, en lugar de cloruro de calcio que es más moderado. Pueden usarse dos lechadas: la primera se acelera, seguida por otra de alto filtrado. El objetivo es disminuir la admisión con la lechada acelerada y forzar con la de alto filtrado. Deben ajustarse las características de filtrado de la segunda lechada dependiendo de la permeabilidad de la formación. Las lechadas aceleradas aumentan el riesgo de un fraguado prematuro. Úselas con precaución. Cemento tixotrópico Otra solución para forzar en una zona de baja presión es el uso de un cemento tixotrópico. Esta lechada especial se mantiene bombeable mientras esté en movimiento, pero su tixotropía o sus propiedades de alta resistencia de gel provocan una rápida gelificación. Esta propiedad puede iniciar la obstrucción de las fracturas hasta alcanzar aumento de presión, especialmente, en periodos estáticos y dinámicos. Un cemento tixotrópico puede usarse como primera lechada, seguido de una de alto filtrado.

Ingeniería de Cementaciones

La pérdida por filtrado del cemento generalmente es muy rápida, y puede iniciarse en la tubería de revestimiento antes de que la lechada cubra una zona dada de formación. El resultado puede ser un tapón de cemento en las perforaciones abiertas en la cima de la zona y ninguna cantidad de cemento a través de las perforaciones más bajas. El control del filtrado ayuda a evitar las pérdidas de fluido prematuro de la lechada y el rápido fraguado de cemento en la tubería de revestimiento. Los cementos que contienen aditivos para control de filtrado pierden fluido hacia la formación mucho más lentamente de como lo hace el cemento solo, de manera que el enjarre que se forma en las paredes es más denso y más resistente a la presión. Como las pérdidas de filtrado ocurren en la formación, muy poco o nada se lleva a cabo en la tubería de revestimiento; por lo tanto, a menudo es posible lograr taponar o deshidratar la lechada a través de las perforaciones y todavía tener suficiente tiempo para circular en inversa el exceso de lechada de la tubería de revestimiento. Así se evita la pérdida de tiempo y los gastos que representa moler.

= 1786.5 lt

Presión de Tratamiento total

VEA1= (CEA1) h1

Presión superficial + Presión hidrostática – Presión por fricción

Figura 46 Forzamiento en una etapa con bombeo alternado o periodo de espera.

y de los empacadores recuperables (figura 45). Con esta técnica, se evitan los rompimientos de la formación y se alcanza presión por la técnica de estáticos y dinámicos.

&RQWURO GH ILOWUDGR

Para el cálculo del volumen de lechada (VLC) y agua (Vagua), tenemos;

= 73.6 * 1259 = 92662.4 lt

VLC1 -(3600 sc * 56.7 lt/sc)/159

VEA2= (CEA2) h2 = 94.7 * 691

VLC2

= 65437.7 lt

Vagua 2 = (800 sc * 22.00 lt/sc)/159 = 111 bls V =V +V

Por variación al calibrar el agujero, se adiciona un 46.7 % de lechada de cemento, de donde resulta:

El cálculo del volumen de desplazamiento es,

Se utilizan 2 tipos de lechada de cemento;

Zonas fracturadas de baja presión

Esta técnica de empuje se ha vuelto más eficiente con el desarrollo de los cementos con bajo filtrado

Las zonas fracturadas de baja presión son a menudo difíciles de forzar (figura 47).

Agua = 22 lt/sc,

LC1

LC2

= 1475 bl = 234 525 lt

CTR 13 3/8 , 77 lib/pie = 76 lt/m ( valor obtenido de tablas o por la sig. fórmula; CTR=0.5067(Dint2 )( lt/m). 3

Vd = L (CTR 13 / )

1° lechada 180 ton, r=1.60 gr/cm

2° lechada 40 ton,

Cementación forzada con baja presión

= (800 sc * 38.0 lt/sc)/159 = 191 bls

VLC = 159885.7 lt

Vd = 1926.51m * 76 lt/m = 146 415 lt

TB = 6.0 hrs

= 921 bls,

R = 56.70 lt/sc

En este método, el cemento es colocado en una sola etapa, pero en bombeo alternado o periodos de espera. Las propiedades de bajo filtrado de la lechada causan que el enjarre se compacte en las formaciones o dentro de las perforaciones mientras el resto de la lechada permanece fluida dentro de la TR.

= 1284.00 bls

Vagua 1 = (3600 sc * 40.8 lt/sc)/159 = 924.00 bls

Agua = 40.80 lt/sc,

Figura 47 Control de filtrado.

WTR = 179.0 tons +8 = 187 Ton

VLC = 159885.7 * 1.467 = 234552.3 lt

Fluido de desplazam iento + Lechada de cemento

Figura 45 Forzamiento con baja presión.

por el factor de conversión para tenerlo en tons, y sumando el peso del gancho, que para este pozo es de Wg = 8 tons, y tomando en cuenta el FF tenemos;

= (76.02 x 23.5)

)RU]DGD D EDMD SUHVLyQ Presión en superficie

Menor presión de fractura

= 492,499.57 lbs

VCZ = (CTR 13 3/8 ) h0

r=1.89 gr/cm TB = 5.0 hrs

R = 38 lt/sc Utilizando las fórmulas antes vistas tenemos; FF = 1 1.5/7.85 = 0.80 Se calcula el peso de la TR WTR = 1950.03 (m) * 3.28 * 77 (lb/p)

Se calcula el tiempo de desplazamiento, Qf bomba tríplex = 0.0102 * 12 * 72/0.254 = 23.00 lt/emb epm = 100 Considerando Ef bomba del 80 % Q = 23 lt/emb * 100 epm = 2300 lt/min * 0.80 Q = 1840 lt/min, por lo tanto el tiempo será; T= 146415 lts / 1840 lt/min = 79.57 min

Ingeniería de Cementaciones

Considerando diferentes gastos realizamos la siguiente tabla:

Puesto que las partículas de lodo no pueden entrar en la matriz de la formación, se forma un enjarre en las paredes. La fractura que resulta es más difícil de forzar y requerirá múltiples etapas para finalmente alcanzar un incremento en la presión.

TP5

El cálculo de la presión diferencial (Pdif) será: Pdif = ( 1.89 - 1.50 ) * 352 / 10 = 146 lb/pg

Pdif = ( 1.60 - 1.50 ) * 1574.5 / 10 = 225 lb/pg Pdif = 146 + 225 = 371 lb / pg

BTR CORTA

zapata 10 3/4

= 4159 lb/pg

Tiempo (hrs) 1:10 1:32 1:47 2:05

diámetro ag. 9 1/2

cople 7 5/8

Ejemplo 2.

zapata 7 5/8

251.21 m

3145 m

1933.21 m

1682 m

TR 7 5/8

Para terminar se realiza el procedimiento operativo (ver Procedimientos operativos página 40, cementación de TR superficial), al terminar se reporta la operación en la bitácora del pozo.

4778.23 m V1

47.43 m

4827.00 m

Programa: Cementar una tubería corta de explotación de 7 5/8 a una profundidad de 4827.0m se utilizará una tubería de perforación (TP) de 5 para su introducción. Estado mecánico: 3

Densidad del lodo: 2.05 gr/cm Distribución de TR: zapata flotadora 7 5/8 tipo v , V-150, 39 lb/pie - 0.54 m 2t TR 7 5/8 TAC-140, 39 lb/pie, BCN - 20.98 m 1 comb. 7 5/8 P-BCN/C-VAM, - 0.97 m cople flotador baker TAC-140, 39 lb/pie, VAM - 0.48 m 1 comb. 7 5/8 P-VAM/C-BCN - 1.02 m 1t TR 7 5/8 TAC-140 39 lb/pie, BCN -11.42 m 1cople receptor 7 5/8 P-110 39 lb/pie BCN -0.27 m 1t TR 7 5/8 TAC-140, 39 lb/pie BCN -11.48 m 1cople retenc. 7 5/8 tipo II, P-110, 39 lb/pie, BCN -0.27 m 1 comb. 7 5/8 P-BCN/C-HDSFJP - 1.34 m

hzc

39t TR 7 5/8 TAC-140, 39 lb/pie, HDSFJP - 413.73 m 85t TR 7 5/8 V-150, 39 lb/pie, HDSFJP -1008.97 m 1 comb. 7 5/8 P- HDSFJP /C-BCN -1.49 m 1 comb. 7 5/8 P-BCN/C-VAM -0.37 m 35t TR 7 5/8 P-110, 39 lb/pie, VAM - 452.36 m conj. Colgador hco. 10 ¾ x 7 5/8 VAM 7.52 m 44t TP 5 XH °G, 19.5 lb/pie 57t TP 5 XH °X, 25.6 lb/pie

- 1239.0 m -1655.0 m

Para el cálculo del volumen de lechada tenemos que saber las capacidades (C) de las tuberías y éstas se obtienen de tablas o por la siguiente fórmula: C=0.5067(Di2 ) lt/m 1

CAD 9 / 2

CTR 10 / , 81 lb/pie 4

La alta permeabilidad, baja presión, o las perforaciones menos obstruidas probablemente admitirán la lechada, mientras que otras perforaciones más obstruidas puede ser que nunca la admitan. Cuando el exceso de cemento es llevado hacia fuera, estas perforaciones pueden comenzar a producir fluidos. El lodo puede contaminar al cemento en la cavidad de la perforación o inducir una fractura, que causa el fracaso del trabajo.

Figura 11 Arreglo del pozo Yagual 3.

Pozo: Yagual 3

2893. 79 m V3

Presión en superficie

Quizás una desventaja mayor sea la pérdida de control en la colocación de la lechada.

Gasto (epm) 120 100 90 80

TR 10 3/4

Cementación forzada alta presión

45.72 lt/m

47.28 lt/m

Las condiciones precedentes indican la remoción del lodo de las perforaciones para mejores resultados. Se han usado algunos lavados químicos con cierto éxito, probablemente el mejor de ellos sea el ácido clorhídrico con surfactantes. El hidrógeno del ácido clorhídrico tiene la capacidad de reaccionar químicamente con arcillas hidratadas causando floculación y el encogimiento de las mismas. El ácido puede ser bombeado delante de la lechada de cemento. Los mejores resultados se han obtenido bajando una tubería de cola al fondo de las perforaciones y colocando el ácido a través de ésta. Ancle y fije el empacador. Bombee contra la formación y permita que regrese un par de veces para que el lodo se remueva. El tubo de cola debajo del empacador debe ser de aluminio o de fibra de vidrio. Esto puede evitar que el empacador sea cementado dentro del pozo. Cementación forzada con alta presión Durante los forzamientos con alta presión se corre una herramienta recuperable o no recuperable hasta una posición cercana a la cima de la zona por forzar, para mantener la presión en un punto específico dentro del pozo (Figura 44).

Fluido de desplazamiento + Lechada de cemento

Presión de fractura mayor

Figura 44 Forzamiento con alta presión.

En ciertos casos, la zona por debajo de las perforaciones que se van a forzar deben ser aisladas con un tapón puente. Se usa cierta cantidad de salmuera para determinar la presión de admisión de la formación que se va a tratar. No debe usarse lodo como fluido para romper ya que puede dañar la formación. Después del rompimiento se coloca una lechada de cemento cerca de la formación y se bombea a bajo gasto. Conforme el bombeo continúa, la presión de inyección comienzan a aumentar hasta que la presión superficial indique que ya ocurrió la deshidratación del cemento. La presión se mantiene momentáneamente contra la formación para verificar las condiciones estáticas y después se libera para determinar si el cemento permanece en el lugar. El exceso de lechada sobre las perforaciones se circula en inversa. Si no se obtiene la presión de forzamiento deseada, se emplea con frecuencia una técnica de inyección por etapas. Este método implica mezclar un volumen de cemento (1.5 a 5 tons), colocándolo contra la formación, y esperar al menos hasta el fraguado inicial, y repitiendo la operación tantas veces como se requiera.

Ingeniería de Cementaciones

Prueba del equipo La tubería de trabajo, el espacio anular y el equipo de superficie deben ser probados a presión con un probador de tubería antes de comenzar el trabajo. Para hacer la prueba, bombee un tapón o barra de prueba o bien ancle el empacador en la TR que seva a forzar.

especial cuidado porque cualquier error en una conexión hará que ancle el empacador entre 10 a 20 metros sobre o abajo del objetivo que se va a forzar y con esto un error de aproximadamente un tramo de tubería de revestimiento. En casos especiales, como cuando zonas de baja presión requieren periodos estáticos y dinámicos, puede ser necesario

CTR 7 / , 39 lb /pie

22.24 lt/m

DTR 7 /

29.46 lt/m

CTP 5 , 19.5 lb/pie

9.30 lt/m

CTP 5 , 25.6 lb/pie

8.10 lt/m

DTP 5

12.66 lt/m

/RGR

Frente ácido

&HPHQWR

CEA = CAD 9 / - DTR 7 / 2 2 8 16.26 lt/m 3

18.00 lt/m

34.60 lt/m

CEA = CTR 10 / - DTP 5 = 4

Figura 42 Canalización a través del cemento.

La prueba de presión debe ser igual o mayor a 1000 psi. que la presión esperada de forzamiento o la máxima presión diferencial que resulte de la columna de cemento remanente en el sistema. Anclaje del empacador El empacador debe fijarse, tan cerca como sea posible, del objetivo que se va a forzar. Esto hace que la mínima cantidad de fluido de terminación sea forzada contra la formación delante del cemento. Sin embargo, el hecho de colocar al empacador tan cerca del objetivo, obliga a tener

Figura 43 Frente ácido.

anclar el empacador mucho más arriba de la zona que se va a forzar, de modo que este proceso comienza cuando toda la lechada está debajo del empacador. Frentes de limpieza y lavadores Cuando las perforaciones estén parcialmente obstruidas con lodo, especialmente si éste es el fluido de terminación, debe tenerse en cuenta esta condición antes de un trabajo de cementación forzada (Figura 43). Si esta condición no es corregida, ocasionará varios problemas: La formación puede ser fracturada hidráulicamente en un intento de bombear para probar su capacidad de admisión.

hC longitud del cemento arriba de boca de TR corta V = 34 653.5 lt = 217.9 bl LC

Se utiliza una mezcla de cemento en seco de 57.23 Ton. r = 2.15 gr/cm

TB = 5.0 hrs

R = 47.87 lt/sc W g = 5 ton Cálculo del volumen de lechada de cemento (lt/m)

VLC1 =(CTR 7 5/8 ) hCZ

Balance de materiales

= 1053.0 lt = 6.6 bls

&DQDOL]DFLyQ D WUDYpV GHO FHPHQWR

donde,

Cálculo del volumen de lechada (VLC)

= 22.2 lt/m * 47.43 m

7XEHUtD

= 11 bls

Agua = 23.lt/sc

CEA = CTR 10 / - DTR 7 / = 3

/HFKDGD

= 34.60 lt/m * 50 m

VLC2 =(CAD 9 ½ -DTR 7 5/8 )hZZ = 16.26 lt/m*1682 m = 172.0 bls

Material Peso (Kg.) Cemento H 50.00 Arena Sílica 17.50 Agente densificante12.43 Agua 23.00 Suma 102.93 Kg.

rLC =

102.93 47.87

Agua (lt) 19 4

Rendimiento (lt/sc) 15.80 6.60

2.47 23.00 47.87 (lt/sc)

Suma

= 2.15 gr/cm3

donde,

Determinación del agente densificante:

hZZ longitud entre zapata de TR 7 5/8 y zapata 10¾

2.15 = 90.5 + x / (45.4 + x/5.02) x = 12.43 Kg / sc

VLC3 =(CTR10 ¾ - DTR 7 5/8 ) hZBL

VLC

= 18 lt/m * 251.2 m

No. sacos de cemento =

= 28.4 bls

Para cubrir irregularidades en el calibre del agujero descubierto se adiciona un 5 % de cemento, de donde:

donde, hZBL longitud entre zapata de TR 10 ¾ y boca de TR corta

No. sc =

36378 47.87

= 760 sacos

VLC4 =(CTR 10 ¾ - DTP 5 ) hC

Ingeniería de Cementaciones

Donde Cemento H Arena sílica Densificante

V TR = 22.2 lt/m * 1885.8 m = 263.3 bls = 760 x 50.00 = 38,000 Kg. = 760 x 17.50 = 13,300 kg. = 760 x 12.43 = 9,447 kg.

Mezcla de materiales sólidos = 60,447 Kg. Volumen de agua = 760 x 23 = 17,480 lt más 4000 lt que quedan en el fondo del tanque, total = 21,480 lt 3

Se emplean 4 m de frente lavador y 4m de frente espaciador; únicamente se indica su empleo sin tomarlos en cuenta en los cálculos de la cementación para favorecer la claridad del manejo de la lechada. Utilizando las fórmulas antes vistas tenemos; FF = 1 2.05/7.85 = 0.738

V T = V TP + V TR = 419.6 bis Se calcula el tirante de cemento que se tiene arriba de la boca de la TR corta con TP y sin ella, esto con la finalidad de poder levantar el soltador arriba de la cima del cemento. Restando el volumen de lechada total y considerando el agujero de 9 ½ (estos cálculos se modifican dependiendo del diámetro del agujero obtenido del registro de calibración), tenemos: VLC1 = 36378 1053 = 35325 lt VLC2 = 35325 27349 =

7976 lt

Si un empacador no logra sellar o alcanzar la profundidad programada, puede suceder una corrida en falso.

El tiempo extra requerido para circular directo puede exceder el tiempo bombeable de la lechada.

Para estar seguros de que no se tendrán recortes o cazcarria dentro de la tubería que impidan alcanzar tal profundidad se debe correr un molino o escariador que verifique las condiciones de la TR hasta la profundidad programada.

Un peligro mayor se presenta cuando la lechada se comunica con el espacio anular, atrapando la T.P. y la herramienta y, entonces, se requiere lavar el pozo. Una buena regla puede ser que el volumen de cemento que se use no exceda el volumen de la sarta. Esto evitaría tener el tubo lleno de cemento en el caso de una presión final prematura. Además, es una buena práctica no comenzar a forzar mientras aún se esté mezclando la lechada: el gasto de inyección podría volverse tan lento que sería imposible continuar mezclando una lechada homogénea.

VLC3 = 7976 4522 = 3454 lt Sustituyendo estos valores en las fórmulas antes vistas tenemos,

Se calcula el peso de la TR,

LCe c/tp = 3454 (lt)/ 34.6 (lt/m)

WTR = 1933.21 (m) * 39 (lb/p) * 3.28

CiCe c/tp = 2894.0 m 99.8 m

= 2794.2 m

= 247,296.22 lbs = 112 tons

VLC1 + VLC2 + VLC3

L odo

= 32924.0 lt

VCe s/tp = 36378 lt - 32924.0 lt

= 3454.0 lt

WTP = 1239 (m) * 19.5 (lb/p) * 3.28

LCe s/tp = 3454.0 (lt) / 47.28 (lt/m)

= 73.05 m

CiCe s/tp = 2894.0 m 73.05 m

El pozo debe ser circulado hasta que esté limpio y sus columnas homogéneas. Los sistemas no balanceados sólo agravarán el proceso del trabajo. Por ejemplo, cualquier intento de remover el empacador será acompañado por retorno de fluidos. El pozo tratará de arrancarse, se ha acumulado suficiente gas en el sistema, causando el fracaso de la operación. El gas forzado en la formación delante del cemento puede introducirse a través del cemento y dejarlo canalizado. Fluido de terminación del pozo

Cemento

99.8 m

el cálculo de la TP es;

= 79 246.44 lbs = 36 tons

De hecho, algunos operadores tienen una regla para estos casos:

2821 m

Estos deben ser fluidos limpios, tales como salmueras sódicas o de potasio. Este tipo de fluidos puede ser introducido en la formación delante de la lechada de cemento. El rango de inyección y la profundidad son tales que el tiempo de bombeo de la lechada no sean adversamente afectadas. En el caso de que se requiera lodo para mantener el control del pozo, la lechada del cemento debe colocarse tan cerca como sea posible del empacador, de modo que la menor cantidad de fluido sea forzada a la formación.

Aplicando el factor de flotación tenemos;

Ejemplo 3.

W T = 155.7 ton + Wg = 160 ton

Pozo: Chinchorro 21

Condiciones del agujero

El espacio anular debe mantenerse represionado para igualar el desequilibrio causado por la presión hidrostática en la TP, y así evitar que el cemento se dé vuelta hacia el espacio anular. El empacador puede bajarse más allá de las perforaciones (u otros objetivos que se vayan a forzar), desplazar el lodo del pozo con la salmuera y luego anclar el empacador a la profundidad de forzamiento.

El volumen para desplazar se calcula tomando en cuenta la TP para observar el acoplamiento de los tapones y el de la TR para alcanzar la presión final; se realiza de la siguiente manera; V TP 5 19.5 lb/pie = 9.3 lt/m * 1239.5 m = 72.0 bls

Programa: Cementar TR 20 con herramienta stab-in a 1000.0 m. r = 1.20 gr/cm3 L W g = 6 ton Diámetro del agujero = 26 3 Cemento baja densidad = 175 tons; rcb = 1.60 gr/cm

V TP 5 25.6 lb/pie = 8.10 lt/m * 1655 m = 84.3 bls

Cemento alta = 40 tons; ; rca = 1.89 gr/cm

Es absolutamente necesario que el agujero esté en buenas condiciones antes de empezar una operación de cementación forzada; de otra manera, los problemas se complicarán debido a algunas condiciones adversas a la operación (Figura 41). La tubería de revestimiento debe estar escariada, libre de incrustaciones y de cualquier residuo de cemento de operaciones anteriores.

Esto deja a las perforaciones en seno de un fluido que no forma enjarre. En este caso, el volumen de la TP normalmente se fuerza contra la formación en lugar de desbalancear el espacio anular. Debe tenerse especial cuidado con el lodo que contiene barita porque la barita puede caer más allá de la interface del agua-lodo y atrapar al empacador si la interface está por encima del mismo.

WTP = 1655 (m) * 25.6 (lb/p) * 3.28 = 138 967.04 lbs = 63 tons

Tubería de revestimiento

Para terminar se realiza el procedimiento operativo (ver en página 40 Procedimientos operativos, anclaje de TR), al terminar se reporta la operación en la bitácora del pozo.

Figura 41 Tubería acondicionada, escariada y limpia.

Ingeniería de Cementaciones

(VIXHU]R FRPSUHVLYR

'LVHxR SRU SUHVLyQ

CEA = (CTC - DTR) = 456 - 202.7 2 = 253.3 lt/m

Estado mecánico: Distribución de TR:

en donde:

TP 4 /2 1

TC 30

50 m TR 20

h1 874.0 m

Figura 39. Cople Stab-in 897.0 m h0

Figura 40.

La resistencia compresiva deseable para obtener un trabajo exitoso de cementación forzada puede estar sobrevaluada (Figura 39). La cavidad típica de perforación tiene una forma tal que provoca que el tapón de cemento fraguado actúe como una válvula de contra presión en ambas direcciones. Una fractura inducida, llena con cemento, tiene más área de adherencia, por lo tanto es capaz de soportar más presión diferencial que la cavidad de una perforación. Aunque la contaminación del cemento con el lodo puede reducir drásticamente la resistencia compresiva, puede ser considerada insignificante en este caso particular. El problema principal es la colocación del cemento. La presión final de empuje requerida para un trabajo exitoso es suficiente únicamente para deshidratar el cemento de manera que no regrese. Algunas teorías predeterminan indiscriminadamente las presiones de empuje requeridas para un trabajo exitoso, basándose en los requerimientos futuros del sistema y sin considerar la densidad del fluido, profundidad del pozo, u otras condiciones relativas a la presión. La presión final de forzamiento se relaciona con el valor de filtrado y no con la resistencia compresiva

última del cemento o su capacidad para contener una presión diferencial. Una buena guía para una presión de empuje es de 500-1000 psi sobre la presión de bombeo sin que haya retorno de fluidos en 3 a 5 minutos. Diseño de acuerdo con la presión Diseñe de acuerdo con el equipo de superficie y las características de las tuberías, para adecuar la presión máxima esperada en el forzamiento (Figura 40). Este fundamento raramente se pasa por alto. Sin embargo, el volumen de la lechada y su relación con la presión nunca debe ser descuidado. Diseñe el trabajo de manera que la presión de inyección de la lechada del cemento, en cualquier momento durante el trabajo, no excederá la resistencia del equipo, la cabeza del pozo o las limitaciones de presión de la tubería de revestimiento. Esta es una limitación mínima, puesto que alguna presión será requerida para comenzar el movimiento de la lechada, dependiendo de la resistencia del gel de ésta. En el momento en que se alcance la presión final o se tenga algún acontecimiento adverso, el exceso de la lechada de cemento no podría ser circulado en inversa. Entonces sería necesario dejar caer la lechada o circular directo; es decir, bombeando el fluido de control por TP y expulsando la lechada de cemento por el espacio anular entre TP y TR, lo cual es extremadamente peligroso.

zapata TR 20

CEA1 = capacidad espacio anular entre agujero 26 y TR 20 CEA2 = cap.esp. anul. entre TC 30 y TR 20 VLC = VEA1 + VCZ + VEA2

Agujero 26

Resistencia compresiva de cemento y presión de forzamiento

CAD = capacidad agujero descubierto

924.0 m

Figura 12 Arreglo del pozo Chinchorro 21.

= (CTR 20 ) ho = 185.3 * 26.68 = 4943.80 lt = 31.09 bls

VEA1 = (CEA1) h1 = 139.84 * 874 = 122 220.16 lt = 768.68 bl VEA = (CEA ) h 2

zapata flotadora 20 , 94 lb/pie 2t TR 20 k-55, 94 lb/pie, BCN 1 cople flotador k-55 94 lb/pie 74 t TR 20 k-55, 94 lb/pie, BCN Niple con sellos stab-in - 0.29 m 31 lings. 4 ½ IF, 16.6 lb/pie 2 tubos 4 ½ IF, 16.6 lb/pie

- 0.50 m - 25.44 m - 0.74 m - 897.32 m - 872.74 m - 19.0 m

La diferencia de TP se ajusta con la altura del piso falso. Datos calculados u obtenidos de tablas: 1

CTP 4 / , 16.6 lb / pie

7.41 lt/m

CAD 26 CTR 20 , DTR 20 CTC 30

94 lb/pie

= = = =

342.52 lt/m 185.3 lt/m 202.68 lt/m 456.00 lt/m

Cálculo del volumen de lechada (VLC) y cantidad de cemento: CEA1

= (CAD 26 DTR 20 ) = 342.52 202.68 = 139.84 lt/m

=253.3 x 50 = 12665 lt = 79.6 bls VLC = 139 828.96 lt = 879.42 bl Por irregularidades en el agujero detectadas al calibrarlo, se adiciona un 39 %. Se utilizan 2 tipos de lechada de cemento; 1° lechada 175 ton, r=1.60 gr/cm Agua = 40.80 lt/sc, T:B = 6.0 hrs R = 56.70 lt/sc 3

2° lechada 40 ton, r=1.89 gr/cm Agua = 22 lt/sc, T:B = 5.0 hrs R = 38 lt/sc

Utilizando las fórmulas antes vistas tenemos; FF = 1 1.20/7.85 = 0.847 Se calcula el peso de la TP:

Ingeniería de Cementaciones

WTP WTP

Ingeniería de Cementaciones

= 897.0 (m) * 3.28 * 16.6 (lb/pie) = 48839.85 /2.2 = 22199.93 kg = 22 ton

Aplicando factor de conversión y el factor de flotación, tenemos; WTP = (22 Ton) 0.847 + 6 = 24.6 ton Para el cálculo del volumen de lechada tenemos; VLC1

= 3500 sc * 56.7 lt/sc = 198 450.00 lt

Vagua1

= 3500 sc * 40.8 lt/sc = 142 800.00 lt

VLC2

= 800 sc * 38.0 lt/sc = 30 400.00 lt

Vagua2

= 800 sc * 22.00 lt/sc = 17 600.00 lt

CTP 4 ½ 16.6 lb/pie = 7.41 lt/m ( valor obtenido de tablas o por la siguiente fórmula; CTP=0.5067(Di2 ) (lt/m) Vd = (h1 - h0+h2) (CTP 4 1/2 ) Vd = 897.00 m * 7.41 lt/m = 6646.77 lts, = 41.80 bls El cálculo de la presión diferencial debido a los diferentes fluidos que tenemos es, Pdif= 155 (1.89-1.20 ) / 10 = 152.78 lb/pg

3HUIRUDFLRQHV FRQWDPLQDGDV FRQ ORGR

Tecnologías 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 empleadas 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/cm3. 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.

Cálculo del volumen de desplazamiento (Vd)

Pdif = 742 (1.60 -1.20 ) / 10 = 424 lb/pg

VI. NUEVAS TECNOLOGÍAS EN CEMENTACIÓN PRIMARIA

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.

)UDFWXUDV FUHDGDV

Figura 36 Orificios de disparos obstruidos.

2ULILFLRV WDSDGRV

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 80 a 230°F, 3 en un rango de densidades de 1.20 a 1.66 g/cm . Se han aplicado estas lechadas en cementación primaria, en campos de bajo gradiente de fractura y baja presión de poro.

Figura 38.

Las fracturas son creadas

Figura 37 Disparos tapados con lodo.

Cementos espumados

Perforaciones obstruídas con lodo

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.

Es raro encontrar todos los disparos de un intervalo abiertos limpios y produciendo (Figuras 36 y 37).

Pdif = 576.78 lb/pg

Para terminar se realiza el procedimiento operativo (ver en página 40 Procedimientos operativos, cementación de TR 20 con herramienta stab-in), al terminar la operación se reporta en la bitácora del pozo.

Estas lechadas tienen una alta eficiencia de desplazamiento del lodo del espacio anular con baja densidad variable y relativamente alta consistencia. Así

El enjarre de lodo es capaz de resistir altas presiones diferenciales, especialmente en la dirección del agujero hacia la formación, mientras que las altas presiones pueden crear una fractura antes de aceptar el filtrado del cemento. Una fractura y limpieza selectiva de una perforación, previas a un tratamiento de estimulación, han revelado la presencia de presiones muy altas, de más de 1000 psi en una perforación adyacente. En una cementación forzada, muchas fallas pueden ser atribuidas a una limpieza insuficiente de una perforación la cual no aceptó la lechada de cemento durante el trabajo de cementación forzada.

Por lo general, las perforaciones tendrán algún grado de obstrucción con lodo, dependiendo del fluido de terminación, o de la técnica de cementación primaria y del proceso de rompimiento que se haya usado.

Aunque es deseable forzar sin romper la formación, en casi todas los casos debe alcanzarse una presión de fracturamiento para hacer que la formación admita (Figura 38). Esta condición indeseable puede ser causada por el bloqueo de las perforaciones o por formaciones de baja permeabilidad. Ambas condiciones existen en la mayoría de las formaciones. La fractura es normalmente perpendicular al eje de menor esfuerzo principal en la roca, lo que provoca una fractura vertical, excepto en aquellas zonas superficiales en donde la sobrecarga es menor que los esfuerzos horizontales. Por lo tanto, el concepto de empuje plano mantenido por muchos no es normalmente válido excepto para pozos muy superficiales.

Ingeniería de Cementaciones

Estas herramientas pueden bajarse con la misma sarta de trabajo, generalmente, a la profundidad deseada, antes de iniciar la operación de cementación de acuerdo con el programa de trabajo. Cuando se opera con un empacador recuperable, se ancla y se mantiene pendiente su empacamiento para poder colocar por circulación la lechada hasta la ubicación de la herramienta, o a la profundidad de trabajo, entonces se empaca para dar inicio a la inyección. Cuando se opera con un empacador permanente, se baja con la sarta de trabajo o cable hasta la profundidad programada. Éste se ancla con vueltas de la sarta de trabajo a la derecha y, para empacarlo, primero se le aplica tensión lentamente, debido a que las cuñas superiores son las primeras en liberarse. En este punto se puede probar con presión el estado del revestidor, aplicando presión por espacio anular y presión por directa se verifica el aislamiento de la sarta de trabajo, se le complementa el número de vueltas a la derecha de la herramienta y se carga peso para hincar las cuñas inferiores, se le da tensión hasta romper los pernos de seguridad para liberar el empacador. Se levanta la sarta de trabajo y se circula para colocar por circulación la lechada hasta el extremo inferior de la sarta que contiene el aguijón de la herramienta actuadora del empacador. Se vuelve a conectar el aguijón con el empacador y se efectúa la operación de cementación a presión. El número de vueltas a la derecha que se dan a la sarta de trabajo, está en función del fabricante de la herramienta y se debe considerar por torsión un incremento de 1 vuelta por cada 1000 m de profundidad. El peso y tensión que se imparten son del orden de 5 ton. Teorías de aplicación sobre problemas reales El factor más importante durante el diseño de una cementación forzada es determinar el problema. Este proceso es absolutamente esencial, pues de otra manera pueden gastarse enormes cantidades de esfuerzo y de dinero con la esperanza ciega de una solución. Si no es posible detectar el problema, debe iniciarse inmediatamente un procedimiento de diagnóstico. Hay unos cuantos fundamentos básicos de cementación forzada que deben reconocerse antes de que pueda hacerse un acercamiento lógico a un problema.

Ingeniería de Cementaciones

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 diferentes capas de la formación · Sello entre las zonas de pérdida de circulación

Figura 35 El cemento no afecta la permeabilidad.

Estos fundamentos son especialmente aplicables a los problemas más difíciles: El cemento no se introduce a la matriz de la formación. Una lechada de cemento está compuesta básicamente por partículas de cemento y agua (Figura 35). Las partículas son demasiado grandes para introducirse a la formación por lo tanto se separan del agua. Debido a la presión diferencial el filtrado se introduce a la formación, y las partículas del cemento forman un enjarre en las paredes. Conforme este enjarre se forma, la presión de bombeo aumenta hasta que se alcanza una presión de forzamiento máximo, pero menor que la presión de fractura Es obvio que la permeabilidad debe ser suficiente como para mantener un gasto razonable de bombeo hasta alcanzar la presión ideal de forzamiento. Fracturar no es el objetivo de una cementación forzada, pero normalmente se requiere de cierta presión para determinar si una zona admitirá. La presión de inyección es aquella requerida para forzar sólo el filtrado a la formación.

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 apropiadas. 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 de rasurar y de color gris. Microsílica Llamada también humos condensados de sílice, es un subproducto de la producción de silicio, ferrosilicio 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 2 (15,000 a 25,000 m /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 or3 den de 1.32 gr/cm 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. Conversión de lodo a cemento Como se mencionó con anterioridad, uno de los mayores retos a vencer, que se encuentran en las operaciones de cementación de tuberías de revestimiento, es el desplazar con eficiencia el fluido de control del espacio anular en donde se depositará la lechada de cemento para que se solidifique. Esto generalmente no se logra y, por consiguiente, el aislamiento de las capas del subsuelo no cuentan con el sello hidráulico requerido. Éste es uno de los objetivos principales de la cementación primaria: evitar la migración de fluidos entre las zonas. Por esta razón, la Ingeniería de Cementación ha hecho investigaciones dirigidas a convertir el fluido de control en material cementante. Procedimientos Para lograr dicha conversión, se conocen hasta el momento dos tecnologías: una consiste en agregar cemento Portland directamente al fluido de control, conjuntamente con agentes modificadores del pH y otros materiales que hacen más compatibles ambos materiales cemento-lodo. La otra forma es agregando escoria de horno de fundición y otros productos al lodo de perforación. En este caso, la escoria del horno de fundición debe reunir ciertas características como son: el grado de pureza de este material y el de reactividad de sus cristales. Esto se logra mediante el control de la velocidad

Ingeniería de Cementaciones

de enfriamiento de la escoria al salir del horno, la cual no debe ser ni muy rápida ni muy lenta, debido a que ambos extremos dan origen a cristales poco definidos de silicato tricálcico. Éstos tienen un comportamiento errático durante el periodo de hidratación, que impide lograr diseños apropiados de los parámetros de la lechada. Además, el producto de la hidratación manifiesta fuerte problema de contracción de volumen y alto agrietamiento del producto sólido con nula resistencia compresiva. Estas tecnologías ya se han logrado depurar aplicando mayor investigación a los procesos, pero hasta el momento no tienen una amplia aceptación, debido a que las resistencias compresivas que se logran son bajas, inferiores a 2,000 psi e, inclusive, con el tiempo tienden a disminuir y no a aumentar. Por otra parte, se presenta el problema de su retardamiento y que para temperaturas mayores de los 180ºF no se cuenta con retardadores apropiados. Lechadas almacenables Con el tiempo, los yacimientos de hidrocarburos se vuelven más escasos, y se localizan cada vez a mayor profundidad, con temperaturas y presiones más altas. Estos factores obligan a mejorar las técnicas de perforación y cementación. Las innovaciones se derivan de las investigaciones llevadas a cabo por las empresas petroleras y compañías internacionales de servicio. Estas últimas, dedicadas a la difícil tarea de cementación y estimulación de pozos petroleros, han dedicado gran cantidad de recursos a proyectos tendientes a hacer más eficientes sus tecnologías. Surgido de las investigaciones encaminadas a resolver la problemática de las cementaciones, de controlar con exactitud los principales parámetros de las lechadas, y con la finalidad de obtener mezclas homogéneas de calidad, una compañía de servicio lanzó al mercado un sistema de cemento que se mezcla con el agua requerida y productos en planta. Así encontró la formulación idónea según las condiciones de cada pozo. Esta lechada, preparada en planta, se transporta en tanques a la localización en donde permanece almacenada hasta que es utilizada en la operación de cementación.

Ingeniería de Cementaciones

moderado de 50 a 100 cm /30 min, bajo valor de 3 filtrado de 20 a 50 cm /30 min.

La lechada puede permanecer almacenada en forma de suspensión durante un largo periodo, un año aproximadamente, sin perder sus propiedades de diseño. Solamente se requiere agitarla periódicamente, una o dos veces por semana. Al momento de su bombeo al pozo es necesario adicionarle un agente activador.

´ INYECCION DUAL

Ventajas de su empleo La aplicación de esta tecnología evita problemas importantes de logística y la acumulación de equipo costoso en la localización; también acorta la espera de largos periodos para que el pozo esté en condiciones de efectuar la cementación. La renta del equipo de bombeo, monitoreo, almacenamiento neumático y silos de transferencia tiene un alto costo de espera. Al mismo tiempo, se evita el envejecimiento del cemento que se lleva a la localización en zonas de alto grado de humedad, por estar en contacto con ambientes húmedos, en tolvas o silos de transferencia que no tienen la misma hermeticidad que los silos de una planta dosificadora. Además no requiere de un sistema de mezclado de alta energía para su preparación. Limitaciones No se debe emplear agua de mar en la preparación de estas lechadas, aunque sí se puede utilizar para su dilución al hacer un ajuste final en el momento de su aplicación Descripción La técnica puede definirse como lechadas de cemento almacenables, que se mantienen en estado líquido indefinidamente, con alto grado de estabilidad, de fraguar cuando se requiera, de acuerdo con el diseño. Consta de cemento Portland hidráulicamente activo, un agente de suspensión para minimizar la segregación, un plastificante para proveer fluidez a largo plazo, un poderoso agente retardador del fraguado, todo en seno de agua. Esta mezcla se acondiciona para mantenerla almacenada hasta cerca de un año. Cuando se requiera hacer la operación, se activa la lechada que mantiene las mismas características de diseño o también puede ser rediseñada.

TUBERÍA FRANCA

La viscosidad juega un papel importante y debe controlarse para tener oportunidad de inyectar apropiadamente la lechada dentro de los espacios vacíos. El tiempo de fraguado debe ser suficiente para preparar la lechada, bombearla al pozo por circulación hasta dejarla en el extremo inferior de la sarta de trabajo. Luego se debe empacar y efectuar la inyección hasta alcanzar la presión deseada acorde a la técnica empleada, y descargar presión, desempacar y circular inverso hasta eliminar la lechada sobrante, procediendo a desanclar y sacar la herramienta del pozo. Diseño de gabinete

CEMENTO

INTERVALO

Figura 33 Cementación a presión con TP franca.

Mediante el empleo de un simulador, se reproduce el proceso de la cementación forzada y se estudia el fenómeno hidráulico. Se debe trabajar el pozo dentro de los límites permisibles de seguridad de presión para tuberías y materiales usados.

Tipos de cementación a presión Existen varias técnicas para realizar el trabajo de cementación a presión. La técnica empleada sirve para darle nombre · Cementación a presión con bombeo continuo o con bombeo intermitente · Cementación a presión con rompimiento de formación e inyección de la lechada en el interior de la fractura provocada. · Cementación a presión sin romper formación, formando depositaciones de cemento con base en la construcción de enjarre de baja permeabilidad en las zonas de inyección. La técnica que se va a emplear se selecciona de acuerdo con el objetivo de la operación.

(03$&$'25 3(50$1(17(

INTERVALO CEMENTO

Figura 34 Cementación forzada con empacador.

Diseño de la lechada de cemento

XI. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA CEMENTACIÓN FORZADA

El diseño de la lechada varía en función de la técnica que se emplea para la ejecución del trabajo. De tal forma que la lechada se puede diseñar con alto 3 valor de filtrado más de 100 cm /30 min, filtrado

Las herramientas empleadas para llevar a cabo las operaciones de cementación a presión son empaca-dores recuperables y permanentes molibles (Figura 34).

Ingeniería de Cementaciones

Teoría de la cementación forzada Abandono de Intervalo

Figura 32 Abandono de un intervalo.

La cementación forzada tiene muchas aplicaciones durante las fases de perforación y terminación. Aplicaciones: · Reparar un trabajo de cementación primaria que falló debido a que el cemento dejó un canal de lodo originando una canalización o cuando una insuficiente altura fue cubierta con cemento en el anular (figura 29). · Eliminar la entrada de agua de ambas zonas, inferior y superior, dentro de una zona productora de hidrocarburos (figura 30). · Reducir la relación de gas-aceite por aislamiento de la zona de gas, de un intervalo adyacente al intervalo de aceite. · Reparar una fuga en la tubería de revestimiento debido a la corrosión de la misma en zonas expuestas. · Abandonar una zona depresionada o no productora (Figura 31). · Taponar todo o parte de una o más zonas de un pozo inyector con zonas múltiples, de tal forma que la dirección de los fluidos inyectados dentro de la zona sea la deseada. · Sellar zonas de pérdida de circulación. · Evitar la migración de fluidos entre zonas productora y no productora de hidrocarburos.

No obstante la técnica usada durante un trabajo de cementación forzada, la lechada de cemento se sujeta a presión diferencial contra una roca permeable. Los fenómenos resultantes son la filtración, que se haga un enjarre y, en algunos casos, el fracturamiento de la formación. La lechada que se sujeta a presión diferencial pierde parte de su agua en el medio poroso y se forma el enjarre de cemento parcialmente deshidratado. El enjarre de cemento formado contra una formación permeable tiene una permeabilidad inicial alta, pero a medida que las partículas de cemento se acumulan, el espesor del enjarre y la resistencia hidráulica se incrementan. Como resultado, la velocidad de filtración decrece y la presión requerida para deshidratar la lechada de cemento se incrementa. La velocidad de construcción del enjarre es una función de cuatro parámetros: permeabilidad de la formación, diferente presión aplicada, el tiempo y la capacidad de la lechada para perder fluido a condiciones de fondo. Cuando se forza cemento contra una formación de permeabilidad dada, la velocidad a la que decrece la deshidratación de la lechada está directamente relacionada con la velocidad de pérdida de agua. Cuando es inyectada contra una formación de baja permeabilidad, la lechada con baja velocidad de filtrado se deshidrata lentamente, y la duración de la operación puede ser excesiva. Contra una formación de alta permeabilidad una lechada con alto valor de filtrado se deshidratará rápidamente; consecuentemente, el pozo puede bloquearse por enjarre y los canales a través de los cuales acepta cemento deberán estar puenteados. La lechada ideal para una cementación forzada deberá ser diseñada entonces para controlar la velocidad de construcción del enjarre y permitir la construcción de un enjarre uniforme con un filtrado proporcional sobre toda la superficie 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.

El ajuste de las lechadas preformuladas y almacenadas se facilita enormemente mediante el empleo de aditivos líquidos. Con esto se simplifican muchos aspectos de las operaciones de cementación, y se mejora también la calidad de las mismas en la localización. Estas lechadas se pueden preparar con cualquier sistema: mezcladora de volumen fijo, jets y recirculadores. A pesar de que la hidratación de la mezcla se pone en reposo, la condición que guarda deberá ser monitoreada regularmente. Se ha visto, además, que una ligera agitación periódica ayuda a mantener las propiedades del fluido almacenado. Se recomienda hacerlo dos veces por semana, cuando el tiempo de almacenamiento es mayor a 7 días. Existen varios indicadores que sugieren que la velocidad de hidratación podría haberse incrementado: un ligero aumento en los valores de viscosidad plástica y punto de cedencia ameritan la intervención inmediata del cuerpo técnico de la compañía. Valores extremos de temperatura ambiente tendrán efecto sobre el diseño de la pre-mezcla, así es que todos estos puntos se deben considerar. El cambio de fabricante de cemento o de lote pueden tener efectos graves sobre el tiempo de espesamiento de una lechada convencional; de igual forma las diferencias en las fuentes de suministro de cemento repercutirán sobre los diseños con esta tecnología. En síntesis, debe tenerse cuidado en asegurar un correcto muestreo de los materiales. Aplicación Esta tecnología se puede aplicar a cualquier tipo de operación de cementación. Debido a su durabilidad en estado líquido, su uso es más favorable en las operaciones de cementación en localizaciones lejanas, de difícil acceso, marinas y lacustres, en donde la logística representa un alto grado de dificultad. También en pozos exploratorios en donde se tiene una alta posibilidad de cambiar la profundidad de asentamiento de las tuberías de revestimiento.

Control computarizado de diseño y operación de cementaciones . La aplicación de programas de cómputo en las áreas de Diseño de Laboratorio y Simuladores para el Estudio Hidráulico en el Diseño de Gabinete ha marcado un fuerte avance en la Ingeniería de Cementaciones debido a que se puede predecir las condiciones de los principales parámetros de la cementación que se obtendrán en el pozo durante la operación. Esto permite adecuar los valores reológicos de los fluidos que intervienen en el sistema, a fin de no exceder las presiones de fractura de la formación ni disminuir la presión de cementación a valores inferiores a la presión de poro. En el diseño de laboratorio, el programa de reología ayuda a efectuar cálculos complicados con ajuste de rectas para los diferentes modelos reológicos. Permite hacer con rapidez correcciones a las desviaciones, evaluar una amplia gama de resultados en el menor tiempo posible y contar con varias alternativas de diseño para el estudio hidráulico. La aplicación de simuladores conjuga la información obtenida del laboratorio con las condiciones mecánicas del pozo y con las condiciones reológicas de otros fluidos tales como el fluido de control, frente lavador y espaciador en el momento de hacer la simulación. Esto permite hacer ajustes por corrección de desviaciones al momento de hacer la operación.Lo más sobresaliente del simulador es que evita el rompimiento de la formación durante la cementación gracias a la representación gráfica que durante toda la operación compara la presión de cementación en el fondo contra la presión de fracturamiento de la formación y la presión de poro. Complementando esta gráfica, normalmente se cuenta con otras 23 de diferentes parámetros, cuyo análisis permite asegurar el éxito de la operación en un amplio porcentaje.Este equipo monitorea los parámetros de la operación en tiempo real, los grafica en todo momento y crea un archivo de respaldo que se almacena en disco duro. Esta información se puede bajar e imprimir e, inclusive, se puede reproducir la misma secuencia de eventos a lo ocurrido durante la operación de tal forma que posteriormente se puede analizar a detalle cualquier desviación. Cabe mencionar que la adición de aditivos al cemento es programada y ejecutada por la computadora. De

Ingeniería de Cementaciones

igual forma, la unidad cementadora cuenta con dos computadoras, una de las cuales recibe la programación de las características de la densidad, relación agua cemento, presión máxima en la cabeza, gasto de desplazamiento mientras que la segunda computadora monitorea los parámetros en tiempo real al mismo tiempo que gobierna la calidad del cemento que se envía al pozo.

ción de la tubería de perforación de todo el ensamble mencionado. Tanto el sistema de activación del empacador inflable, como el de liberación de la tubería de sacrificio son accionados por medio de tapones y camisas deslizables con tornillos de corte. (Se anexa el diagrama de la herramienta).

En el diseño de gabinete efectuado previo a la operación, el programa emite una cédula de bombeo que será seguido por las computadoras operacionales y el ingeniero a cargo de la operación vigilará cualquier desviación que ocurra por las condiciones prevalecientes y hará las adecuaciones pertinentes en el momento.

Esta herramienta está diseñada para la colocación de tapones de cemento por circulación, en agujeros revestidos o agujeros descubiertos, verticales, direccionales y horizontales. Su tamaños varía de 61/2 a 25 pulgadas de diámetro, en cualquier tipo de fluido de control, para una profundidad máxima de 5,000 m y temperatura circulante máxima de 250°F. Tiene como limitante la presión diferencial de 500 psi, cuando el empacador ha sido inflado.

De la misma manera, el sistema de mezclado que se emplea consiste de un mezclador recirculador de alta energía de mezclado que trabaja en circuito cerrado con lo que se evita emitir polvos y contaminantes al medio ambiente; también cuenta con un sistema automático de control de densidad que asegura enviar una densidad uniforme en toda la lechada. Todo esto es manejado por las computadoras.

Aplicación

El mayor beneficio de la herramienta se obtiene al aplicarlo en agujeros direccionales con inclinaciones severas, en donde se han encontrado mayores inestabilidades de la lechada, en agujeros horizontales y en pozos con fluidos de control de baja densidad.

A menudo es difícil determinar por qué algunos pozos pueden ser forzados exitosamente con una sola operación, mientras que otros en el mismo campo, requieren varias operaciones. Existen ciertos fundamentos para la apropiada comprensión y aplicación de los principios de cementación forzada. La literatura técnica contiene varios documentos que se refieren a este tipo de cementación. Sin embargo, quedan aún muchas preguntas sin respuesta. ¿Hacia donde va el cemento durante un trabajo de cementación forzada? ¿Qué significa un rompimiento de la formación? y ¿Es realmente necesaria?, ¿Debe usarse agua o lodo para romper la formación?, ¿La lechada de cemento se distribuye uniformemente alrededor del pozo? ¿Pueden taparse los agujeros con el cemento? Las cementaciones forzadas son ampliamente usadas en pozos, con los siguientes propósitos:

Gas

Aseguramiento de colocación de tapones de cemento con herramientas auxiliares Sistema de Herramienta con empacador inflable, tubería de sacrificio y mecanismo de liberación

Aceite

Descripción Es una herramienta de cementación que actúa mecánica e hidráulicamente, auxilia en la colocación de tapones de cemento y minimiza los efectos de la inexactitud que puede provocar la colocación normal del tapón de cemento por circulación. La herramienta, descrita de su parte inferior hacia arriba, consta de un difusor diseñado para dirigir el flujo de fluido en forma axial ascendente contra las caras del agujero o de la tubería de revestimiento. De esta forma les imparte mayor dinámica a los fluidos, y hace más eficiente la limpieza de la zona en donde se colocará el tapón. También tiene un empacador inflable, que establece un soporte de fondo que evita la caída por gravedad de la lechada; una sección de tubería de sacrificio de aluminio, cuya longitud será de acuerdo con la magnitud del tapón y un sistema de libera-

Agua Intrusión de gas y agua en una zona de aceite.

Figura 30 Intrusión de agua y gas en una zona de aceite.

Figura 13 Herramienta auxiliar para tapones con empacador inflable.

Operación 1. La herramienta se arma en la sarta de perforación. Previamente se verifica que los tornillos de

Própositos Corregir por medio de la inyección de cemento a presión, posibles fallas de cementaciones primarias, rupturas de tuberías de revestimiento, abandono de intervalos explotados, etcétera.

Lodo Tubería

Lechada

Incompleta remoción del lodo por la lechada Figura 31 Incompleta remoción del lodo por la lechada.

Definición Los trabajos de cementación a presión están definidos, como el proceso de inyectar una lechada de cemento a base de presión, a través de los agujeros o ranuras que existen en el revestidor y comunican al espacio anular del pozo. Descripción Cuando la lechada es forzada contra un área permeable, las partículas sólidas filtradas sobre las caras de la formación, así como la fase acuosa, entran a la matriz de ésta. Un trabajo de cementación forzada, diseñada apropiadamente, tiene como resultado la construcción de un enjarre sobre los agujeros abiertos entre la formación y la tubería de revestimiento; dicho enjarre forma un sólido casi impermeable. En los casos en que la lechada es colocada dentro de un intervalo fracturado, los sólidos del cemento deben desarrollar un enjarre sobre las caras de la fractura y/o puentear la fractura. Para llevar a cabo los trabajos de cementación a presión casi siempre se requiere del empleo de un empacador recuperable o permanente, según el caso, para aislar el espacio anular del pozo. Así se deja directamente comunicada la zona en donde se desea hacer la inyección de cemento, con la sarta de trabajo. Con esto se obtiene un mayor rango de presión de operación y mayor seguridad de confinamiento de la lechada.

Ingeniería de Cementaciones

(Cap del tub de prodn.* altura del fluido x) + (cap del anular * altura del fluido x)=vol total del fluido Lechada 4.5x+18.8x= 3108 lt despejando x=133.39 m Espaciador 4.5x+18.8x = 1500 lt despejando x=64.37 m Lavador 4.5x+18.8x = 1500 lt despejando x=64.37 m Cálculo de volúmenes de fluidos para el balanceo del tapón Lechada dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub de prodn. = (133.39)(4.5) lt/m = 600.25 lt Lechada fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (133.39)(18.8)= 2507.73 lt Espaciador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub de prodn. = (64.37)(4.5) = 289.66 lt Espaciador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (64.37)(18.8)= 1210.15 lt

Ingeniería de Cementaciones

Introducción El proceso de cementación primaria ha sido usado por más de 70 años para sellar y soportar las tuberías de revestimiento en un pozo. Desafortunadamente, los resultados no son siempre exitosos y durante la vida de muchos pozos se han requerido de ciertos trabajos de corrección. La técnica, comúnmente llamada cementación forzada, es más difícil y más amplia en su aplicación que la cementación primaria. Las operaciones de la cementación forzada pueden ser desarrolladas durante la perforación o la terminación de un pozo o para su reparación o intervención posterior. La cementación forzada es necesaria por muchas razones, pero probablemente el uso más importante es el de aislar la producción de hidrocarburos de aquellas formaciones que producen otros fluidos. El elemento clave de una cementación forzada es la colocación del cemento en el punto deseado o en puntos necesarios para lograr el propósito. Puede ser descrita como el proceso de forzar la lechada de cemento dentro de los agujeros en la tubería de revestimiento y las cavidades detrás del mismo. Los problemas que soluciona una cementación forzada se relacionan con el objetivo de aislar las zonas productoras.

Lodo

Lavador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub de prodn. = (64.37)(4.5) = 289.66 lt Lavador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (64.37)(18.8)= 1210.15 lt

Tamaño de los productos de Línea

X. CEMENTACIÓN FORZADA

Cemento

Tubería

Agujero

Figura 29 Canal de flujo atrás de la tubería de revestimiento.

Diám. Ext. en pg 5¼

Diam. de agujero pg 6 ½ a10 ½

Relación de Expansión 1.24 a 2

7¼ 9¼ 14 ¼

8 ½ a 12 ½ 10 ½ a 15 ½ 15 ½ a 25

1.17 a 1.67 1.14 a 1.68 1.09 a 1.75

Tabla 6.

corte estén completos, y no rotos; los discos de ruptura deben estar en buen estado. 2. Al bajar la sarta, ésta se llena automáticamente y además se circula por etapas, de tal forma que cuando llega a la profundidad de colocación del tapón, ya se habrá circulado de dos a tres veces. 3. Al entrar en el intervalo de colocación del tapón, se circula con lodo a alto gasto, con la finalidad de limpiar perfectamente esta parte. Se circula a través de la herramienta difusora de forma axial sobre las caras de la pared, hasta llegar a la profundidad de asentamiento del tapón. 4. Con circulación y el primer tapón limpiador desplazador por llegar al niple de asiento, se recomienda un gasto, aproximado de 3 bl/min, para poder observar la ruptura de los tornillos de corte de la camisa deslizable a 1200 psi, activando el sistema de inflado del empacador. 5. Con gasto de aproximadamente 1 bl/min. se continúa represionando hasta 2,000 psi para accionar el disco de ruptura. Se sella el empacador y se abren los orificios de circulación para dar inicio a la operación de cementación. A continuación del tapón están los frentes lavador y espaciador, seguidos de la lechada. 6. Detrás de la lechada se suelta el segundo tapón limpiador de desplazamiento, el cual, al llegar a su niple de asiento, eleva la presión interna de la sarta, rompe los tornillos de corte y entonces actúa la camisa deslizable del sistema de liberación de la tubería de sacrificio con

la sarta de perforación procurando un gasto minimo de 3 bl/min. 7. Se procede, finalmente, a sacar la tubería de perforación y a esperar el fraguado. El conjunto de la herramienta es molible inclusive el empacador. La tubería de sacrificio puede ser metálica molible como el aluminio o no metálica. Los centradores sólidos molibles también pueden ser de aluminio o no metálicos como la fibra de vidrio. Herramienta separadora de membrana Descripción Es una herramienta de cementación que actúa mecánicamente. Auxilia en la colocación de tapones de cemento balanceados y minimiza la contaminación del cemento formando una barrera mecánica por medio de un diafragma al momento de la colocación del tapón de cemento por circulación. La herramienta tiene la forma de dos sombrillas o paraguas que se extienden en dirección opuesta, con arcos cóncavos hacia arriba y hacia abajo de su eje geométrico longitudinal. Se afianza sobre las paredes del pozo o de la tubería de revestimiento por medio de un conjunto de varillas que forman la herramienta y conforma un tapón temporal que aísla el fluido de control del pozo en el punto de colocación del tapón de cemento. Cuando la lechada de cemento es colocada en la parte superior de la herramienta, se evita la contaminación con fluido de control y se mejora la adherencia y el desarrollo de la consistencia; al mismo tiempo, la herramienta sirve de soporte mecánico del tapón, con baja posibilidad de colgarse y sin afectarle la diferencia de densidades que existe entre la lechada y el fluido de control. Además esta herramienta es molible. Aplicación La herramienta está diseñada en tamaños comprendidos entre 6 y 20 pulgadas de diámetro, para ser usada en la colocación de tapones de cemento por circulación, en agujeros revestidos o agujeros descubiertos. Se usa en cualquier tipo de fluido de con-

Ingeniería de Cementaciones

trol, para cualquier profundidad y temperatura. Tiene como limitante la presión diferencial de 500 psi, en cualquier sentido.

espaciador, lechada, el resto del volumen del frente espaciador, el resto del frente lavador y el complemento del desplazamiento con fluido de control.

3.- Balanceo del tapón

Operación

Limitaciones

La herramienta se corre en el pozo con un soltador similar al tubo difusor. Tiene un mecanismo de camisa deslizable, que sirve de alojamiento a la herramienta, y dos secciones de orificios de circulación. Cuando se está bajando en el pozo, la circulación se efectúa a través de la sección superior de orificios. Al llegar a la profundidad deseada, se establece circulación y se lanza una bola de neopreno, que al llegar a la herramienta, la activa levantando presión de 300 a 500 psi; así desliza la camisa que contiene la herramienta cerrando los orificios superiores de circulación y expulsa la herramienta fuera de la sarta de perforación; abre la sección inferior de orificios de circulación y queda en forma similar a los difusores en uso actualmente.

No se recomienda su uso en agujeros con fuertes irregularidades (agujeros deslavados), pozos que presenten pérdida de circulación y en donde se espera tener una presión diferencial mayor de 500 psi durante la colocación del tapón.

(Cap del tub. de prodn.* altura del fluido x) + (cap del anular * altura del fluido x)=vol total del fluido

Al ser expulsada de la sarta de perforación se abre y se fija a las paredes de la formación o de la tubería de revestimiento por medio de las varillas que integran su cuerpo. Éste es completamente perforable y así queda lista para hacer su trabajo.

En pozos horizontales, uno de los problemas que afectan la cementación es el depósito de los recortes del lodo de perforación en la parte baja del pozo. Esto se puede evitar haciendo un buen diseño del lodo, específicamente en el punto de cedencia. El depósito de sólidos evita el desplazamiento y frustra el propósito de la cementación: rodear completa y homogeneamente la tubería de revestimiento con una envoltura de cemento y afianzarla a la formación. Otro aspecto muy importante es centrar la tubería de revestimiento para mejorar el desplazamiento del lodo.

En este punto, se levanta la sarta dos metros, se procede a operar la colocación del tapón balanceado de cemento, de manera similar a los casos donde se emplea la cápsula o volumen viscoso. Se bombea parte del frente lavador, seguido de parte del frente

VII. CEMENTACIÓN DE POZOS DIRECCIONALES Y HORIZONTALES Introducción Una de las finalidades de cementar pozos horizontales es la de evitar la inestabilidad mecánica y fisicoquímica del pozo, además de aislar zonas para que no haya comunicación de fluidos.

Para lograr una buena cementación es muy importante colocar uniformemente la lechada de cemento en el espacio anular, y que en el diseño de la lechada de cemento no hay agua libre y no se asienten partículas. Dentro de los pozos horizontales existen las variantes de pozos de alcance extendido y pozos multilaterales. Clasificación de pozos horizontales

Figura 14 Herramienta de diafragma tipo sombrilla.

Los pozos horizontales son aquéllos en los que en una parte del pozo está desviada 90° con respecto a la vertical. La técnica de perforación horizontal puede ser subdividida en cuatro grupos, dependiendo

Cálculo de alturas de los fluidos durante la colocación

Lechada 4.5x+11.6x= 943.4 lt despejando x = 58.59 m Espaciador

pón debido a una reentrada del pozo en la tub. de revest. de 7 5/8". Cima de cemento a 2960 y base a 3100 m Datos

Lodo Lechada Lavador Espaciador

Emulsión Inversa Convencional Redimiento 1.5 m3 1.5 m3

1.53 gr/cm3 2.10 gr/cm3 31.25 lt/saco 1.0 gr/cm3 Dens = 1.81 gr/cm3

4.5x+11.6x = 2000 lt despejando x =124.22 m Lavador 4.5x+11.6x = 1500 lt despejando x =93.17 m

2960 m

Cálculo de volúmenes de fluidos para el balanceo del tapón

3100 m

Lechada dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub de prodn. = (58.59)(4.5) = 263.65 lt Lechada fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (58.59)(11.6)= 679.64 lt Espaciador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub de prodn. = (93.17)(4.5) = 419.22 lt Espaciador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (93.17)(11.6)= 1080.73 lt Lavador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub de prodn. = (124.22)(4.5) = 558.99 lt Lavador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (124.22 m)(11.6)= 1440.95 lt

Tubería de revestimiento 7 5/8", 39 lb/ft

Capacidades de las tuberías Tub. de revest. 7 5/8” Tub. de prodn. 3.5” Cap. esp. anular

24 lb/ft 9.2 lb/ft Entre 7 5/8” y 3.5”

22.2 lt/m 4.5 lt/m 18.8 lt/m

1.- Cálculo del volumen de la lechada Altura del tapón * capacidad del tubo de revestimiento= (140 m)(22.2)= 3108 lt 2.- Cálculo del cemento Volumen de lechada / rendimiento del cemento = 3108 lt/ 31.25 lt/saco = 99.45 sacos = 4.972 ton

Agave 301

3.- Balanceo del tapón

Tapón por circulación de desvío. Se necesita un ta-

Cálculo de alturas de los fluidos durante la colocación

Ingeniería de Cementaciones

1.- Cálculo del volumen de la lechada Altura del tapón * capacidad del tubo de revestimiento = (259)(41.043)=10630.13 lt 2.- Cálculo del cemento Volumen de lechada / rendimiento del cemento = 10630.13 lt/ 31.19 lt/saco = 340.81sacos= 17.04 ton 3.- Balanceo del tapón Cálculo de alturas de los fluidos durante la colocación (Cap del tub. de prodn.* altura del fluido x) + (cap del anular * altura del fluido x)=vol total del fluido Lechada 4.5x+34.8x= 10630.13 lt despejando x=270.48m

Ingeniería de Cementaciones

Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = (127.22)(4.5) = 572.51 lt Lavador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (127.22)(34.8)= 4427.46 lt Usumacinta 25 Tapón por circirculación de soporte de 53 m de altura cima a 2237 y base a 2290 en la tubería de 6 5/ 8", como tapón de soporte para llevar a cabo una cementación forzada en un intervalo superior Datos: Lodo Lechada Lavador Espaciador

Salmuera Convencional Redimiento 1.5 m3 2.0 m3

1.02 gr/cm3 1.95 gr/cm3 36.06 lt/saco Dens = 1.0 gr/cm3 Dens = 1.50 gr/cm3

Espaciador

Figura 15 Clasificación de pozos horizontales.

4.5x+34.8x= 5000 lt despejando x=127.22 m

2237 m

Lavador

2290 m

del ángulo con el que se ha construido el pozo, que pueden ser: de radio largo, medio, corto y ultracorto. Las principales características de este tipo de pozos se muestran en la figura 15.

4.5x+34.8x= 5000 lt despejando x=127.22 m Cálculo de volúmenes de fluidos para el balanceo del tapón Lechada dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = (270.48)(4.5) = 1217.19 lt Lechada fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (270.48)(34.8)= 9412.94 lt Espaciador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = (127.22)(4.5) = 572.51 lt Espaciador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (127.22)(34.8)= 4427.46 lt Lavador dentro de la tubería

Radio largo

Capacidades de las tuberías 1.- Cálculo del volumen de la lechada

Tub. de revest. 6 5/8” Tub. de prodn. 3.5” Cap. esp. anular

24 lb/ft 9.2 lb/ft Entre 6 5/8” y 3.5”

17.8 lt/m 4.5 lt/m 11.6 lt/m

Altura del tapón* capacidad del Tub. de revest.= (53)(17.8) = 943.4 lt 1.- Cálculo del volumen de la lechada Altura del tapón * capacidad del tubo revestidor = (259) (41.043) = 10630.13 lt 2.- Cálculo del cemento Volumen de lechada / rendimiento del cemento = 943.4 lt/ 36.06 lt/saco = 26.16 sacos = 1.308 ton

En un sistema de radio largo se usa la tecnología de perforación direccional. Aquí los incrementos de ángulo van desde 3° a 8° por cada 30 m (100 pies) y dependiendo del alcance, requieren de este incremento para ser desarrollados en dos o tres secciones. El drene de pozos horizontales de radio largo puede ser relativamente grande, con una máxima longitud de 1,220 m (4,000 pies). La perforación de pozos altamente desviados puede ser o no de "alcance extendido". Éstos son mostrados en la figura 16. Generalmente estos

pozos se empiezan a construir de un punto de partida con una desviación de 40° a 50°, seguida por una sección grande de declive para terminar en una sección horizontal dentro del yacimiento. Con esta tecnología en la perforación de pozos horizontales se logran longitudes de drene que exceden los 610 m (2000 pies), diámetros de 5 ½" a 9 ½", la sección vertical no presenta mayor proble-

Figura 16 Perfil de un pozo de alcance extendido.

Ingeniería de Cementaciones

ma en los primeros 5 m ( 16 pies), cuando son atravesadas formaciones problemáticas y en profundidades verticales mayores a los 3,048 m (10,000 pies).

particularmente cuando se aproxima el agotamiento. Muy raramente los pozos horizontales pueden ser terminados en agujero abierto, sin algún método de revestimiento.

Radio medio

Las tuberías de revestimiento intermedias se encuentran, por lo general, en la sección altamente desviada, por lo que deben tener un buen trabajo de cementación. Esto es necesario para evitar la filtración de fluidos y para proveer un aislamiento entre el revestimiento de la parte superior y los intervalos productores de la parte inferior.

Para la perforación de un pozo de radio medio se emplea el equipo convencional de perforación modificado y se va desviando a un ritmo de 8° a 20° por cada 30 m (100 pies), aunque ritmos de incremento del orden de 50° por cada 100 pies son teóricamente posibles. El largo de la sección horizontal puede ser de 915 m (3,000 pies) o más. El diámetro es de 5 ½" a 9 ½" igual que en los pozos de radio largo. Radio corto El método de perforación lateral de radio corto tiene un ritmo de incremento del ángulo de entre 1.5° a 3 ° por pie. Permite desviar el pozo desde la vertical hasta la horizontal en menos de 30 m (100 pies). Las penetraciones laterales arriba de 274 m (900 pies) son comunes. Se utiliza un equipo muy especializado combinándolo con herramientas rotatorias con coples y juntas especiales para lograr articular la tubería. Frecuentemente son perforados múltiples drenes desde la misma vertical del pozo con esta técnica. Radio ultracorto El método de radio ultracorto utiliza la acción de inyección a chorro a través de una tobera de alta presión montada al final de la tubería flexible orientada. El ritmo de incremento del ángulo es de 90°/ pie; sin embargo, la longitud y el diámetro de cada uno de los agujeros está limitada de 30 a 60 m y 5 cm de diámetro. Se pueden perforar más de 10 agujeros de drenes pequeños en el mismo plano en ángulos rectos con respecto a la vertical, que se conocen como "star jet holes". Procedimientos de terminación En la actualidad, varios agujeros horizontales son terminados sin ser cementados. La sección horizontal generalmente se termina con tubería corta ranurada, o bien preperforada o, en algunos casos, con cedazos para el control de la arena. En tales pozos, la roca de la formación debe ser lo suficientemente compacta como para impedir el colapso,

Espaciador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = (263.15 )(4.5) = 1184.17 lt

Capacidades de las tuberías

Tub rev. 5” Tub. de prodn. 3.5” Cap. esp. anular

18 lb/ft 9.2 lb/ft Entre. 5” y 3.5”

9.3 lt/m 4.5 lt/m 3.1 lt/m

1.- Cálculo del volumen de la lechada Altura del tapón* capacidad del Tub. de revest.= 150 m * 9.3 lt/m = 1395 lt 2.- Cálculo de la cantidad de cemento

Sin embargo, frecuentemente existen ciertos aspectos de producción y terminación de pozos horizontales que determinan en donde se deberá meter una tubería de revestimiento y en algunos casos en forma aislada. Algunas de estas situaciones se mencionan a continuación:

Volumen de lechada / rendimiento del cemento = 1395 lt/ 47.80 lt/saco = 29.18 sacos= 1.46 ton

Cuando en un yacimiento se planea un tratamiento de estimulación en intervalos múltiples.

Vol. Total del fluido =(Cap del tub. de prodn.* altura del fluido x) + (Cap del anular * altura del fluido x)

3.- Balanceo del tapón Cálculo de alturas de los fluidos durante la colocación

Cuando hay problemas para controlar la conificación de gas y agua, las cuales deben ser prevenidas durante la perforación del agujero. Esto da como resultado la pérdida del control direccional pues esto causaría que el agujero se perfore sin rumbo, o simplemente, perforar el casquete de gas antes de entrar en la zona de aceite.

Lechada

Cuando un intervalo de producción requiera de una cementación de reparación para impedir la producción de agua indeseada o el avance del gas.

3.1x+4.5x= 2000 lt

Un ejemplo de un pozo horizontal, cementado y terminado se muestra en la figura 17.

Lavador

En el caso de pozos horizontales, las propiedades más importantes de la lechada de cemento son la estabilidad y la pérdida de filtrado. La estabilidad de la lechada de cemento es siempre importante pero, aún más, en un pozo desviado. Hay dos propiedades que la determinan: el agua libre y la sedimentación. El agua libre es importante debido a que puede migrar a la parte superior del agujero y crear un canal abierto a través del cual los fluidos del pozo pueden viajar; la sedimentación puede causar un cemento poroso de baja resistencia en la parte superior del pozo. Por consiguiente, deben llevarse a cabo pruebas de laboratorio para ase-

3.1x+4.5x = 1395 lt despejando x=183.55m

Espaciador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (263.15) (3.1) =815.76 lt Lavador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = (263.15)(4.5) = 1184.17 lt Lavador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (263.15)(3.1) =815.76 lt Arroyo Prieto 17 Tapón por circ. de desvío.- Colocar un tapón por circulación de 259 m de altura a 3759 m para desviar el pozo (en agujero descubierto)

Lodo Lechada Lavador Espaciador

1.60 gr/cm3 2.10 gr/cm3 31.19 lt/saco Dens =1.0 gr/cm3 Dens = 1.80 gr/cm3

Emulsión Inversa Convencional Redimiento 5 m3 5 m3

Espaciador 3500 m

despejando x=263.15 m

3759 m

3.1x+4.5x= 2000 lt despejando x=263.15 m Cálculo de volúmenes de fluidos para el balanceo del tapón Lechada dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = 183.55 m (4.5) = 825.9 lt Lechada fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = (183.55 m) (3.1)= 569 lt

Capacidades de las tuberías

Aguj. desc 9” Tub. de prodn. 3.5” Cap. esp. anular

9.2 lb/ft Entre 9” y 3.5”

41.043 lt/m 4.5 lt/m 34.8 lt/m

Ingeniería de Cementaciones

Capacidades de las tuberías

Tub revest 9 5/8” Tub. de prodn. 5” Cap. esp. anular

53.5 lb/ft 18 lb/ft Entre 9 5/8” y 5”

36.9 lt/m 9.3 lt/m 24.2 lt/m

1.- Cálculo del volumen de la lechada (VLC) Altura del tapón* capacidad del Tub. de revest.= 150 m * 36.9 lt/m = 5535 lt 2.- Cálculo de la cantidad de cemento No. sacos =Volumen de lechada / rendimiento del cemento = 5535 lt/ 36.2 lt/saco = 152.9 sacos = 7.645 ton 3.- Balanceo del tapón Cálculo de alturas de los fluidos durante la colocación

Lechada fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = 165.22 m * 24.2 lt/m= 3998.32 lt Espaciador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = 119.4 m * 9.3 lt/m = 1110.42 lt Espaciador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = 119.4 m * 24.2 lt/m= 2889.48 lt Lavador dentro de la tubería Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = 59.70 m * 9.3 lt/m = 555.21 lt Lavador fuera de la tubería Altura del fluido * volumen anular = 59.70 m * 24.2 lt/m= 1444.74 lt Gabanudo 1

Figura 17 Perfil de un pozo de alcance extendido.

Vol. Total del fluido = (Cap. del tub. de prodn.* altura del fluido x)+(cap. Del anular * altura del fluido x).

Colocar un tapón por circulación de 150 mabandonar un intervalo, el tapón se colocará de 5850 - 6000 m dentro de la tubería de revestimiento de 5 pg de 18 lb/ft

Lechada

Datos

9.3x+24.2x=5535 lt despejando x=165.22m

Lodo Lechada

Espaciador

Lavador Espaciador

9.3x+24.2x=4000 lt despejando x=119.40 m

Polimérico Convencional Redimiento 2 m3 2 m3

1.45 gr/cm3 1.95 gr/cm3 47.80 lt/saco Dens = 1.0 gr/cm3 Dens = 1.70 gr/cm3

Lavador 9.3x+24.2x=2000 lt despejando x=59.70 m

5840 m

Cálculo de volúmenes de fluidos para el balanceo del tapón

6000 m

Lechada dentro Tub. de revest. o de la tubería de producción Altura del fluido * capacidad del tub. de prodn. = 165.22 m * 9.3 lt/m = 1536.56 lt

gurarse que lo anterior no ocurrirá a medida que el ángulo aumenta. El agua libre debe mantenerse en cero y puede prevenirse junto con la sedimentación por medios químicos tales como la adición de agentes viscosificantes y/o sales metálicas que forman hidróxidos complejos. El control de la pérdida de fluido es particularmente importante en pozos horizontales, debido a que la lechada de cemento está expuesta a secciones permeables más largas que en pozos verticales. Los ritmos bajos de pérdida de fluido son necesarios para preservar las propiedades reológicas cuidadosamente diseñadas de la lechada de cemento. El ritmo de pérdida de fluido siempre debe ser menor a 50 ml/30 min. Otras propiedades en la lechada de cemento es el control de la densidad y las concentraciones uniformes de aditivos, las cuales son particularmente importantes para asegurar que las propiedades del cemento sean consistentes en todas las partes del intervalo cementado. La lechada de cemento deberá ser mezclada en su totalidad, antes de ser bombeada, siempre que esto sea posible. Una vez que la lechada de cemento ha sido diseñada, los gastos de flujo deberán ser verificados en un simulador. Esto es importante para poder verifi-

car que no se excedan las presiones de poro y de fractura de la formación. - Puntos que se deben considerar en la cementación de pozos horizontales Basados en investigaciones y en experiencia de campo, las principales claves para el éxito de una cementación de un pozo horizontal puede resumirse como sigue: Prevenir el asentamiento de los sólidos del fluido de perforación Optimar las propiedades de la lechada Maximizar la limpieza del espacio anular Centrar la tubería de revestimiento Circular el lodo Reciprocar y rotar la tubería de revestimiento Bombear baches compatibles Diseñar gastos de desplazamiento para flujo turbulento (sin llegar al límite de la presión de poro y presión de fractura) La experiencia dentro de la industria confirma que con buenas prácticas de cementación y una atención rígida a los detalles especiales de planificación y ejecución de los pozos horizontales, se podrán cementar con óptimos resultados.

Ingeniería de Cementaciones

Pozos de alcance extendido Este tipo de pozos son producto de las más recientes innovaciones tecnológicas en la industria petrolera. Son pozos del tipo horizontal pero con una sección horizontal mayor, llamados convencionalmente de alcance extendido (extended reach wells). Estos pozos tienen un punto de origen y logran desarrollar desviaciones del orden de 40 a 50°, seguidos por una sección de ángulo constante y por último una sección horizontal dentro del yacimiento. Esta última no necesariamente deberá ser horizontal. Con la presente tecnología se han desarrollado pozos con un alcance de hasta 10,000 metros con una profundidad vertical de hasta 3,000 metros. Para la cementación de estos pozos se emplea el mismo principio de los pozos horizontales, pero con la característica de que en este caso se tendrán mayores distancias con respecto a la vertical para ser cementadas. Tanto el diseño del programa de revestimiento como el de cementación deberán tener en cuenta los pesos y grados de las tuberías para no tener un mayor impacto en los costos del pozo. Las tuberías deberán ser diseñadas, fundamentalmente, para permitir un margen de seguridad para el colapso, debido al peso de las formaciones suprayacentes, reventones y el esfuerzo de tensión. Por estas razones, el cemento colocado alrededor de la tubería de revestimiento deberá desarrollar una alta resistencia a la compresión. Remoción de lodo Como en la cementación convencional, el desplazamiento del lodo es absolutamente esencial para obtener una buena cementación primaria. Los principios para una remoción normal del lodo son aplicables en agujeros horizontales; sin embargo, hay algunos factores adicionales que se deberán considerar. Propiedades del lodo La limpieza del agujero durante la perforación ha sido, siempre, una de las mayores consideraciones de la perforación direccional. Esto se debe a la ten-

Ingeniería de Cementaciones

dencia de los recortes que se asientan en la parte baja del agujero y a la dificultad para removerlos. En pruebas de laboratorio (Keller et al. 1987) se determinó el comportamiento del asentamiento de los sólidos y cómo afectaba al desplazamiento del lodo durante la cementación. Ellos construyeron un aparato para simular a escala una sección de la desviación de un pozo de gas o aceite. El modelo simulaba una tubería de 5" en un agujero de 6 ½", y podía ser colocado en una formación permeable o no permeable, hecha de arenisca o de acero, respectivamente. El modelo fue operado a tres inclinaciones 0, 60 y 85°. Dos formulaciones de lodo base agua y una composición de cemento fueron usadas. No se emplearon fluidos espaciadores. El procedimiento de prueba fue diseñado para simular un trabajo actual de cementación. La circulación del lodo y su acondicionamiento fueron desarrollados, y se bombeó suficiente lechada de cemento a través del modelo para simular el tiempo de contacto entre la tubería y la formación que experimenta un trabajo de cementación. El cemento fraguó, el aparato fue desensamblado, y se cortó en segmentos. Las eficiencias de desplazamiento fueron determinadas con base en la revisión de todos los segmentos con canales del lodo. Del análisis de los resultados se observó que para un gasto dado, la capacidad de un lodo para prevenir el asentamiento de sólidos está relacionado a su punto de cedencia y al esfuerzo de Gel. Adicionalmente, Keller et al.(1987) encontró que la severidad del asentamiento de sólidos fue significativamente mayor a 85° con respecto a 60°. Crook et al.(1987) investigó sobre la influencia del punto de cedencia, empleando el mismo modelo del pozo descrito anteriormente. Las pruebas de desplazamiento del lodo fueron similares a las desarrolladas por Keller, a 60 y 85° de desviación. Las propiedades del lodo y de la lechada de cemento fueron monitoreadas, y la eficiencia del desplazamiento fue determinada después de desmantelar el modelo, una vez que el cemento se colocó. Las conclusiones principales fueron: 1. Habrá un valor crítico en el umbral, debajo del cual aparecerá un canal continuo de sólidos. 2. El valor del punto de cedencia requerído para pre-

Ejemplos Balanceo de tapón Recuerde que al final del balanceo se deben tener columnas de la misma altura de cemento, espaciador y lavador dentro de la tubería de trabajo y en el espacio anular entre la tubería de trabajo y el agujero abierto o tubería de revestimiento. 1.- Determine el cemento requerido para un tapón de 150 m en un agujero de 9.5 pg. VCR= L (CAD) (lt) Donde VCR= Volumen de cemento requerido (lt) L= longitud del tapón (m) CAD = Capacidad promedio del agujero descubierto (lt/m) VCR= (150 m) (45.73 lt/m)=6859.5 lt 2.- Determine el número de sacos de cemento para una lechada de rendimiento 31.19 lt/saco. No. sacos = VCR/rendimiento No. sacos = (6859.5 lt)/(31.19 lt/saco)=219.93 sacos 3.- Determine la altura de la columna de cemento que levanta un tapón colocado en un agujero abierto de 9.5" colocado con una tubería de producción de 3.5", 9.2 lb/ft. (con la tubería dentro del tapón)

VLC =L (CTP) (lt) VLC = (155.9 m)(4.5 lt/m)=701.55 lt 5.-Se ha decidido bombear 1500 lt de espaciador. ¿Cuánto espaciador se debe bombear por delante y cuánto por detrás? Utilizamos la misma fórmula para cálculo de la altura del cemento. L=VLC /(CTP+CEA) (m) L=1500 lt/(39.5 lt/m +4.5 lt/m) L=34 m

Espaciador por adelante = altura del espaciador * capacidad del anular de TP y agujero abierto Espaciador por adelante = 34m*39.5lt/m=1343 lt Espaciador por detrás =altura del espaciador * capacidad de la TP Espaciador por detrás = 34m*4.5lt/m=153 lt 6.- Calcular el volumen de desplazamiento (Vd) para balancear el tapón. L cemento = 155.9 m L espaciador 34 m Base del tapón 3500 m Cima de fluidos 3500 m -(155.9 m + 34 m)=3310 m Vol. de desp. = 3310 m cima de fluidos * 4.5 lt/m capacidad de TP=14895 lt Cálculos de tapones por circulación (casos reales)

L=VLC/(CTP+CEA) (m)

JUJO 532

Donde:

Colocar un tapón por circulación de 150 m a una profundidad de 500 m para abandonar el pozo. Datos

VLC= Volumen de lechada de cemento (lt) L=longitud de la columna de cemento balanceada (m) CEA = Capacidad del espacio anular entre la tubería de trabajo y la de revestimiento o el agujero abierto (lt/m) CTP = Capacidad de la tubería de trabajo L=(6859.5 lt) / (4.5 lt/m + 39.5 lt/m) L=155.9 m Tendremos 155.9 m de lechada adentro y afuera de la tubería de trabajo cuando el tapón quede balanceado. 4.- Calcular el volumen de cemento dentro de la tubería después de balancear el tapón.

Lodo Lechada Lavador Espaciador

Versadrill Convencional Redimiento 2 m3 4 m3

1.10 gr/cm3 1.95 gr/cm3 36.2 lt/saco 1.0 gr/cm3 Dens = 1.52 gr/cm3

Niveles de fluidos dentro y fuera de la sarta de trabajo. 350 m 500 m

Ingeniería de Cementaciones

/ ,Ë1( $ ' ( $& ( 5 2 '8 0 3 % $,/ ( 5 /( &+ $ ' $ 0 ( & $1 , 6 0 2 ' ( /,% (5 $& ,Ï 1 0 (& È1 ,& 2 2 (/ e& 75 ,&2 7$ 3 2 Ï1 38 (1 7( 78 %( 5Ë,$ '( 5( 9 ( 67,0 ,(1 72

Método de dos tapones con tubería de aluminio Este método utiliza una herramienta especial para colocar un tapón de cemento a una profundidad definida con un máximo de exactitud y un mínimo de contaminación de la lechada. La herramienta consiste, esencialmente, en un ensamble de fondo instalado en la parte inferior de la tubería de perforación, una tubería de aluminio, un tapón de barrido y otro de desplazamiento. El tapón de barrido es bombeado por delante de la lechada para limpiar la tubería y aislar el cemento del lodo. El perno de seguridad, que conecta el tapón limpiador al tapón, se rompe con un incremento de la presión de circulación y éste es bombeado a través de la tubería de aluminio El tapón de desplazamiento se bombea detrás de la lechada para aislarla del fluido de desplazamiento.

Figura 27 Dump Bailer.

cable. El MPBT y la botella se corren a través de la tubería de producción y el tapón se coloca en la tubería de revestimiento. Existen diferentes formulaciones de cemento clase H y varios aditivos para diferentes gradientes de temperatura. Se utilizan botellas de dos tamaños 1 11/ 16" y 2 1/8". Para calcular la altura del tapón que soportará la presión diferencial requerida para diferentes tamaños de tubería de revestimiento se utilizan tablas y un factor de seguridad. Estas tablas son limitadas puesto que no toman en consideración la temperatura, presión o los efectos del fluido. Además, las condiciones del tapón (contaminación), y estado de las paredes se desconocen. Por lo anterior, es difícil determinar la altura óptima del tapón para proveer un sello contra una presión diferencial determinada. Las ventajas de este sistema es que la profundidad del tapón es fácilmente controlable y es, además, un método relativamente económico. La principal desventaja es que la cantidad de cemento disponible está limitada al volumen de la botella y se deben hacer múltiples viajes. Además no es recomendable para desviar en agujeros amplios, entubados o descubiertos si se duda que alcance las condiciones óptimas de perforabilidad.

venir la formación de un canal aumenta con un incremento en el ángulo de desviación. 2

Un punto de cedencia mínimo de 20 lbf/100 ft para 2 una desviación de 60°, y 28 lbf/100 ft para 85°, se recomendó para prevenir el asentamiento a partir del lodo. Las pruebas de laboratorio y la experiencia en la industria indican también que el flujo turbulento es esencial para la remoción de recortes en un agujero horizontal. Para inducir flujo turbulento, varios operadores perforan con un lodo de viscosidad aparente baja, mientras se mantiene un gasto de circulación por arriba de 500 gal/min, y una relación del punto de cedencia/viscosidad plástica, arriba de 1. Aparte de mantener el agujero limpio, el lodo también debe evitar dañar el yacimiento, evitar la incompatibilidad con los fluidos del yacimiento, asegurar la estabilidad de la perforación en formaciones no consolidadas, y reducir el torque y arrastre de la sarta de perforación y tubería de revestimiento. Para satisfacer estas condiciones, con frecuencia se prefieren los lodos a base de aceite. Circulación del lodo

Figura 28 Método de dos tapones.

Cuando el tapón llega a su asiento se observa un incremento de presión en superficie. Se levanta la tubería de trabajo hasta que la punta de la tubería de aluminio alcanza la cima programada del tapón. Se continúa bombeando para romper el perno de seguridad que se encuentra entre el niple de asiento y la camisa. Esto permite que la camisa se deslice y descubra el agujero para circulación inversa. Si durante la operación la tubería de aluminio se atrapa en el cemento, ésta se puede liberar con un incremento en la tensión aplicada a la tubería.

La circulación del lodo antes de la cementación es tan importante en pozos horizontales como en pozos convencionales. La circulación apropiada con el gasto más alto permisible de la bomba es necesaria para romper la fuerza de gel del lodo y facilitar su remoción por el desplazamiento de fluidos. Así como en pozos convencionales, la circulación debería ser al menos de dos veces el volumen del agujero, y deberá ser continua hasta que un 95% del lodo circulable esté en movimiento. Un operador "marca" el lodo frecuentemente para determinar cuándo está fluyendo el volumen máximo de lodo. Se deberá mantener flujo turbulento sin rebasar la presión de fractura. Esto puede verificarse mediante el uso de simuladores como el CementaW (IMP). El empleo del sistema de perforación top-drive (TDS, por sus siglas en inglés) es prácticamente obligatorio para proporcionar una adecuada limpieza del agujero en pozos altamente desviados y horizontales. El TDS proporciona varias ventajas con respecto a la perforación rotatoria convencional: · La capacidad para intercambiar y rotar la tubería

de perforación durante la circulación, con el fin de mejorar la limpieza del agujero durante su acondicionamiento antes de sacarla. · La capacidad, al hacer conexiones, para repasar en cada parada de tubería con el top-drive, al menos una vez en agujero calibrado y tres veces en zonas deslavadas · La capacidad para hacer frecuentes viajes de limpieza a partir de la zapata de la tubería de revestimiento con circulación por lo menos durante las 10 primeras paradas de tubería. Movimiento de la tubería El movimiento de las tuberías corridas a la superficie o tubería corta es importante para ayudar a romper el esfuerzo de gel del lodo, y para permitir un buen desplazamiento de fluidos. Es recomendable aplicar tanto el movimiento rotacional como reciprocante. En realidad se prefiere la combinación de ambos. Sin embargo, es recomendable la rotación en agujeros calibrados ya que las fuerzas rotacionales provocarán un barrido completo alrededor del espacio anular. El movimiento reciprocante es una alternativa aceptable, y deberá ser empleada en agujeros deslavados. La rotación debe ser de 10 a 20 rpm, y el reciprocante de 10 a 20 ft, con uno a dos movimientos cada uno o dos minutos. El movimiento debe comenzar al momento de iniciar la circulación del lodo y terminar hasta que el último tapón es desplazado. La combinación de ambos movimientos se ha utilizado para pozos horizontales, y puede ser empleado para sartas hasta la superficie y tuberías cortas. Se ha observado que el movimiento de tubería es mucho más fácil con lodo a base de aceite que con el de base de agua, debido a que la fricción en las paredes es de cerca de la mitad. Centralización La centralización es esencial para proporcionar un área uniforme que será la ruta abierta de flujo hacia el espacio anular. Si la tubería no está centrada, impedirá el movimiento del lodo en la parte baja del agujero. Debido a las diferencias en el patrón de flujo, no hay un régimen de flujo o ritmo de flujo práctico que pueda remover el lodo entrampado. La experiencia de campo indica que un 67% de cen-

Ingeniería de Cementaciones

trado es necesario para lograr la mejor oportunidad de remover el lodo de la parte estrecha del anular. Esto fue confirmado por Wilson y Sabins (1988) quienes en un estudio de laboratorio observaron que, a pesar de un control estricto sobre el lodo, existía contaminación del lodo y una pobre eficiencia de desplazamiento cuando el centrado API de una tubería era menor del 60%, el espaciador y las características de la lechada de cemento.

Ingeniería de Cementaciones

terminados con precisión mediante simuladores de cómputo. Efecto de cuña

Cuando hay bajos gastos de flujo (flujo laminar), existe la posibilidad de que el cemento más pesado pueda actuar como cuña y como canal debajo del lodo. Sin embargo, este efecto se puede compensar por la diferencia de velocidades entre la parte superior e inferior del espacio anular durante el desplazamiento, debido a la excentricidad de la tubería o a la aparente excentricidad por el asentamiento de sólidos del lodo de perforación. Más aún, no han aparecido publicados estudios teóricos o experimentales concernientes a los efectos de la diferencial de densidades y el aislamiento de la TR; por lo que las recomendaciones en estos aspectos esFigura 18 Variación relativa del promedio crítico del Número de Reynolds como tán basadas en la expeuna función de la excentricidad. riencia de campo.

La dificultad para mantener el flujo turbulento hacía una tubería excéntrica está mostrado gráficamente en la figura 18. El promedio del número de Reynolds crítico se incrementa 2.5 veces cuando el centrado se reduce del 67 al 40%. El centrado de la tubería de revestimiento es complicado cuando el ángulo de desviación es alto, debido al incremento de la carga sobre los centradores. Para mantener el óptimo centrado, una regla de "dedo" es mantener el espaciamiento entre centradores por abajo de 20 ft (6.1 m). Los centradores de barra sólidos son los recomendados cuando se cementa en agujeros calibrados. Los centradores soldados tipo "fleje" pueden ser empleados en secciones deslavadas. Los centradores deberán incluir un cojinete que permita el movimiento rotacional y reciprocante de la tubería sin que se muevan los centradores. El número requerido y el posicionamiento de los centradores pueden ser de-

Fluidos espaciadores y lavadores Los fluidos espaciadores y lavadores químicos deberán preceder siempre a la lechada de cemento. Idealmente, todos los fluidos deberán desplazarse en flujo turbulento, incluyendo el lodo. Sin embargo, si el cemento no puede ser desplazado en flujo turbulento entonces, al menos, se debe preceder por el flujo turbulento de un fluido espaciador o lavador. La lechada de cemento puede, entonces, desplazar fácilmente un fluido más delgado, que tiene una baja resistencia al flujo. Para determinadas condiciones de cementación, la figura 19 indica el gasto para alcanzar el flujo turbulento del lodo en el espacio anular, para diferentes tamaños de tubería de revestimiento en un agujero de 8 ½", y su correspondiente margen de seguridad. Esta figura muestra claramente que, incluso con el gasto más alto, se necesita alcanzar flujo turbulento en la TR de 5 ½", un margen de seguridad de 300 psi, per-

más recomendado. Se recomienda una altura anular de 150-250 m para lavadores y espaciadores. La centralización de la tubería mejora la remoción del lodo. (Este aspecto es normalmente olvidado aun cuando la tubería sea levantada después de la colocación del tapón). Si la tubería no está centralizada correctamente, puede ocurrir canalización del cemento y así el balanceo del tapón será más difícil; ambos efectos contribuyen a la contaminación de la lechada, aunque esto es teórico pues no se debe olvidar que al levantar un tubo con centradores podría provocarse la contaminación. De esta manera, es preferible utilizar tubería lo más lisa posible y con rotación. Se recomienda la rotación de la tubería en lugar de la reciprocación. Esto puede ser útil puesto que la tubería se levantará fuera del cemento antes de circular en inverso cuando el tapón haya sido balanceado. La rotación reduce la gelificación del cemento y le permite caer más fácilmente de la tubería conforme se levanta. Diseño IV: Fallas más comunes Una vez que el tiempo de fraguado ha pasado, se toca la cima del tapón y se aplica peso de aproximadamente 5 toneladas sobre él. Éste es el principal criterio para medir el éxito de un tapón. Cuando el tapón servirá de apoyo para una herramienta desviadora entonces la prueba es muy importante, pues si el tapón está colocado frente a caliza aunque la perforabilidad no alcance a la de la caliza, se busca una perforabilidad promedio de 4 min/m. en el punto en donde se iniciará el desvío. Las causas más comunes de falla son: Contaminación con lodo. Se debe a una deficiente remoción de lodo, a espaciadores/lavadores no efectivos, a falta de centralización, tiempos de espesamiento y fraguado muy largos, y a técnicas de colocación incorrectas. Lechadas sobre-retardadas o tiempo de espera de fraguado insuficiente. Suceden cuando el desarrollo de esfuerzo compresivo es inadecuado y el tapón será perforado sin alcanzar el tiempo de perforabilidad requerida. Es necesario conocer el dato exacto de temperatura de fondo estática y cuidar que el tapón sea diseñado precisamente

para las aplicaciones en las cuales será utilizado. Información errónea de la litología y geometría del pozo (especialmente la temperatura de fondo estática) ocasiona la utilización de parámetros de diseño incorrectos: cálculo erróneo en la cantidad de cemento, propiedades erróneas de la lechada, contaminación o colocación del tapón en un lugar incorrecto. Un volumen de cemento insuficiente debido a datos del registro de calibración incorrectos o desconocidos, proporciona un tapón de altura menor que la requerida. Se recomienda una altura de 100-150 m y hasta el doble de exceso de cemento en secciones de agujero descubierto de diámetro desconocido, especialmente cuando largas operaciones de pesca han sido llevadas a cabo y es necesario colocar un tapón de desvío en el sitio de pesca. Los tapones pueden descolgarse o moverse cuando se utilizan lechadas de cemento de alta densidad en pozos con fluidos de control de baja densidad. Como resultado de la interface inestable formada, el cemento se canalizará y se diluirá con el lodo. Esto puede ser evitado con la colocación de un volumen viscoso u otra técnica de puenteo y con el uso de un difusor. IX. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA COLOCACIÓN DEL TAPÓN Dump Bailer Los Dump Bailers son utilizados para la colocación de pequeñas cantidades de cemento encima de tapones puente o retenedores de cemento para proporcionar sellos a las presiones más fuertes y durables. El cemento es colocado en una botella metálica de 2 1/8 pg de diámetro (Dump Bailer) que transporta una cantidad medida de 18 litros de lechada de cemento por medio de un cable de 5/16 o 7/32 pg de acero. La botella se abre eléctricamente al tocar el tapón puente permanente ubicado por debajo de la profundidad de colocación del tapón; el cemento se deposita sobre el tapón al levantar la botella. (Figura 27). El tapón puente es colocado usando una herramienta de colocación de tapones mecánicos (MPBT, Mechanical Plug Back Tool) colocada con

Ingeniería de Cementaciones

correcta; la planeación y obtención de datos correctos del pozo son esenciales. El diseño del trabajo depende del objetivo. La colocación de un tapón para pérdida de circulación será muy diferente que la colocación del tapón para una zona depresionada o para la desviación de un pozo, así como el diseño para el abandono de una zona en donde tenga aportación de cualquier hidrocarburo o la litología en donde se esté colocando. Diseño II: Profundidad y longitud del tapón La posición de un tapón de cemento es de primordial importancia. Los registros de calibración del agujero sirven para determinar en donde colocar el tapón y cuánto cemento utilizar. Los registros de perforación y registros de velocidad de perforación deben ser consultados para determinar en dónde colocar el tapón en el agujero descubierto. La aplicación del tapón dependerá del tipo de formación frente a la cual se colocará, a menos que se desee desviar el pozo, lo mejor es colocar los tapones en formaciones consolidadas. Las lutitas deben evitarse pues usualmente están deslavadas y fuera de calibre. Para tapones de desvío, el cemento no debe ser colocado en formaciones excesivamente duras. Las formaciones altamente permeables o donde existan pérdidas deben ser evitadas, pues puede suceder que las propiedades de la lechada cambien por el filtrado, o que el volumen de lechada no sea suficiente, debido a la pérdida. Si es posible, se deben seleccionar agujeros con mínima alteración en su calibre. Si los volúmenes de cemento son calculados con mayor exactitud, el desplazamiento será mejorado y el balanceo más fácil. El volumen de cemento depende del objetivo del tapón. Las longitudes y profundidades de los tapones de abandono son usualmente dictadas por regulaciones gubernamentales y varían dependiendo de las zonas, y de las presiones, entre otros factores, durante la perforación del pozo. Los tapones para desvío deben ser lo suficientemente largos para permitir la desviación gradual de la barrena en el agujero. La longitud mínima recomendada es entre 100-150

Ingeniería de Cementaciones

la presencia de la otra; por lo tanto, las pruebas que se hagan deberán considerar que sean independientes.

m. Ésta debe ser suficiente, tomando en cuenta que la parte superior del tapón podría contaminarse. Un registro de calibración del agujero es útil para el cálculo de la cantidad de cemento requerida y para ubicar una sección del agujero en calibre para que éste sea colocado. Si el tapón se va a colocar en un agujero fuera de calibre o una sección deslavada, entonces se debe utilizar un porcentaje de exceso que podría ser del doble o mayor que el del volumen normal considerado. Esto más bien se basa en la experiencia en tapones similares usados con éxito, de acuerdo con estadísticas. Diseño III: Desplazamiento y colocación El desplazamiento se puede mejorar con lodos fluidos de bajo valor de filtrado. El agujero debe ser circulado, por lo menos, con el equivalente a un volumen del pozo y antes de colocar el tapón para alcanzar las condiciones reológicas necesarias para el cemento que se va a manejar. Preferentemente, el cemento debe tener mayor densidad y propiedades reológicas que los baches separadores, y más que el lodo. Queda excluido de este orden el frente lavador, pues la mayoría de éstos, por ser newtonianos, tienen una densi3 dad que fluctúa entre 1.00 gr/cm o menor. El pozo debe estar estáble para evitar la contaminación del cemento. Algunas características recomendables para el lodo son: Viscosidad Funnel = 45-80 2 seg, PV= 12-20 cp, Ty = 1-5 lb/100ft y la pérdida de filtrado tan baja como se pueda. Estos valores pueden ser difíciles de conseguir en la práctica. La contaminación de las lechadas de cemento es la principal causa de falla de los tapones. Puede aumentar el tiempo de fraguado y reducir el esfuerzo compresivo; el 10% de la contaminación por lodo puede reducir el esfuerzo compresivo hasta en un 50%. Se requiere el uso de lavadores y espaciadores para evitar problemas de compatibilidad. Los espaciadores deben ser utilizados cuando el control del pozo sea un problema, la densidad del 3 espaciador debe ser 0.12 - 0.24 g/cm mayor que la del lodo para ganar el efecto de flotación para mejor desplazamiento del lodo. Los lavadores químicos deben utilizarse en lugar de agua especialmente cuando se utiliza lodo a base de aceite. Los lavadores usualmente fluyen en flujo turbulento, el desplazamiento en flujo turbulento es el

Figura 19 Gasto para alcanzar el flujo turbulento.

manece al final del desplazamiento, mientras que para una TR de 7", la presión de fractura de la formación ha sido sobrepasada por 200 psi. Propiedades de la lechada de cemento Varias propiedades de la lechada de cemento se consideran necesarias para una cementación exitosa. Algunas de estas propiedades son más críticas en la cementación de pozos horizontales que en pozos menos desviados. Dos de las más importantes propiedades son la estabilidad de la lechada y el filtrado. Estabilidad de la lechada La estabilidad del cemento es siempre importante, pero aún más cuando se trata de pozos desviados. Existen dos propiedades que determinan la estabilidad de la lechada: el agua libre y la sedimentación. El agua libre es importante debido a que puede migrar hacia la parte alta del agujero y crear un canal abierto a través del cual los fluidos del pozo pueden fluir. La sedimentación puede provocar una baja resistencia, una porosidad alta del cemento en la parte superior del pozo. La pérdida de aislamiento entre zonas puede ocurrir y causar una migración de fluido y una reducción en el control eficiente del yacimiento. Aunque la propiedad del agua libre y la sedimentación pueden ocurrir juntos no están necesariamente relacionadas. Una propiedad puede presentarse sin

El agua libre debe mantenerse en cero. En el laboratorio, el agua libre y la sedimentación deben medirse contemplando el máximo ángulo de desviación. Aunque un método de prueba estándar de la API no existe actualmente para pozos horizontales, la mayoría de las compañías operadoras y de servicio han desarrollado procedimientos internos para pruebas de evaluación del agua libre. El agua libre y la sedimentación pueden ser prevenidos por medios químicos, tales como la adición de agentes viscosificantes y/o sales metálicas, las cuales forman hidróxidos complejos. Pérdida de fluido El control de pérdida de fluido es particularmente importante en pozos horizontales, debido a la exposición de la lechada a grandes secciones permeables que son más críticas que en pozos verticales. Se requieren bajos ritmos de pérdida de fluidos para preservar las propiedades reológicas diseñadas para la lechada. Los ritmos de pérdida deben ser siempre menores a 50 ml/ 30 min. Un método para lograrlo, sin afectar adversamente el control del agua libre y la viscosidad, es mediante el uso de un sistema propiamente diseñado de cemento látex-modificado. Otras propiedades de la lechada El control de la densidad de la lechada y una concentración uniforme de los aditivos son particularmente importantes para asegurar que las propiedades del cemento sean consistentes a través del intervalo que se va a cementar. Se deberá tener un control estricto de la mezcla de la lechada. Si se requiere el control de sistemas de cemento de baja densidad, por problemas de pérdida de circulación, los cementos a base de microesferas podrían ser

IngenierĂa de Cementaciones

mejores que los sistemas convencionales de cementos ligeros, sobre todo para obtener una mayor resistencia a la compresiĂłn.

el flujo vertical de los fluidos o proporcionar una plataforma o soporte para el desvĂo de la trayectoria del pozo.

Una vez que la lechada de cemento ha sido diseĂąada, los gastos y presiones de flujo deben ser revisados en un simulador (tipo "tubo en U"), como Cementa W (IMP). Esto es importante para verificar que las presiones de poro y de fractura de las formaciones no sean rebasadas durante la operaciĂłn. Resumen

Objetivos

GuĂa para la cementaciĂłn de pozos horizontales. Basados en la experiencia de campo e investigaciones de laboratorio, las principales consideraciones para una adecuada cementaciĂłn de pozos horizontales puede resumirse en los siguientes puntos: Âˇ Prevenir el asentamiento de sĂłlidos del lodo Âˇ Optimar las propiedades de la lechada de cemento Âˇ Optimar el claro entre la tuberĂa y las paredes del pozo Âˇ Centrar la tuberĂa Âˇ Circular el lodo, al menos, en un volumen del agujero Âˇ Mover la tuberĂa tanto en rotaciĂłn como reciprocante Âˇ Mezclar con recirculador y control automĂĄtico de densidad Âˇ DiseĂąar los gastos de desplazamiento para flujo turbulento o velocidad anular mĂnima de 80 m/ minuto (dentro de los lĂmites de la presiĂłn de poro y fractura) La experiencia dentro de la industria confirma que con buenas prĂĄcticas de cementaciĂłn y un control estricto de los detalles especiales de diseĂąo y ejecuciĂłn, los pozos horizontales pueden ser cementados con buenos resultados. VIII. TAPONES DE CEMENTO DescripciĂłn Es la tĂŠcnica balanceada de colocaciĂłn de un volumen relativamente pequeĂąo de cemento a travĂŠs de una tuberĂa de perforaciĂłn, de producciĂłn, o con auxilio de herramientas especiales, en una zona determinada, en agujero descubierto o tuberĂa de revestimiento. Su finalidad es proveer un sello contra

Lodo 1.08 gr/cc Espaciador

Los tapones colocados dentro de agujeros entubados se utilizan para: Â&#x2022; Abandonar intervalos depresionados Â&#x2022; Proteger temporalmente el pozo Â&#x2022; Establecer un sello y abandonar el pozo Â&#x2022; Proveer un punto de desvĂo en ventanas.

Lechada 2.10 gr/cc

Los tapones en agujero descubierto se colocan para: Â&#x2022; Â&#x2022; Â&#x2022; Â&#x2022; Â&#x2022;

Abandonar la parte inferior del pozo Aislar una zona para prueba de formaciones Abandonar capas de formaciĂłn indeseables Sellar zonas de pĂŠrdida de circulaciĂłn Iniciar perforaciĂłn direccional (ej. desviaciĂłn por pescado).

Bache viscoso

Lodo 1.08 gr/cc

Â&#x2022; CĂłmo obtener informaciĂłn del pozo que se va a intervenir. Los datos necesarios para el diseĂąo de un tapĂłn por circulaciĂłn son los siguientes: Â&#x2022; GeometrĂa del agujero abierto Â&#x2022; DiĂĄmetro de la barrena Â&#x2022; Registro de calibraciĂłn del agujero Â&#x2022; Porcentaje de exceso considerado Â&#x2022; Profundidad Â&#x2022; Datos del agujero Â&#x2022; PresiĂłn de poro Â&#x2022; PresiĂłn de fractura Â&#x2022; LitologĂa Â&#x2022; Zonas de flujo o pĂŠrdidas Â&#x2022; Temperatura de fondo estĂĄtica Â&#x2022; Temperatura de fondo circulante Â&#x2022; Zonas problema Â&#x2022; PĂŠrdida de circulaciĂłn Â&#x2022; Deslavadas Â&#x2022; Flujo de agua Â&#x2022; Alta presiĂłn de gas Â&#x2022; Datos de la tuberĂa de revestimiento Â&#x2022; DiĂĄmetro Â&#x2022; Peso Â&#x2022; Profundidad Â&#x2022; TuberĂa anterior Â&#x2022; Datos de desviaciĂłn

Figura 25. Inestabilidad de interface.

se agrava cuando la tuberĂa no estĂĄ bien centrada, porque el efecto U no puede ser controlado y usualmente el sistema se perturba durante la operaciĂłn (por ejemplo: al levantar la tuberĂa o bombear muy rĂĄpido, la presencia de gas, etc). Por eso, aun antes de que el cemento estĂŠ colocado, puede estar canalizado (Figura 25). Esta inestabilidad puede ser mejorada reduciendo la diferencia de densidad entre el lodo y el cemento, perturbando el sistema lo menos posible y/o utilizando un frente viscoso de lodo debajo del tapĂłn, que servirĂĄ de apoyo y evitarĂĄ la interdigitaciĂłn entre lodo y cemento de la parte inferior del tapĂłn; tambiĂŠn se debe instalar un difusor de flujo axial en el extremo inferior de la tuberĂa de trabajo. Mejoras en la colocaciĂłn Se pueden utilizar dos mĂŠtodos para ayudar a crear una interface cemento/lodo mĂĄs estable durante la colocaciĂłn del tapĂłn.

El primero considera tuberĂa franca colocando un frente viscoso con la misma densidad del lodo para crear un soporte debajo de la lechada. De cualquier manera, para que los sistemas sean estables, es necesario bombearlos (frente viscoso y cemento) lo mĂĄs lentamente posible mientras que la tuberĂa debe ser rotada para ser levantada, tambiĂŠn despacio, al final del desplazamiento. El segundo mĂŠtodo utiliza un difusor de flujo que se coloca en la punta de la tuberĂa que hace un cambio de flujo vertical a lateral y hacia arriba, (Figura 26). Los agujeros a los lados de la herramienta deben tener, por lo menos, la misma ĂĄrea de flujo que el ĂĄrea interna de la tuberĂa. Se han visto mejoras al incrementar la distancia entre los agujeros laterales con la salida inferior de la tuberĂa tapada. Estos dos mĂŠtodos, utilizados en conjunto con las prĂĄcticas definidas para cada aplicaciĂłn del tapĂłn, incrementan su probabilidad de ĂŠxito. Como sea, al igual que con todos los trabajos de cementaciĂłn, una buena colocaciĂłn es bĂĄsica para obtener una cementaciĂłn exitosa. Consideraciones de diseĂąo DiseĂąo I: Factores de ĂŠxito del tapĂłn Los factores bĂĄsicos para el ĂŠxito de un tapĂłn son los mismos que para lograr una cementaciĂłn primaria Ăłptima. Las posibilidades de ĂŠxito del tapĂłn mejoran con el uso de buenas tĂŠcnicas de desplazamiento, asĂ como de la selecciĂłn de la lechada

ADJXMHURV Â&#x192;

7DS

Figura 26 Difusor.

Ingeniería de Cementaciones

agregando harina sílica o arena sílica aumente el esfuerzo compresivo del cemento, lo cual no debe confundirnos . Técnicas de colocación Tapón balanceado El método más común de colocación de un tapón es la Técnica de Tapón Balanceado. Este método consiste en colocar un tapón sin escurrimientos de fluidos por dentro y por detrás de la tubería de perforación. El proceso se desarrolla de la siguiente manera: Se introduce tubería de perforación y/o producción con difusor de flujo en el agujero a la profundidad deseada. En algunos casos se utilizan tuberías de aluminio o fibra de vidrio y se dejan dentro del cemento formando parte del tapón. Cuando se termina el desplazamiento del cemento, se desconecta

Balanceo Fluido de desplazamiento Espaciador

Lechada de cemento

Por delante y detrás de la lechada se debe bombear un volumen apropiado de espaciador (agua, diesel, lavador químico y espaciador densificado), con el propósito de evitar la contaminación de la lechada de cemento con el lodo y balancear el tapón (Figura 24). Los volúmenes de lavador y espaciador son tales que sus alturas en el anular y dentro de la tubería son las mismas. Se completa el desplazamiento con lodo de control hasta la profundidad de la cima calculada del tapón. Es práctica común parar el bombeo de 1 o 2 barriles antes de completar el volumen total de desplazamiento. Esto se hace con el propósito de dejar el nivel del cemento dentro de la tubería un poco arriba del nivel del cemento en el anular, debido a que aumenta la posibilidad de que el cemento que cae de la tubería lo haga a la misma velocidad en ambos lados y propicie así que se balancee el tapón. Además esto ayuda a evitar que el cemento permanezca dentro de la tubería al momento de la extracción de ésta y se contamine con el fluido de control. Una vez que el tapón ha sido balanceado, se levanta la tubería a una velocidad lenta, entre 3 y 5 min por lingada (tres tubos acoplados ) a cierta altura por encima de la cima del tapón y se circula en inverso desalojando el sobrante de la lechada, si esto fue programado de esta manera. Si no fuera así, entonces se levanta lentamente a la velocidad antes indicada, hasta alejarse lo necesario de la cima del frente lavador y se cierra el pozo el tiempo estimado para desarrollar su esfuerzo compresivo; al término de éste, se procede a sacar toda la tubería utilizada y se introduce la barrena seleccionada para afinar el tapón. De esta manera se evita el movimiento de fluidos que pudieran producir la contaminación del cemento con el fluido de control del pozo. Estabilidad en la interface

Figura 24 Balanceo de tapón.

la tubería de aluminio dejándola como parte integral del tapón de cemento, y se levanta la tubería de trabajo.

Las causas principales relacionadas con las fallas de los tapones, durante la colocación de la lechada, son el comportamiento inestable del flujo debido a la diferencia de densidad de los fluidos que comparten la interface de cemento y lodo, y la práctica de utilizar tubería franca para colocar el cemento. Debido a las fuerzas gravitatorias adversas, los fluidos se moverán en la interface ya sea contaminando la lechada o provocando que caiga. Esto

Profundidad vertical real Profundidad medida Puntos de desvío Orientación Fluidos Tipo de lodo Densidad Reología Tipos de tapón Tapón de desvío

3XQWR GH GHVY tR 7 DSyQ GH FHPH QWR

$JXMHUR QXHY R Figura 20 Tapón de desvío.

Durante las operaciones de perforación direccional puede ser difícil alcanzar el ángulo y dirección correctos cuando se perfora a través de una formación suave. Es común colocar un tapón de desvío en la zona para alcanzar el objetivo y curso deseado. (Figura 20). Además, cuando una operación de pesca no se puede llevar a cabo por motivos económicos, la única solución disponible para alcanzar el objetivo del pozo es el desvío por arriba del pez. El éxito de un buen tapón de desvío es su alto esfuerzo compresivo. Las lechadas de agua reducida con dispersantes alcanzan densidades de hasta 2.16 g/cm3 y proveen los mejores resultados. Son cementos muy duros, densos, de baja permeabilidad. Esta lechada desarrolla altos esfuerzos compresivos que se alcan-

zan en periodos cortos por lo que se puede reducir el tiempo de espera de fraguado de cemento. La pérdida de filtrado es reducida y tienen mejor resistencia a la contaminación con los fluidos del pozo. Hay criterios técnicos que aseguran tener mejor esfuerzo compresivo a través del uso de la arena sílica. Está comprobado que la arena no ayuda a mejorar el esfuerzo compresivo. Si por costumbre se insiste en agregar arena, ésta debe ser limitada a 4.5 kg/saco. Cuando se colocan varios tapones antes de obtener alguno lo suficientemente fuerte para desviar, la falla se debe, entonces, a la inestabilidad de una lechada de alta densidad colocada sobre un lodo de baja densidad. La incidencia de fallas de tapones se puede reducir utilizando los métodos correctos de colocación. En tapones de desvío, después de varios intentos de pesca, es común que el agujero se haya lavado y haya creado una caverna en donde los registros geofísicos no puedan tocar las paredes de esa caverna; por lo tanto, será difícil estimar correctamente el volumen de cemento requerido para balancear el tapón. El éxito del tapón, en estos casos, se debe más a la experiencia que a la técnica. La profundidad de colocación también es importante. La cima del tapón o de inicio de desviación debe colocarse frente a una formación fácilmente perforable, en donde la barrena pueda ser orientada en una nueva dirección sin caer en el agujero orginal. Una consideración muy importante en la colocación de tapones de desvío, por cambio de rumbo o pescado, es que el tapón debe tener la longitud necesaria para asegurar que la barrena este lejos del agujero original en el momento que sobrepase la longitud del tapón. ´ DE TAPON CEMENTO ´ DE TAPON CEMENTO

´ DE TAPON CEMENTO ´ DE TAPON CEMENTO

Figura 21 Tapón de abandono.

Ingeniería de Cementaciones

Abandono

Pérdida de circulación

Cuando se requiere abandonar un pozo y prevenir la comunicación entre zonas y la migración de fluidos que pueden contaminar los mantos acuíferos, se colocan varios tapones de cemento a diferentes profundidades. Los pozos productores depresionados también se abandonan con tapones de cemento, (figura 21). En muchos países, como México entre otros, el gobierno regula el abandono de los pozos petroleros con procedimientos específicos.

La pérdida de fluido de perforación puede ser detenida si se coloca correctamente un tapón de cemento frente a la zona de pérdida. Aunque la lechada se puede perder, también puede endurecer y consolidar la formación, (figura 22). Un tapón de cemento también se puede colocar encima de una zona para prevenir su fractura debido a presiones hidrostáticas que pueden desarrollarse durante la cementación de una tubería de revestimiento. Las lechadas de cemento puro son efectivas para solucionar pérdidas menores y brindan esfuerzos compresivos muy altos. Para cementos más ligeros con mejores propiedades mecánicas se utilizan cementos espumados o microesferas. Éstos tienen la ventaja natural de la tixotropía por lo que es menos probable que se pierdan.

Los tapones de abandono de pozos se colocan generalmente frente a zonas potenciales de alta presión. Se pone un tapón en la zapata de la tubería de revestimiento anterior (algunas veces con algún tapón puente mecánico) y se colocan todos los necesarios hasta la superficie. Si se planea abandonar intervalos grandes de agujero descubierto, entonces se requiere la colocación de varios tapones de cemento dentro del agujero. Se debe utilizar harina sílica cuando la temperatura estática de fondo exceda de los 100°C para prevenir la regresión de la resistencia del cemento (incremento en la permeabilidad y pérdida de esfuerzo compresivo). Los aditivos de cemento deben ser mínimos, las lechadas extendidas tienen relativamente baja viscosidad y bajo esfuerzo compresivo son usadas pocas veces como tapón de abandono.

Las lechadas tixotrópicas son ampliamente utilizadas. Su habilidad para desarrollar geles, conforme el movimiento disminuye, es ventajosa pues ayuda a prevenir pérdidas a la formación y libera de presiones hidrostáticas a las zonas débiles. La adición de materiales para pérdida por circulación también ayuda en el éxito de los trabajos. Los materiales granulares son más efectivos para fracturas más grandes; los fibrosos o en escamas son mejores para pérdidas en formaciones porosas o de alta permeabilidad. Para ayudar a la colocación del cemento en el agujero también se utilizan los sistemas duales, con cemento y sistemas para pérdida de circulación. Es muy importante utilizar una temperatura de fondo circulante real. Las pérdidas enfriarán el agujero por lo que la temperatura de fondo circulante puede ser mucho menor que la utilizada por los gradientes térmicos. Tapones para prueba de formación

Figura 22 Tapón para pérdida de circulación.

Cuando se programa una prueba de formación, y bajo el intervalo por probar existe una formación suave o débil, o que pueda aportar a la prueba fluidos indeseables, se colocan tapones de cemento para aislar la formación por probar, siempre y cuando sea impráctico o imposible colocar un ancla de pared (figura 23). Esto permite evitar el fracturamiento de la zona débil.

TUBERÍA PARA PRUEBA ZONA A PROBAR

TAPÓN DE CEMENTO

ZONA DÉBIL

Figura 23 Tapones para probar intervalos.

Diseño de la lechada de cemento El diseño de la lechada de cemento para los tapones por circulación, y sus propiedades, dependen de la aplicación del tapón así como de la densidad requerida. Generalmente se utilizan volúmenes pequeños de lechada y se deben mezclar en volumen siempre que sea posible. Es muy importante considerar que el diseño de la lechada reviste más del 50% del éxito del tapón. Reología Para tapones de control de pérdida de circulación se requieren lechadas viscosas con fuerte gelificación para restringir el flujo a fracturas o poros. Las lechadas tixotrópicas o de baja densidad y los materiales para pérdida de circulación son muy utilizados para tapones de desvío. Se requiere que la lechada sea de alta densidad, pero con la fluidez necesaria para que el cemento salga de la sarta de perforación al extraer la tubería. Filtrado La pérdida de agua de la lechada durante su colocación

modifica sus condiciones de diseño originales. Esto trae como consecuencia el fracaso del trabajo al no alcanzar el objetivo planeado. Se puede requerir, entonces. el control de filtrado para mantener una buena calidad de la lechada cuando se hacen movimientos con la tubería. Si una lechada se somete a periodos de condición estática mientras está siendo colocada, se desarrollan esfuerzos de gelificación que pueden conducir al atrapamiento de la tubería. Es muy importante, por lo tanto, mantener el valor de filtrado de diseño durante el trabajo. Tiempo de espesamiento Los tiempos de espesamiento deben diseñarse de acuerdo con las condiciones del pozo, los procedimientos de colocación y un factor de seguridad razonable. Para pozos profundos de alta temperatura, el tiempo de espesamiento debe ser considerablemente mayor. Como una medida más de seguridad, en México los tiempos de espesamiento para pozos, con temperaturas menores de 140° C, se calculan considerando el tiempo de la colocación más una hora adicional y la prueba se realiza en el laboratorio con temperatura circulante. Para pozos arriba de esta temperatura, hasta 175 °C, se toma el mismo criterio respecto al tiempo; solamente que las pruebas de laboratorio se consideran a una temperatura intermedia entre la circulante y la estática con excelentes resultados. En todos los casos, es muy importante la selección de los retardadores adecuados. En la minimización de gelificación de la lechada, y con la finalidad de evitar costos innecesarios, se consideran tiempos de espera de fraguado de acuerdo con el objetivo del tapón, que no serán mayores a 24:00 horas. Resistencia a la compresión La resistencia a la compresión para tapones de desvío es primordial. Se requiere el desarrollo de alto esfuerzo compresivo en cortos periodos de tiempo. Las mejores lechadas para esta aplicación son las de agua 3 reducida y alta densidad (por arriba de 2.16 g/cm ); se pueden obtener esfuerzos compresivos de hasta 8,500 psi, en contraste con las 5,000 psi de una lechada de 3 1.95 g/cm . La adición de arena o agentes densificantes no mejora el esfuerzo compresivo de una lechada con bajo contenido de agua; además de dispersantes y retardadores se requieren muy pocos aditivos. Para tapones de abandono colocados a profundidades con temperaturas mayores de 100°C es necesario agregar harina o arena sílica, dependiendo de la densidad requerida, para evitar la regresión de la resistencia compresiva del cemento. Sin que esto implique que