> Operación de cementación primaria básica con dos tapones. Después de perforar un intervalo de un pozo hasta la profundidad deseada, la columna de perforación se remueve y se baja una sarta de revestimiento hasta el fondo del pozo (extremo superior ) . El extremo inferior de la sarta de revestimiento usualmente está provisto de una zapata de protección, y los centralizadores mantienen la tubería de revestimiento centrada en el pozo. Los ingenieros bombean lavados químicos y fluidos espaciadores por el interior de la tubería de revestimiento, desplazando de ese modo el fluido de perforación (centro a la izquierda). A continuación, insertan un tapón inferior, seguido por un volumen de lechada de cemento que es suficiente para llenar el espacio anular (centro a la derecha). El bombeo continuo de la lechada de cemento hace que el fluido de perforación salga del interior de la tubería de revestimiento, ascienda por el espacio anular y salga del pozo. Cuando el tapón inferior se asienta en el extremo inferior de la sarta de revestimiento, se rompe una membrana que posee el tapón, lo que abre un trayecto para el ingreso de la lechada de cemento en el espacio anular. Los ingenieros insertan un tapón superior después de la lechada de cemento, y luego del tapón superior un fluido de desplazamiento (extremo inferior izquierdo). El bombeo del fluido de desplazamiento empuja el tapón superior hacia abajo hasta que se asienta sobre el tapón inferior, aislando de este modo el interior de la tubería de revestimiento y el espacio anular y rellenando este último con la lechada de cemento (extremo inferior derecho).

Desplazamiento

Fluido de desplazamiento

Lavado químico

Tapón inferior

Lechadade cemento

Fluidoespaciador

Tapón superior

Fluido de perforación circulante

Bombeo del lavado, el espaciador y la lechada de cemento

Desplazamiento Operación concluida

Fluido de perforación

Sarta de revestimiento

Espacio anular

Zapata

Centralizadores

Volumen 24, no.2 63

DEFINICIÓN DE CEMENTACIÓN

Fundamentos de la cementación de pozos

Traducción del artículo publicado en Oilfield Review Verano de 2012: 24, no. 2. Copyright © 2012 Schlumberger.

Erik B. NelsonEditor colaborador

La cementación de los pozos petroleros consiste en dos operaciones princi-pales: la cementación primaria y la cementación con fines de remediación. La cementación primaria es el proceso de colocación de una lechada de cemento en el espacio anular existente entre la tubería de revestimiento y la formación. La cementación con fines de remediación tiene lugar después de la cementación primaria, cuando los ingenieros inyectan cementos en posiciones estratégicas de los pozos con diversos fines, incluidos la repara-ción del pozo y su abandono.

La cementación primaria es un procedimiento crítico dentro del proceso de construcción de pozos. La cementación proporciona un sello hidráulico que establece el aislamiento zonal, lo que impide la comunicación de los fluidos entre las zonas productivas del pozo y bloquea el escape de los fluidos hacia la superficie. Además, la cementación produce el anclaje y la sustenta-ción de la sarta de revestimiento y protege la tubería de revestimiento de acero contra la corrosión producida por los fluidos de formación. Si no se logran estos objetivos, la capacidad del pozo para explotar todo su potencial productivo puede verse severamente limitada.

La mayoría de las operaciones de cementación primaria emplean un método de emplazamiento del cemento que incluye dos tapones (derecha). Después de perforar un intervalo hasta una profundidad deseada, una brigada remueve la columna de perforación, dejando el pozo lleno de fluido de perforación. Luego, la brigada baja una sarta de revestimiento hasta el fondo del pozo. El extremo inferior de la sarta de revestimiento está prote-gido con una zapata guía o una zapata flotante. Ambas zapatas son disposi-tivos ahusados, con el extremo en forma de bala, que guían la tubería de revestimiento hacia el centro del pozo para minimizar el contacto con los bordes rugosos o los derrumbes durante la instalación. La zapata guía difiere de la zapata flotante en que la primera carece de una válvula de retención. La válvula de retención impide el flujo inverso, o formación de tubo en U, de los fluidos que pasan desde el espacio anular hacia el interior de la tubería de revestimiento. Los centralizadores se colocan a lo largo de las secciones críticas de la tubería de revestimiento para ayudar a evitar su atascamiento mientras se baja en el pozo. Además, los centralizadores mantienen la tube-ría de revestimiento en el centro del pozo para ayudar a asegurar la unifor-midad de la cementación en el espacio anular existente entre la tubería de revestimiento y la pared del pozo.

A medida que se baja la tubería de revestimiento en el pozo, el interior de la tubería de revestimiento puede llenarse con fluido de perforación. Los obje-tivos de la operación de cementación primaria son: remover del fluido de per-foración del interior de la tubería de revestimiento y del pozo, colocar una lechada de cemento en el espacio anular y llenar el interior de la tubería de revestimiento con un fluido de desplazamiento, tal como fluido de perfora-ción, salmuera o agua.

Las lechadas de cemento y los fluidos de perforación suelen ser química-mente incompatibles. Su mezcla puede generar en la interfase una masa espe-sada o gelificada difícil de remover del pozo, que posiblemente impida la

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uniformidad de la cementación en todo el espacio anular. Por consiguiente, los ingenieros emplean medios químicos y físicos para mantener la separación de los fluidos. Los lavados químicos y los fluidos espaciadores pueden ser bom-beados después del fluido de perforación y antes de la lechada de cemento. Estos fluidos presentan la ventaja adicional de limpiar las superficies de la tubería de revestimiento y la formación, lo que ayuda a obtener una buena adherencia del cemento.

Los tapones limpiadores son dispositivos elastoméricos que propor-cionan una barrera física entre los fluidos bombeados dentro de la tubería de revestimiento. Un tapón inferior separa la lechada de cemento del fluido de perforación, y un tapón superior separa la lechada de cemento del fluido de desplazamiento. El tapón inferior posee una membrana que se rompe cuando éste se asienta en la parte inferior de la sarta de revestimiento, gene-rando un trayecto a través del cual la lechada de cemento puede fluir hacia el interior del espacio anular. El tapón superior no posee ninguna membrana; por consiguiente, cuando se asienta sobre el tapón inferior, se anula la comu-nicación hidráulica entre el interior de la tubería de revestimiento y el espa-cio anular. Después de la operación de cementación, los ingenieros esperan que el cemento se cure, fragüe y desarrolle resistencia; proceso que se conoce como esperando fraguado de cemento (WOC). Después del período WOC, que usualmente es de menos de 24 horas, pueden comenzar las opera-ciones adicionales de perforación, disparos y de otro tipo.

El proceso de construcción de pozos habitualmente consiste en la instala-ción de varias sartas de revestimiento, cada una de las cuales requiere una operación de cementación primaria (derecha). A medida que el pozo se pro-fundiza, el diámetro de cada sarta de revestimiento es normalmente más pequeño que el precedente.

Casi todas las operaciones de cementación utilizan cemento portland, consistente principalmente en compuestos de silicato de calcio y aluminato de calcio que se hidratan cuando se agregan al agua. Los productos de la hidra-tación, fundamentalmente los hidratos de silicato de calcio, proveen la resis-tencia y la baja permeabilidad requeridas para lograr el aislamiento zonal.

Las condiciones a las que se expone el cemento portland en un pozo difie-ren significativamente de las condiciones ambiente de superficie asociadas con los edificios, caminos y puentes. Los cementos de los pozos petroleros deben enfrentar un amplio rango de temperaturas; desde temperaturas infe-riores al punto de congelamiento en las zonas de permafrost (pergelisol) hasta temperaturas superiores a 400°C [752°F] en los pozos geotérmicos. En consecuencia, los fabricantes de cemento producen versiones especiales de cemento portland para ser utilizadas en pozos. Además, se dispone de más de 100 aditivos de cemento para ajustar el rendimiento del cemento, lo que permite que los ingenieros adecuen una formulación de cemento para un ambiente de pozo en particular. El objetivo principal es formular un cemento que sea bombeable durante un tiempo suficiente para la colocación en el espacio anular, que desarrolle resistencia a las pocas horas de la colocación y que mantenga su duración a lo largo de toda la vida productiva del pozo.

Los aditivos pueden ser clasificados de acuerdo con las funciones que cumplen. Los aceleradores de fragüe reducen el tiempo de fraguado del cemento e incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia a la compresión. Los retardadores demoran el tiempo de fraguado y extienden el tiempo durante el cual una lechada de cemento es bombeable. Los extendedores dismi-nuyen la densidad de la lechada de cemento, reducen la cantidad de cemento por unidad de volumen del producto fraguado, o ambas cosas. Los espesantes incrementan la densidad del cemento. Los agentes de control de pérdida de fluidos controlan las pérdidas de agua de la lechada de cemento a las for-maciones porosas, con lo cual preservan las propiedades de la lechada de cemento diseñada. Los agentes de control de pérdidas de circulación limi-tan el flujo de toda la lechada desde el pozo hacia las formaciones débiles, fisuradas o vugulares, y ayuda a asegurar que la lechada de cemento llene todo el espacio anular. Los dispersantes reducen la viscosidad de la lechada de cemento, lo que hace posible una presión de bombeo más baja durante el emplazamiento. Los aditivos especiales son, entre otros, los agentes anti-espumantes, las fibras y las partículas flexibles. Los aditivos del cemento representan un dominio activo de las actividades de investigación y desarro-llo, y la industria introduce productos nuevos y mejorados con regularidad.

> Programa de entubación habitual. La tubería de revestimiento guía de gran diámetro protege las formaciones someras contra la contaminación con fluido de perforación y ayuda a prevenir los derrumbes que involucran las capas superficiales no consolidadas del terreno y los sedimentos. La tubería de revestimiento de superficie, la segunda sarta, posee un diámetro más pequeño, mantiene la integridad del pozo y previene la contaminación del agua subterránea somera con hidrocarburos, salmueras subterráneas y fluidos de perforación. La tubería de revestimiento intermedia aísla las zonas hidrocarburíferas, anormalmente presionadas, fracturadas y de pérdida de circulación, lo cual provee el control del pozo a medida que los ingenieros avanzan con la perforación. Para acceder a la zona productiva objetivo pueden requerirse múltiples sartas de tubería de revestimiento intermedia. La tubería de revestimiento, o la tubería de revestimiento corta (liner ) de producción es el elemento tubular más pequeño y último del pozo. Esta tubería aísla las zonas que se encuentran por encima y dentro de la zona de producción y tolera todas las cargas anticipadas a lo largo de la vida productiva del pozo.

Tubería de revestimiento guía

Tubería de revestimiento de superficie

Cemento

Tubería de revestimiento intermedia

Tubería de revestimiento corta (liner ) de producción

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Después de ejecutar una operación de cementación y una vez fraguado el cemento, los ingenieros con frecuencia efectúan pruebas para confirmar que la integridad y el desempeño de la cementación satisfacen los criterios de diseño previstos. Las técnicas de evaluación del cemento incluyen las prue-bas hidráulicas y varios métodos de adquisición de registros de pozos.

Las pruebas de presión constituyen el método de prueba hidráulica más común; los ingenieros efectúan este tipo de prueba después de cada operación de cementación de la tubería de revestimiento de superficie o intermedia. Primero, realizan una prueba de presión de la tubería de revestimiento para verificar la integridad mecánica de la sarta de tubulares y luego remueven el cemento residual de la zapata de la tubería de revestimiento. A continuación, llevan a cabo una prueba de integridad de presión mediante el incremento de la presión interna de la tubería de revestimiento hasta que excede la presión que será aplicada durante la fase de perforación siguiente. Si no se detecta pérdida alguna, el sello del cemento se considera exitoso.

Los ingenieros pueden seleccionar una de las diversas técnicas de adqui-sición de registros de pozos para evaluar la calidad del cemento detrás de la tubería de revestimiento. La brigada de adquisición de registros baja los dis-positivos de medición en el pozo y representa gráficamente los datos adquiridos versus la profundidad. Los registros de temperatura ayudan a localizar el tope de la columna de cemento en el espacio anular. La hidratación del cemento es un proceso exotérmico que eleva la temperatura del medio circundante. Los datos obtenidos con las herramientas de adquisición de registros acústi-cos y ultrasónicos ayudan a los ingenieros a analizar las interfases entre el cemento y la tubería de revestimiento, y entre el cemento y la formación. Estas herramientas proporcionan información sobre la calidad de la cementa-ción y acerca de cuán bien se adhiere, o liga, el cemento a la tubería de reves-timiento y a la formación.

El registro de adherencia del cemento presenta la amplitud reflejada de una señal acústica transmitida por una herramienta de adquisición de regis-tros que se encuentra en el interior de la tubería de revestimiento. La integri-dad de la adherencia entre el cemento y la tubería de revestimiento es directamente proporcional a la atenuación de la señal reflejada. Otro registro acústico presenta las formas de ondas de las señales reflejadas, detectadas por el receptor de la herramienta de adquisición de registros, y proporciona conocimientos cualitativos sobre la tubería de revestimiento, la cementa-ción y la formación. Las herramientas de adquisición de registros ultrasóni-

cos transmiten un pulso ultrasónico corto, que produce la resonancia de la tubería de revestimiento. La herramienta mide los ecos resonantes; cuando existe cemento sólido detrás de la tubería de revestimiento, las amplitudes de los ecos se atenúan. Si existe fluido detrás de la tubería de revestimiento, los ecos poseen amplitudes altas.

Cuando las operaciones de adquisición de registros indican que la cementa-ción es defectuosa, ya sea porque la adherencia del cemento es pobre o bien porque existe comunicación entre las zonas, puede implementarse una técnica de cementación con fines de remediación denominada inyección forzada de cemento para establecer el aislamiento zonal. Los ingenieros disparan la tubería de revestimiento en el intervalo defectuoso e inyectan la lechada de cemento en forma forzada a través de los disparos, y hacia el interior del espacio anular, para rellenar los vacíos. Además, la técnica de inyección forzada de cemento puede ser efectiva para reparar las pérdidas de la tubería de revestimiento causadas por su corrosión o su rajadura.

Cuando un pozo alcanza el final de su vida productiva, los operadores normalmente proceden a su abandono mediante la ejecución de una opera-ción de cementación con tapones. Los ingenieros llenan el interior de la tubería de revestimiento con cemento a diversas profundidades, previniendo de este modo la comunicación entre zonas y la migración de fluidos hacia las fuentes subterráneas de agua dulce. El objetivo fundamental es restau-rar la integridad natural de las formaciones que fueron perturbadas por el proceso de perforación.

La tecnología de cementación de pozos tiene más de 100 años; no obs-tante, los químicos e ingenieros continúan introduciendo nuevas formulacio-nes, materiales y tecnología para satisfacer las necesidades en constante cambio de la industria energética. Por ejemplo, la durabilidad del aislamiento zonal durante y después de la vida productiva de un pozo, constituye un tema de investigación y desarrollo importante. Los sistemas de cementación moder-nos pueden contener partículas flexibles y fibras que permiten que el cemento fraguado tolere esfuerzos mecánicos severos. Los sistemas avanzados de cementos autorreparadores contienen materiales “inteligentes” que, si la cementación falla, se dilatan y restablecen el aislamiento zonal cuando entran en contacto con fluidos de formaciones acuosas o hidrocarburíferas. Los objetivos finales de estas tecnologías de cementación son la tolerancia de los rigores de las operaciones de pozos y otras irrupciones que pueden tener lugar con el tiempo y mantener el aislamiento zonal indefinidamente.

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