Libro de Cementos Petroleros Pet219
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Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 1
PROGRAMA DE CEMENTOS PETROLEROS PET-219
CEMENTOS API – INTRODUCCION – TEMA I
Competencia : El estudiante conoce la disponibilidad de cementos petroleros API,
su uso y sus propiedades fisicoquímicas, de la misma forma para los cementos
especiales que se usan en la industria petrolera .
INTRODUCCIÓN
1.1. ÁMBITO DE APLICACIÓN DEL PROGRAMA
El proceso de cementación de un pozo petrolero es usado alrededor del
mundo, y ha crecido en complejidad, con muchas personas, organizaciones, y
tecnologías que han contribuido al estado del arte. Para ayudar al ingeniero
practicante con el planeamiento y evaluación del trabajo, esta monografía ha
sido escrita como una referencia comprensiva con información acerca de la
variedad de materiales y técnicas usadas en la cementación de un pozo.
Los capítulos están dedicados a cementos, aditivos, pruebas, planificación de
trabajo, y la ejecución de trabajo de cementación primaria, cementación
squeeze, y operaciones de taponamiento.
La importancia de planificación en alcanzar el aislamiento zonal es destacada.
También dan cobertura al equipo mecánico y de bombeo, mezcladores,
sistemas de manejo de masa, y varios instrumentos subsuperficiales usadas
para colocar el cemento correctamente.
El programa muestra la secuencia lógica de las operaciones de cementación de
un pozo para proporcionar al ingeniero petrolero los conocimientos básicos del
trabajo para mejores prácticas de cementación.
1.2. OBJETIVOS DEL TEXTO
Tiene dos propósitos:
1. Proveer al ingeniero petrolero responsable del proceso de cementación
información que lo ayudará a juzgar según sus propios méritos varias
técnicas de cementación y saber qué resultados pueden ser esperados.
2. Proporcionar un análisis comprensivo del estado del trabajo.
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1.3. PROCEDIMIENTO DE CEMENTACIÓN
La cementación de un pozo petrolero es el proceso de mezclar de cemento y
agua ( lechada) y bombearlo a través de la cañería de acero a puntos críticos
en el anular que se encuentra alrededor de la cañería o en el agujero abierto
debajo de la sarta de cañería. (Figura 1.1)
Las dos principales funciones del proceso de cementación primaria son
restringir el movimiento de fluido entre las formaciones y para adherir y sostener
la cañería.
En adición el aislamiento de zonas productoras de petróleo, gas y agua, el
cemento también ayuda a:
1. Proteger la cañería de la corrosión
2. Prevenir reventones mediante la rápida formación de un sello.
3. Proteger la cañería de impactos de cargas en perforaciones más
profundas.
4. Y sellar zonas de pérdida de circulación, o zonas ladronas (que absorben
el fluido
El trabajo de una cementación primaria consiste , en lo siguiente una vez
que la cañería esta en fondo del pozo , hay que acondicionar el lodo ,
para luego reemplazarlo por una lechada que se prepara en superficie .
Antes de bombear la lechada se larga el tapón inferior, el cual l lega
hasta el collar flotador, por detrás s\ del tapón se bombea la lechada
luego el tapón superior, que se desplaza con agua o lodo. El tapón
superior asienta sobre el tapón inferior.
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Fig 1-1
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1.4.- ANTECEDENTES HISTÓRICOS
PRIMEROS TRABAJOS.- La industria estadounidense de petróleo
tradicionalmente data sus principios con la perforación del pozo Draque en
1859; no fue sino hasta 1903 que una lechada de cemento fue usada para
cerrar el paso de agua del fondo al pozo justo por encima de una arena
petrolífera en el campo de Lompoc en California. Frank F. Hill, con la Unión
Petrolera Co, es la primera vez que usa una lechada en la industria petrolera.
Este pozo antes de bombearle una lechada tenia la siguiente Producción : 80
% de agua , 20 % Oil
Luego de haber forzado a la lechada en las arenas productoras después de
dejar el pozo 28 días sin actividad tenemos la siguiente producción de líquidos:
90 % de oíl, 10 % de agua. Hoy en día esta técnica se usa
Le aceptaron para mezclar y verter, mediante una cuchara, una mezcla que
consiste en 50 sacos de cemento portland puro. Después de 28 días el cemento
fue perforado del agujero, y el pozo fue completado con la perforación a través
de la arena petrolífera, la zona de agua había sido efectivamente aislada. Esto
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se convirtió en una práctica aceptada y pronto se propagó a otros campos en
California donde dificultades similares eran encontradas.
En el año 1920 Halliburton logra perfeccionar las operaciones de cementación,
teniendo en cuenta el efecto de la temperatura y presión sobre las lechadas y el
cemento fraguado, hasta ese año no se utilizan aditivos, a la fecha se conocen
más de 60 tipos de aditivos.
1.5 .- A QUE SE LLAMA CEMENTOS.
Pueden definirse como sustancias adhesivas y cohesivas, es decir capaz de
unir fragmentos de masas o de materiales sólidos en un todo compacto, tal
definición involucra a un gran # de materiales o sustancias diferentes, teniendo
muy poco en común una con otra, salvo su adhesividad, teniendo cada una de
ellas importancia técnica diferente. Los cementos que se usan en la industria
petrolera son mezclas de compuestos de cal, por eso la forma correcta de
referirse a este tipo de cementos es hablar de cementos calizos.
1.6.- FABRICACION DE LOS CEMENTOS PORTLAND
Son el resultado de mezclar Clinker + Yeso ( Sulfato de calcio ) , en una
proporción de (95 -97 %)/ (5 -3 % )
CLINKER
Es un compuesto químico que forma en un horno rotatorio, cuando mezclamos
caliza con arcillas, la relaciones de masa dependen de la calidad y tipo de los
materiales ( 2:1 , 1:3/4 ) , que tiene un proceso de fusión a 1400 – 1600 *C.
Calizas
Pueden ser de diferentes tipos como ser:
El carbonato de calcio (CO3Ca), abundan en la naturaleza para fabricar el
cemento portland es adecuado el procedente de todas las formaciones
geológicas , la formas más puras son la calcita y la aragonito. Puede usarse la
Creta y las Margas
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Arcillas
La segunda materia prima importante son las arcillas. Las arcillas en esencia
son productos de meteorización de silicatos de los metales alcalinos y
alcalinotérreos, en especial los de feldespato y micas.
Pueden ser del grupo del caolín y/o montmorillonita.
Veamos el área superficial de estas arcillas
Caolín aproximadamente 15 m2 / gr
Momtmorillonita aproximadamente 800 m2 / gr
1.7.- HORNO ROTARIO PARA PRODUCIR CLINKER VIA SECA
RECUPERACION DE MATERIAS PRIMAS
Tanto las arcillas como la caliza se las obtiene de las canteras, dependiendo de la
dureza del material se puede utilizar explosivos, excavadoras. Luego este material
se lo lleva a una molienda en molinos a bolas, hasta conseguir un tamaño adecuado
para llevarlo a los hornos rotatorios, de acuerdo a las relaciones anteriormente
indicadas.
PROCESOS QUE OCURREN EN EL HORNO
1.- ZONA DE DESHIDRATACION 100 0C
La temperatura en esta zona es de 100 0C, se pierde toda el agua libre que tiene la
materia prima.
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2.- ZONA DE DESCARBONIZACION 400 0C
Es donde toda la caliza se descompone.
CO3Ca ( s) ------------------- CO2 ( gas ) + CaO(s)
En esta zona todo el material orgánico es eliminado. Si existen sulfatos se observa
eliminación de los óxidos de azufre ( SO2 y SO3).
Es importante recordar que estos productos gaseosos, cuando entran en contacto
con el agua reacciónan, para formar ácidos, carbónico , sulfúrico y sulfuroso.
Pueden también volatilizarse muchos cloruros y sales alcalinas. La perdida de
materiales como gases puede llegar a ser hasta un 30 % de la carga inicial.
3.- ZONA DE LAS REACCIONES QUIMICAS
Es acá donde empiezan a reaccionar los óxidos, esta es una zona de calcinación,
el 20 – 30 % del material se funde y tiene lugar la formación del clinker. En esta
zona algunas sustancias originales desaparecen para formara nuevos compuestos
cristalizados, la temperatura de 1400–1600 0C es muy importante para la calidad del
clinker.
El giro del horno mediante sus motores, su inclinación de 10 a 20 grados hacen que
el material se vayan formando bolitas de hasta 2”, esto es lo que sale del horno y se
llama clinker, al salir del horno tiene un enfriamiento programado luego pasa a una
serie de molinos donde se lo muele para darle una superficie especifica requerida (
cm2 / gr ) , luego hay que mezclarlo con yeso y se lo envasa. El yeso tiene la
finalidad de darle características hidráulicas al clinker y retardar su tiempo de
endurecimiento, e incrementar su resistencia.
PROCESO ESQUEMATICO VIA SECA
Caliza + Arcilla Chancado Transporte Molienda Horno
Enfriamiento Clinker Mezcla Yeso + Clinker
COMPOSICION QUIMICA DEL CLINKER
CO3Ca + Arcilla Clinker * Composición
- SC3 ---- 3 CaO.SiO2 Silicato tricalcico. Alita
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- SC2 ---- 2 CaO.SiO2 Silicato dicalcico. Belita
- AC3 --- 3CaO. Al2O3 . Aluminato tricalcico
- AFC4 – 4 CaO.Fe2O3 Al2O3 . Aluminato ferritatetracalcico
Hablemos un poco de la función de cada uno de los componentes del Clinker
SC3
Es el contribuyente mayoritario del cemento Portland 45 – 65 %. Es responsable
de la mayoría de las reacciones hidráulicas en el estado inicial. Se encuentra
presente en el cemento de una manera impura. La formula real es:
54 CaO. 16SiO2 Al2O3. Mg O
Es el componente que influye en todas las etapas del frague del cemento, pero
especialmente en la etapa de endurecimiento hasta los 28 días.
SC2
Es el segundo componente del cemento portland entre 15 – 35 %. Existen 4 tipos
de cristales poliformes ( alfa , alfa prima , beta y gamma ). Predomina la forma Beta
, que tiene la siguiente formula química
Ca87 Mg.Al. Fe (Na0.5 KO0.5 ) (Al Si42 O180 )
Debido a que la velocidad de hidratación es baja comparada con la del – SC3 , no
tiene un rol importante en el desarrollo de la resistencia en tiempos cortos, si en
tiempos mayores a 28 días.
AC3
Pose una gran velocidad de hidratación porque es importante en las primeras
reacciones del cemento con el agua. No obstante de ser un de componente
minoritario su presencia es muy importante en la reologia de la mezcla y en la
resistencia final al ataque de las aguas sulfatadas.
Su formula general es :
((Ca ,Mg)72- (n+m)(Na(2n+m)))72 + n ((Al,Fe)48 –(m+2) (Sim + ¾ Z ) ) O144
Las especificaciones del API permiten hasta un 15% - AC3 , para aquellos cementos
que tienen baja resistencia a los sulfatos , y un contenido del 3 % de - AC3 , para los
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cementos con lata resistencia los sulfatos ( las aguas con + de 250 ppm de
sulfatos se llaman sulfatadas – Cuidado en la elección del cemento )
AFC4
No incide en la resistencia del cemento fraguado, si no que su presencia en el
cemento es para darle mayor resistencia a los ataques de los sulfatos. El API indica
que la suma de AFC4 + 2 veces AC3, no deben exceder al 24 %, para obtener una
máxima resistencia a los sulfatos.
El Clinker tiene otros componentes de menor importancia como ser :
Trialuminato pentacalcio 5 CaO 3Al2O3 --- C5 3 A
La ferrita dicalcica 2 CaO Fe2O3
K2 O , Na2 O , MnO2
Estos no son importantes, porque están en concentraciones menores al 2 %.
COMO REACCIONAN LOS COMPONENTES DEL CLINKER CON EL AGUA
EL SILICATO TRICALCICO
2 ( 3 CaO . SiO2 ) + 6 H2O 3 CaO.SiO2 3 H2O + 3 Ca(OH)2
RAPIDA TOBERMARITA
EL SILICATO DICALCICO
2 ( 2 CaO . SiO2 ) + 4 H2O 3 CaO.SiO2 3 H2O + Ca(OH)2
LENTA
ALUMINATO TRICALCICO
3 CaO. Al2O3 + 12 H2O + Ca(OH)2 3CaO. Al2O3 Ca(OH)2 . 12 H2O
RAPIDA
ALUMINATO FERRITA TERACALCICA
4 CaO.Fe2O3 Al2O3 + + 10 H2O + 2Ca(OH)2 6 CaO Fe2O3 Al2O3.12 H2O
LENTA
Las reacciones químicas nos indican que las principales reacciones dan como
producto la TOBERMARITA . 3 CaO.SiO2 3 H2O , QUE ES UN GEL
COMPUESTO DE PARTICULAS MUY FINAS., QUE TIENEN UN GRAN AREA
SUPERFICIAL POR LO TANTO MEDIANTE FUERZAS ATRACTIVAS SE
ABSORBEN SOBRE TODOS LOS CRISTALES PRESENTES Y LOS UNE.
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El exceso de agua que no se utiliza durante la hidratación de los componentes del
clinker
, hace que el cemento fraguado pierda su resistencia, lo hace mas poroso y
permeable. Siempre debemos buscar que la lechada de cemento tenga la densidad
programada cuando vamos a cementar el zapato guía y las piezas de cañería
cercanas al zapato.
COMPOSICION QUIMICA DE LOS CEMENTOS API
CEMENTO COMPONENTES MOLIENDA
API –CLASE SC3 SC2 AC3 AFC4 Cm2 / gr
A 53 24 8 8 1500-1900
B 47 32 5 12 1500-1900
C 58 16 8 8 2000- 2800
D – E 26 54 2 12 1200-1600
G , H 50 30 5 12 1400-1700
Los cementos API más usados en la industria petrolera son el G y H. Un análisis
químico vía seca de estos cementos nos da la siguiente composición química.
Compuesto Formula Abreviatura % p/p
Oxido de Silicio SiO2 (S) 22.43
Oxido de calcio CaO (C ) 64.70
Oxido de hierro Fe2O3 (F ) 4.10
Oxido de Al Al2O3 ( A ) 5.80
Magnesia MgO 1.9
Trióxido de S SO3 1.67
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Oxido potasio KO2 0.08
Cenizas 0.54
Analizando la composición química de los cementos, podemos concluir:
Que en contacto con los lodos que tienen bentonita van a producir la floculación de
la bentonita, el incremento del ph a valores > a 12, lo que resulta negativo
para los polímeros que tiene el lodo.
Si se reperfora cemento con lodos base aceite, la presencia de alta concentración
de cal viva CaO, favorece al rendimiento de lo emulsionantes.
El control de la calidad de los cementos API es muy importante. Para esto tenemos
que solicitar un análisis vía seca. El API nos da la siguientes ecuaciones, que
deben usar para conocer a partir del análisis la cantidad de los cuatro
componentes del clinker, estas ecuaciones son :
SC3 = 4.07 C – 7.6 S – 6.72 A – 1.43 F – 2.85 SO3
SC2 = 2.87 S – 0.754 SC3
AC3 = 2.65 A – 1.69 F
AFC4 = 3.04 F
Estas ecuaciones pueden ser usadas solo si la relación Al2O3 / Fe2O3 , > a 0.64
Compuesto Formula Abreviatura % p/p
Oxido de Silicio SiO2 (S) 22.2
Oxido de calcio CaO (C ) 65.60
Oxido de hierro Fe2O3 (F ) 2.8
Oxido de Al Al2O3 ( A ) 5.80
Magnesia MgO 1.9
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Trióxido de S SO3 1.8
Oxido potasio KO2 0.08
Cenizas 0.70
Verifiquemos la relación anterior 5.8 / 2.8 = 2.07 > a 0.64
SC3 = 4.07(65.6) – 7.6 (22.2) – 6.72(5.8) – 1.43 (2.8) – 2.85 (1.8) = 50.2
SC2 = 2.87 (22.2) – 0.754 (50.2) = 25.86
AC3 = 2.65 (5.8) – 1.69 (2.8) = 10.64
AFC4 = 3.04 (2.8) = 8.51
Hemos mencionada que una vez esta molido el clinker tenemos que mezclarlo con
yeso en, 95 -97 / 5 -3 % yeso , esto porque el clinker tiene una velocidad rápida de
hidratación al mezclarse con agua, es decir tiene una elevada energía Hidráulica ,
esta mezcla puede llegar a fraguar y esto depende de muchos factores ,el yeso
para retardar el frague, del cemento así obtenido se lo puede mezclar con agua ,
esta mezcla llega a fraguar pero depende de muchos factores.
El frague de la lechada es la generación continua de la resistencia, es decir la
Consolidación de la lechada, al mezclar agua con cemento se producen cambios
químicos debido a la hidratación de sus componentes produciéndose una
cristalización de los mismos que generan una resistencia en los cementos en el
estado de frague.
En el proceso de hidratación – frague ocurre lo siguiente. Veamos desde el punto
de vista químico y físico el frague.
Desde punto de vista químico.
La hidratación del AC3 y tal vez algo de Al2O3 producen hidratos amorfos al
Principio luego cristaliza con AC3 junto con cristales de sulfoalumiinatos de Cálcicos
donde el azufre lo provee el yeso. En esta etapa el CaO libre que puede existir
también se hidrata dando lugar a los Ca(OH)2 . Luego de 24 horas de iniciado el
proceso empieza la hidratación del AC3 cristalizando junto con el remanente de
CaO, mientras que el SC2 , menos básico y el hidrato de silicio forman un gel
coloidal . La hidratación del SC3 no se completa hasta los 28 días, donde en este
tiempo ya empieza a cristalizar.
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Podemos nosotros hacer un resumen más fácil:
La cristalización inicial de la lechada y la consolidación se debe a la hidratación del
AC3 y la hidratación parcial del SC3 , el aumento posterior de la consistencia se
debe a la hidratación continua del SC3 y SC2 que continua hasta que el cemento
llega a un estado de equilibrio
FRAGUE DESDE EL PUNTO FISICO
Primera etapa.- Frague inicial ocurre cuando la lechada pierde toda su
Plasticidad y se vuelve friable al grado tal que dos fragmentos de una mezcla rota
no pueden formar una masa homogénea cuando se la pone en contacto intimo. La
plasticidad no se la recupera aun colocando los pedazos en agua.
Segunda etapa.-
Luego del fraguado inicial el cemento sufre cambios físicos debido a que continúa la
hidratación, estos cambios se traducen en que el cemento adquiere una mayor
dureza hasta alcanzar el fraguado final. Arbitrariamente se lo define, como la
condición que alcanza cierto grado de rigidez determinado por una aguja
penetración de proporciones normales (se puede medir en el aparato de Vicat.
Todos los alumnos deben buscar como se mide la consistencia de la lechada
en este aparato)
Tercera etapa.
Luego de alcanzado el frague final, y en el periodo de 28 días, y como
consecuencia de nuevos ajustes químicos que dan como resultado un aumento
gradual de la resistencia y dureza esto se conoce como periodo de endurecimiento,
este periodo es muy importante en las operaciones de cementar cañerías, mientras
más largo este tiempo más antieconómico es para la operadora, para acortar estos
tiempos se han diseñado los aditivos, para bajar este periodo a horas.
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Haremos un comentario de los efectos que tiene la presencia de algunos
compuestos o iones en las aguas sobre las lechadas y los cementos fraguados
- Cuando se requiere tener un cemento con alta e inmediata resistencia , hay
que aumentarle la cantidad SC3 , el cemento debe tener mayor área
superficial ( mayor molienda)
- A mayor SC2 mas retardado es el frague, a mayor cantidad de SC3 y de AC3
, mas rápido es el frague inicial.
- Si se quiere retardar el frague se debe controlar el contenido de SC3 y de
AC3 , y la molienda debe ser más gruesa.
- Las aguas subterráneas que se encuentran durante la perforación contienen
sales disueltas , las lechadas y los cementos fraguados son muy sensibles a
pequeños % de esta sales , por ejemplo :
- Lasa soluciones de Cl 2 Ca y de Cl 2 Mg, aceleran el frague mucho más que
las de ClNa.
- Soluciones con iones sulfatos en ciertas ocasiones retardan el frague,
aunque a veces lo aceleran.
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- El carbonato de sodio puede actuar como acelerador de igual manera
cualquier aditivo que en solución genere iones OH-
- Las soluciones de los alcalinos y alcalinos térreos además de afectar el
tiempo de frague pueden causar desintegración del cemento fraguado, por
largos tiempo de contacto con el cemento fraguado.
- Las soluciones de SO4Na2 , SO4Mg , causan falta de solidez o fuerzas en el
cemento, es decir cuando el cemento fraguado y endurecido se lo pone en
contacto con estas soluciones , reaccionan con el SC3 , produciendo un
hinchamiento y formado nuevos compuestos , que dan como resultado una
cristalización con expansión originando disgregación del cemento. Se tiene
igual comportamiento si el contenido de CaO es alto.
- Los cementos que tienen < del 3 % de AC3 , son inmune al ataque de las
aguas sulfatadas.
- Cuando las lechadas son contaminadas con los lodos de perforación, se ven
afectadas las propiedades de las lechadas y del cemento fraguado , esto es
por el alto contenido de iones que tienen el filtrado del lodo ( SO4= , CO=
3 ,
OH- , Cl- , CO3H- , Na+ , K+ , Ca++ , Mg++ , Fe+++ , almidones , poliacrilamidas
celulosa polianionica,etc.)
Es importante tener en cuenta que la molienda del cemento influye en el tiempo de
frague. La mayoría de los cementos API están molidos de manera que el 85 % del
mismo pasan por la malla # 200.
Veamos lo siguiente que nos permite ver lo importante de la molienda, tenemos un
mismo tipo de cemento, pero lo molemos de diferentes granulometría.
Muestra #1
Se la muele de manera que el 95 % ,pase por la malla # 200 , preparamos una
lechada en condiciones de presión y temperatura , el tiempo de frague fue de 55
minutos.
Muestra #2
Se la muele hasta que un 75% pase por la malla # 100 ; nuevamente preparamos
la lechada en condiciones similares de P y T , y su tiempo de frague es de 170
minutos.
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Es importante entender el concepto de que todo cemento fraguado debe tener un
volumen similar al volumen de lechada que lo origino, esto no ocurre siempre así
depende del agua de mezcla. Existe un % de agua critico para formar la lechada ,
donde no hay separación de agua de mezcla , un exceso del agua genera un mayor
volumen de lechada pero un menor volumen de cemento fraguado , ya que el resto
se separa como agua libre.
Como se observa en las figuras el agua libre se separa en la parte superior , para la
cantidad de agua libre que se libera de una lechada influye el agua usada para la
mezcla , el envejecimiento del cemento , la forma como ha estado almacenado el
cemento , es muy importante recordar que le cemento es un material higroscópico
toma con facilidad la humedad, cemento que se lo observa duro con bolas no debe
utilizarse para preparar las lechadas , otro factor importante es el contenido de
aceite en el lodo , que si se mezcla con la lechada retarda el frague de la lechada ,
produce falta de adherencia a la formación y tubería , produce grietas por donde
puede migrar el gas.
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1.8.- CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS
Un cemento determinado se lo fabrica de acuerdo al requerimiento del cliente (sea
para la construcción o la industria petrolera) , por esa razón los cemento varían en
su composición química y física , molienda , según sea la necesidad . Para regular
las especificaciones se han creados institutos que dictan las normas para regular
la fabricación de los cementos entre ellos están:
A.C.I AMERICAM CONCRETE INSTITUTE (INSTITUTO AMERICANO DEL
CONCRETO)
A.S.T.M. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS
(SOCIEDAD AMERICANA PARA PRUEBAS DE MATERIALES)
Es el encargado de dictar las normas para los cementos a usar en la industria de la
construcción, provee especificaciones para 5 tipos de cementos portland tipo I ,II, III
,IV , V. Todos son elaborados para condiciones de presión temperatura atmosférica.
API AMERICAM PETROLEUM INSTITUTE
Provee especificaciones para los cementos clase A,B,C,D.E.F.G.H,J. Usados bajos
condiciones de presión y temperatura. Los cementos clase A, B , corresponden a
los cementos del ASTM I,II y III . Los tipos IV y V , no tienen correspondencia con el
API.
CLASIFICACIÓNES API.- La industria petrolera compra cementos fabricados
predominantemente conforme a las clasificaciones API como se publicaron en las
normas API 10, " Datos específicos para Cementos de Pozos Petroleros y Aditivos
de Cemento”. Estos datos han sido publicados anualmente por el Instituto
Americano de Petróleo en Dallas, Texas, desde 1953, cuando las primeras normas
nacionales sobre el cemento para su empleo en pozos fueron publicadas (emitidas).
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Estos datos específicos son repasados cada año y revisados según las
necesidades de la industria petrolera. Las diferentes clases de Cemento API para
su empleo a temperaturas y presiones de fondo de pozo están definidas abajo. Ellos
están catalogados en las normas API de fecha 10 junio de 2004.
CLASE A.- Dirigido para el empleo desde la superficie hasta los 6000 pies de
profundidad, cuando no se requieren propiedades especiales. Disponible sólo
en el tipo ordinario (similar a ASTM C 150, tipo I)
.
CLASE B.- Dirigido para el empleo desde la superficie hasta los 6000 pies de
profundidad, cuando las condiciones requieren de moderada a alta sulfato
resistencia. Disponible en ambos tipos: moderadamente (similar a ASTM C 150,
tipo II) y altamente resistentes al sulfato.
CLASE C- Dirigido para el empleo desde la superficie hasta los 6000 pies de
profundidad, cuando las condiciones requieren de un alto endurecimiento
temprano. Disponible en los tipos: ordinario y moderadamente (similar a ASTM
C 150, tipo III) y altamente resistentes al sulfato.
CLASE D.- Dirigido para el empleo desde los 6000 a los 10 000 pies de
profundidad, bajo condiciones de moderadas presiones y temperaturas.
Disponible en ambos tipos: moderadamente y altamente resistentes al sulfato.
CLASE E.- Dirigido para el empleo desde los 10 000 a 14 000 pies de
profundidad, bajo condiciones de altas presiones y temperaturas. Disponible en
ambos tipos: moderadamente y altamente resistentes al sulfato.
CLASE F.- Dirigido para el empleo desde los 10 000 a 16 000 pies de
profundidad, bajo condiciones de extremadamente altas presiones y
temperaturas. Disponibles en ambos tipos: moderadamente y altamente
resistentes al sulfato.
CLASE G.- Dirigido para su empleo como un cemento básico de pozo desde la
superficie a los 8000 pies de profundidad, o puede ser usado con aceleradores
y retardadores para cubrir una amplio rango de profundidades de pozos y
temperaturas. No adicionar otros aditivos más que el sulfato de calcio o el agua,
o ambos, que pueden ser mezclados con el clinker durante la fabricación del
cemento para pozo Clase G. Disponibles en ambos tipos: moderadamente y
altamente resistentes al sulfato.
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CLASE H.- D Dirigido para su empleo como un cemento básico de pozo desde
la superficie a los 8000 pies de profundidad, o puede ser usado con
aceleradores y retardadores para cubrir una amplio rango de profundidades de
pozos y temperaturas. No adicionar otros aditivos más que el sulfato de calcio o
el agua, o ambos, que pueden ser mezclados con el clinker durante la
fabricación del cemento para pozo Clase H. Disponibles en ambos tipos:
moderadamente y altamente resistentes al sulfato.
La tabla 2.5 lista las clases de cemento API e indica las cuáles son las
profundidades a las que son aplicables.
1.8.
1.8 PROPIEDADES DE LA COBERTURA DE CEMENTO SEGÚN LAS
ESPECIFICACIONES API
En las operaciones de terminación de pozo, los cementos son casi
universalmente usados para desplazar el lodo de perforación y para llenar el
espacio anular entre la cañería y el agujero abierto. Para cumplir este propósito,
los cementos deben ser diseñados para ambientes de pozo variando desde
aquellos que se usan en la superficie a aquellos que están a profundidades
excedentes de los 30000 pies de profundidad, donde las temperaturas recorren
por debajo de la congelación en áreas congeladas a más de 700ºF en pozos
perforados para la producción geotérmica a vapor. Los datos específicos no
cubren todas las propiedades de cemento sobre tales amplias gamas de
profundidad y presión.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 20
Estos, sin embargo, catalogan las propiedades físicas y químicas de las
diferentes clases de cemento que encajarán en la mayoría de las condiciones
de pozos. Estos datos específicos incluyen el análisis químico y el análisis
físico. Estos análisis comprenden: el contenido de agua, la fineza, la fuerza
compresiva, y el tiempo de espesamiento.
Aunque estas propiedades describen los cementos para objetivos específicos,
los cementos para pozos petroleros deben tener otras propiedades y
características para asegurar las funciones necesarias en fondo de pozo.
Las exigencias físicas y químicas de las clases de cemento API como se
definieron en las Normas API 10 son mostradas en las tablas 2.6 y 2.7. Las
propiedades físicas típicas de varias clases de cemento API son mostradas en
la tabla 2.8.
Las especificaciones de la API no son hechos cumplir por una agencia oficial;
sin embargo, el empleo del monograma API indica que el fabricante ha estado
de acuerdo con hacer el cemento según los datos específicos perfilados en las
Normas API 10. Aunque el API defina ocho clases diferentes de cemento, sólo
las clases A, B, C, G, y la H están disponibles por los fabricantes y son
distribuidos en los EE UU.
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Programa de Cementros Petroleros PET-219
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Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 23
1.9.- NORMAS DEL CEMENTO FUERA DE LOS E.E.U.U.
En la cementación de pozos en países distintos a EE UU, puede ser necesario
usar productos locales. La tabla 2.9 cataloga las clasificaciones que han sido
establecidas en varios países para los tipos más comunes de cemento de
Portland usados para la construcción.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 24
Para algunos cementos, se hicieron clasificaciones adicionales por ejemplo,
OCI (el Tipo de Cemento de Portland Ordinario I), OCII, OCIII. Sin embargo,
tales clasificaciones causan problemas en la fijación de una línea divisoria clara
entre tipos, porque OC tipo II o III puede fácilmente ser confundida con el
cemento RHC o HSC.
En algunos países un fabricante específico puede, por velocidad y simplicidad,
usar un símbolo para identificar varios tipos de cemento. La tabla 2.10 cataloga
identificaciones equivalentes para varios tipos de cemento Portland, usados por
algunos países comúnmente asociados con la industria petrolera
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 25
Abajo están listadas algunas Fábricas que mantienen el monograma de la API y
mercado de los cementos para la industria Petrolera.
Argentina Loma Negra, C.I.A., S.A.
Australia Adelaide Brighton Cement Ltd.
Bélgica Compagnie des Ciments Belges
Brasil Companhia De Cemento Portland Alvarado
Cemento Aratu S.A. (Lone Star Industries)
Canadá Canada Cement Lafarge Ltd.
Genstar Cement Ltd.
Colombia Cementos Hércules
Dinamarca Aktieselskabet Aalborg Portland cement Fabrik
Ecuador La Cemento Nacional C.E.M.
Inglaterra Blue Circle Industries Ltd.
Francia Lafarge
Alemania Dyckerhoff Zementwerke Ag.
Grecia Titan Cement
Italia Italcement S.P.A.
Irlanda Irish Cement Ltd.
Japón Mitsubishi Mining & Cement Co. Ltd.
Nihon Cement Co. Ltd.
Sumitromo Cement Co.
Ube Industries Ltd.
México Cementos Apasco S.A.
Cementos Veracruz S.A.
Noruega A/S Norcem
Arabia Saudita Saudi Cement
Singapur Pan Malaysia Cement Works Ptd. Ltd.
Tailandia Jalaprathan Cement Co. Ltd.
Trinidad Trinidad Cement Ltd.
Estados Unidos Arkansas Cement
Capital Cement Inc.
General Portland Inc.
Ideal Basic Industries Inc.
Kaiser Cement Corp.
Lehigh Portland Cement Co.
Lone Star Industries Inc.
The Monarch Cement Co.
Southwestern Portland Cement Co.
Texas Cement Corp.
1.10.- CEMENTOS ESPECIALES
Un número materiales cementantes, usados muy efectivamente para la
cementación de pozos, no están dentro de una Clasificación específica de la
API o de ASTM. Mientras estos materiales pueden o no ser vendidos bajo una
especificación reconocida, sus calidades y uniformidad están generalmente
controladas por el distribuidor.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 26
Estos materiales incluyen:
1. Cementos Puzzolanos Portland
2. Cementos Puzzolano – Cal
3. Cementos de Resina o Plástico
4. Cementos de yeso
5. Cementos diesel – petróleo
6. Cementos Expansivos
7. Cementos Refractarios
8. Cementos de Látex
9. Cementos para ambientes de congelación permanente
Cementos Puzzolánicos.- Los Puzzolánicos incluyen cualquier material con
silicio, sea natural o artificial, procesado o sin procesar, que en presencia de cal
y agua desarrollen características cementantes. Estos pueden estar divididos en
Puzzolanos naturales y/o artificiales. Los Puzzolanos naturales son mayormente
de origen volcánico. Los Puzzolanos artificiales son obtenidos mediantes el
tratamiento de calentamientos de materiales naturales tales como arcillas,
lutitas y algunas rocas silíceas.
El Fly Ash es una Combustión producto del carbón y es ampliamente usado en
la industria petrolera como una Puzolana. Este es la única puzolana respaldado
por ambas especificaciones tanto la API como ASTM.
Cuando el cemento Portland se hidrata, el hidróxido de calcio es liberado. Este
químico por sí mismo no contribuye en la dureza o en el estrechamiento del
agua y puede ser removido mediante la lixiviación. Cuando el Fly Ash está
presente en el cemento, se combina con el hidróxido de calcio, ambos
contribuyen al endurecimiento y al estrechamiento del agua.
El Fly Ash tiene una gravedad específica de 2.3 a 2.7, dependiendo de la
fuente, comparado con la gravedad específica del los Cementos Portland de 3.1
a 3.2. Esta diferencia en gravedad específica da como resultado una lechada de
cemento Portland de peso más liviano que las lechadas de consistencia similar
hechas con Cemento Portland. (la tabla 2.11 Clasifica las especificaciones de la
API para el Fly Ash).
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Cementos Puzzolánicos con Cal.- Los cementos puzzolánicos con cal o cal –
silicatos son usualmente mezclas de Fly Ash (silicatos), cal hidratada, y
pequeñas cantidades de cloruro de calcio. Estos productos se hidratan con
agua para producir formas de Silicato de Calcio. A bajas temperaturas sus
reacciones son más lentas que reacciones similar con Cementos Portland, y
además generalmente son recomendadas para cementaciones primarias a
temperaturas superiores a los 140 ºF.
Las características de este tipo de cemento son adelgazadores o reductores de
la retardación, peso liviano, económicos, y poseen una dureza estable a altas
temperaturas.
Cementos Plásticos o con Resina.- Los cementos plásticos o con resinas son
materiales especialmente usados selectivamente para taponamientos de
agujeros abiertos, perforaciones con squeeze, y pozos con cementación para
disposición de desechos. Son usualmente mezclas de agua líquida con resinas,
y un catalizador mezclado con un Cemento API Clase A, B, G, o H. La única
propiedad de estos cementos es que cuando la presión es aplicada a la lechada
la fase de resina puede ser forzada dentro de una zona permeable y formar un
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 28
sello dentro de la formación. Estos cementos son especialmente usados en
pozos con volúmenes relativamente pequeños. Son efectivos a temperaturas
que van de un rango de 60 a 200 ºF.
Cementos de Yeso.- Los cementos de yeso son usados para trabajos de
remediación de una cementación. Normalmente, están disponibles en:
1. Una forma semihidratada de yeso (CaSO4 * ½H2O) y
2. Como yeso contenedor de un aditivo poderoso de resina (CaSO4 *
2H2O).
Las únicas propiedades de un cemento de yeso son su capacidad de ubicarse
rápidamente, su alta dureza temprana, y su expansión positiva
(aproximadamente 0.3%). Los cementos de yeso son mezclados con Cementos
API Clase A, G, o H en un rango de 8 a 10% de concentración para producir las
propiedades tixotrópicas. Esta combinación es particularmente útil en pozos
someros para minimizar los recursos de emergencia después de su
desplazamiento (Ver figura 3.16).
Debido a la solubilidad del yeso, es usualmente considerado como un material
de taponamiento temporal a menos que sea ubicado en el fondo del pozo donde
no hay movimiento de agua. En enfrentamientos con la pérdida de circulación,
los cementos de yeso son algunas veces mezclado don volúmenes iguales de
cementos Portland para formar un material de taponamiento insoluble y
permanente. Estas mezclas deben ser usadas cautelosamente porque tienen
propiedades de ubicación muy rápidas y pueden ubicarse prematuramente
durante el desplazamiento. (Ver sección 3.6, concerniente a la pérdida de
circulación).
Cementos Diesel – oil.- Para controlar el agua en la perforación o en la
producción de pozos, las lechadas de Cementos Diesel – Oil son
frecuentemente usadas. Estas lechadas están básicamente compuestas de
Cementos API Clase A, B, G, o H mezcladas con diesel o Kerosén con un
agente activo en superficie. Los cementos diesel – oil tienen tiempos de
bombeabilidad ilimitados, y no se ubicarán a menos que sean desplazados en
una zona con asientos de agua: allí la lechada absorbe agua y sitúa un cemento
denso y duro.
La función del surfactante es de reducir la cantidad de oil necesario para
humedecer las partículas de cemento. Algunas composiciones de cemento
diesel – oil contienen un anión surfactante cuyo efecto es extender la reacción o
Programa de Cementros Petroleros PET-219
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tiempo de espesamiento para permitir una penetración adicional a la formación.
El cemento diesel – oil es usado primordialmente para cerrar el paso del flujo de
agua, pero también puede ser usado para reparar fugas en la cañería, para
combatir algunos problemas de pérdida de circulación, para taponar canales
detrás de la tubería y para controlas la penetración de la lechada. (Ver figura
2.5).
FIGURA 2.5.- EL PASO DE FLUJO DE AGUA ES CERRADO USANDO CEMENTO DIESEL OIL
Cementos Expansivos.- Para algunas condiciones de fondo de pozo es
deseable tener un cemento que se expandirán a través del filtrado de lodo y de
la tubería. Para tal uso la industria petrolera ha evaluado varias composiciones
que se expanden ligeramente cuando se ubican. Estas reacciones que causan
esta expansión son similares al proceso descrito en la literatura de cementación
como Ettringite. Ettringite es el proceso de formación de un cristal que toma
lugar entre los sulfatos y el aluminato tricálcico componente en el Cemento
Portland (figura 2.6). Los Cementos expansivos comerciales (3CaO * Al2O3 *
3CaSO4 * 32H2O) son tipo Portland a los cuales se les ha añadido un Anhídrido
Sulfoaluminato de Calcio (4CaO * 3Al2O3 * SO3), sulfato de calcio (CaSO4), y cal
(CaO).
Pozo productor
de agua y de
petróleo
Squeeze con
lechada de
cemento Diesel oil
El pozo produce
sólo petróleo
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FIGURA 2.6.- CRISTALES ETTRINGITE EN EL CEMENTO
Concurrentemente hay tres tipos de Cementos expansivos comerciales:
1. Tipo K.- Los cuales contienen Sulfoaluminato de calcio como
componente y es mezclado con un cemento Portland con licencia de los
fabricantes. Cuando el cemento Tipo K es mezclado con agua, la
reacción creada por la hidratación de expansión es aproximadamente de
0.05 a 0.20%.
2. Tipo S.- Sugerido por el cemento Portland Assn., consiste de un cemento
de alto C3Al, similar al cemento API Clase A, con aproximadamente un
10 a 15% de yeso. Las características expansivas son similares a
aquellas del tipo K.
3. Tipo M.- El cual es obtenido mediante la añadidura de pequeñas
cantidades de cementos refractarios al Cemento Portland para producir
fuerzas expansivas.
Hay otras formulaciones de cemento expansivo:
a) API Clase A (cemento Portland) conteniendo de un 5 a 10% de formas
semihidratadas de yeso. (Las características expansivas de los cementos
API Clase A y Clase H contienen yeso – sulfato de calcio – son
comparadas en la Tabla 2.12)
Programa de Cementros Petroleros PET-219
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b) Cemento API Clase A, G, o H conteniendo cloruro de sodio en
concentraciones que van de un rango de 5% a la saturación.
La expansión es causada por las reacciones del silicato de cloro (Ver
Sección 3.9 para una discusión de otros beneficios de la sal.)
c) Cementos Puzzolánicos. Fuerzas expansivas son creadas cuando el
álcali reacciona con un cemento Clase A, G, o H para formar cristales de
Sulfoaluminato.
En estos tiempos no hay una prueba de procedimiento o alguna especificación
en los estándares de la API para medir las fuerzas expansivas de los cementos.
La mayoría de los laboratorios usan la prueba expansiva de bar, empleando un
molde de 1 * 1 * 10 pulgadas de muestra de cemento. La fuerza expansiva es
medida cortamente después de la ubicación del cemento por una base de
referencia y luego en varios intervalos de tiempo hasta que la expansión
máxima es alcanzada. Las pruebas de adherencia hidráulica también han sido
usadas para evaluar el crecimiento del cristal de los cementos expansivos.
Cementos con Aluminato de Calcio.- Los cementos refractarios son cementos
con alto contenido de alúmina fabricados con la mezcla de bauxita
(aluminio mineral) y caliza y calentando la mezcla en hornos reverberos abiertos
con crisol hasta que esté licuado. Dos de los más ampliamente usados
cementos con alto contenido de alúmina son los llamados Lumnite (fabricado
por Lehigh Cement Co., en Gary), y Ciment Fondu (hecho en Inglaterra y
Francia por The Lafarge Cement Co., y en los Estados Unidos por Lone Star
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Pet-219 Arturo López G. Página 32
Lafarge Inc.). los análisis de estos materiales difieren de los cementos Portland
porque la Bauxita reemplaza la arcilla o lutita usada en la fabricación del
Cemento Portland.
Los análisis típicos de estos cementos refractarios muestras que contienen
aproximadamente un 40% de cal (CaO) y pequeñas cantidades de Silicato y
Hierro. Los Aluminatos de Calcio en estos cementos producen un
endurecimiento rápido y mayor resistencia a altas temperaturas y al ataque de
químicos corrosivos.
Los cementos con alto contenido de alúmina son usados en pozos con
combustión in-situ, donde las temperaturas alcanzan un rango de 750 a 2000 ºF
durante el proceso de quemado.
Estos productos pueden ser acelerados o retardados para satisfacer las
condiciones individuales de cada pozo, pero las características de retardación
se diferenciarán de los cementos Portland. La adición de Cemento Portland a
los Cementos refractarios causarán una ubicación rápida además, cuando
ambos son manejados en el campo, ellos deben ser almacenados de forma
separada.
Cementos de Látex.- Mientras que el Cementos de látex es a veces clasificado
como un cemento especial, es actualmente una mezcla de los cementos API
Clase A, G, o H con látex líquido o en polvo. Estos látex con químicamente
conocidos como acetato de polivinilo, cloruro de polivinilo, o emulsiones de
feniletileno butadieno. Improvisan la fuerza de adherencia y el control de filtrado
de una lechada de cemento en los pozos. El Látex líquido es añadido en
relaciones de aproximadamente 1 gal/saco de cemento. El látex en polvo no
congela y puede ser mezclado en seco con cemento antes de ser transportado
al lugar del pozo. Las propiedades impartidas por el látex líquido son mostradas
en la tabla 2.13.
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Cementos de Congelación Permanente.- Los problemas especiales aparecen
en el conductor de cementación y en la superficie de la cañería en medios
ambientes congelados. A través del Ártico hay formaciones con cojinetes de
hielo que se extienden a profundidades mayores a los 3 000 pies. Pueden ser
descritos como suelos congelados en algunas áreas y en otros como bloques
de hielo parecidos a un glaciar. (Ver figura 2.7). Es normalmente conveniente
usarlo para una colocación rápida, con un cemento con calor de hidratación
bajo que no derretirá el suelo congelado (Ver sección 14.10 – Ambientes
Congelados).
Programa de Cementros Petroleros PET-219
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FIGURA 2.7.- ÁREAS DE CONGELACIÓN PERMANENTE EN NORTE
AMÉRICA.
Para tales condiciones de bajas temperaturas, mezclas de cemento base yeso y
de cementos refractarios han sido usadas muy satisfactoriamente. La mezcla de
cemento de yeso puede ser acelerado o retardado y se ubicará a los15ºF antes
de su congelamiento. Para la superficie de la cañería estas lechadas son
normalmente diseñadas para un tiempo de bombeabilidad de 2 a 4 horas, aún
así el desarrollo de dureza es un poco rápido y varía un poco a temperaturas
entre 20 y 80 ºF.
1.1. SUMARIO
En las últimas dos décadas, la estandarización de los cementos y su uso en los
campos ha sido grandemente simplificada. El número de clases API ha sido
reducido al punto que las Clases API G y H son las más ampliamente usadas.
Aproximadamente el 80% de los cementos usados en pozos en países no
comunistas son fabricados en los Estados Unidos y mantienen estas dos
clases. Aproximadamente el 65% del cemento hecho en los Estados Unidos es
el API Clase H (mayormente en las operaciones de la Costa del Golfo y en las
del Medio Continente), y el 15% es cemento API Clase G, el cual es vendido en
California y en áreas de montañas Rocky. El resto de cemento usado en pozos
son el Clase A (10%) o el Clase C (10%).
Congelación
permanente
Congelación
discontinua
Temperatura anual
Media
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En operaciones internacionales, la mayoría del cemento usado en pozos es el
API Clase G (Canadá, Europa, Medio Este, Sud América, y el Este Lejano). Los
Cementos Especiales constituyen menos del 1% del mercado del todo el
mundo.
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TEMA II
ENSAYOS BASICOS RECOMENDADOS POR EL API
Competencia :El alumno tiene el conocimiento necesario del muestreo de los
aditivos, para la preparación de lechada en el laboratorio, analiza e interpreta los
diferentes ensayos sobre la lechada o el cemento fraguado. Analiza la Importancia
de cada uno de los ensayos básicos y los puede modificar de acuerdo a las
necesidades de la operación de cementación.
MUESTREO
Cuando se muestrea una determinado lote de cemento, tenemos que tomar una
muestra representativa del lote, por ejemplo se recomienda sacar muestra de 1
saco por cada 50 sacos de cemento.
El ASTM nos indica cual es la muestra más apropiada para el cemento. Para
efectuar ensayos simples se requiere de 11 kg de muestra, para ensayos completos
se necesita 107 kg; es recomendable llevar a laboratorio por lo menos un 25% más
de lo requerido.
Una vez que la muestra llega a laboratorio, es muy usado el método del cuarteo
para separar la muestra con la que se va realizar los ensayos.
En la mesada del laboratorio, se coloca una plancha de plástico.
Plancha Plástica
1 2
3 4
Mezclar
1+4
5 6
7 8
Muestra de cemento
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Con la muestra seleccionada realizar los ensayos, siempre debe guardarse
muestras por cualquier reclamo que exista y sea necesario repetir el trabajo en un
segundo laboratorio.
PESO DE LA MUESTRA PARA LOS ENSAYOS
Métodos de Ensayo Cantidad para Ensayo Simple Kg.
Cantidad para Ensayo Doble Kg.
Estabilidad 0.5 0.5
Finura 0.5 0.5
Contenido de Agua 1.1 1.1
Cantidad de Lechada 1.1 1.1
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
Métodos de Ensayo Cantidad para Ensayo Simple Kg.
Cantidad para Ensayo Doble Kg.
Presión Atmosférica 1.1 42.5
A Presión 1.1 42.5
Tiempo de Bombeabilidad
1.1 6.8
Tiempo de 1.1 6.8
Permeabilidad 1.1 1.1
Pérdida de Filtrado 1.1 1.1
Propiedades Reológicas 1.1 1.1
Durante el curso veremos los de mayor utilidad
2.1.- PREPARACIÓN DE LA LECHADA
EQUIPOS RECOMENDADOS POR EL API
- Balanza que pese con una precisión de 0.2 grs para pesar la masa de
cemento
- Los volúmenes de agua deben medirse en probetas
- Mezcladora de 2 velocidades.
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- Las muestras del cemento deben ser tamizadas por una malla # 30. Todo
material retenido debe ser separado y expresado en % P/P.
- El agua y el cemento para ensayos de referencia debe estar libre de CO2
deben tener una temperatura de 80 oF + 5 oF.
El % de agua que debe ser agregado es el que se indica en la tabla del
API.,para cada tipo de cemento.
COMPOSICIÓN DE LA LECHADA
Cemento Clase API
Agua por Peso de Cemento %
Galón Agua por saco
A y B 46 5.19
C 56 6.32
D,E,F y H 38 4.29
G 44 4.97
J *
*Lo recomienda el fabricante.
Veamos un ejemplo para cemento clase “A”
1 Sc = 94 Lb de Agua = 0.46 x 94 = 43.24 Lb
¼ Gal
Cuchilla
4000 – RPM- 12000
La Lechada se prepara en la mezcladora que
tiene una capacidad de ¼ gal. ( ≈ 1 lt.) el
recipiente es de material resistente a la
corrosión, las cuchillas deben cambiarse
cada vez que pierda el 10% de su peso.
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La densidad es:
D = M/V V agua = M/D = 43.24 Lb/8.33 lb/gal USA = 5.19 gal.
Para Bolivia:
110 Lb x 0.46 = 50.6 Lb. Donde: V = 50.6 Lb/8.33 Lb/gal = 6.07 gal (
Bolivia)
Nota:
El agregado de bentonita al cemento requiere del agregado de agua; por cada 1%
de bentonita, tenemos que agregar 5.3 % de agua. (este valor puede variar con la
calidad de la bentonita). Siempre es necesario realizar un ensayo piloto.
Por ejemplo para lechadas preparadas con cemento clase A y que tiene un 6% de
bentonita, cuanto es el agua total que hay que agregar a la lechada.
% = (46 + 5.3 x 6)/100 = 77.8%
COMO SE PREPARA LA LECHADA
En el laboratorio de cemento tenemos:
CLASE DE CEMENTO
Volumen Lechada
Componentes A B
C D, E F, H
G
Gr. Gr Gr. Gr.
Agua 355 383 327 349
600 cc. Cemento 772 684 860 792
Forma de preparar
¼ Gal
4000 – RPM- 12000
Colocar el agua + 4000 RPM
En + -15 seg agregar el cemento.
-Subir las RPM a 12000 y agitar 35 seg.
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2.2.- DETERMINACIÓN DE AGUA LIBRE
La lechada preparada como se indico, debe ser colocada en un consistometro
atmosférico (base agua – baño maría)
20 `minutos ( 80 ° F )
Nivel Lechada
Paletas
Lechada
Nuevamente
mezclar a
12000 RPM a
35 seg.
Colocar en
probeta de
250 cc
Agua
Libre
Lechada
Dejar 2 Hrs. en reposo a 80° F
Eje con rotación
rotacion
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El agua libre se la extrae con una pipeta o se la puede medir en la misma probeta. (
la probeta taparla con un papel )
Para los cementos clase G y H, no debe exceder al 1.4 %. Para los otros tipos de
cemento no hay requisitos. Para los pozos horizontales el agua libre debe ser =
0 cc. Se consigue agregando aditivos principalmente reductor de filtrado
2.3.- ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
El cemento requiere de una determinada resistencia a la compresión para soportar
una cañería.
En forma resumida indicaremos como se realiza este ensayo API.
PROCEDIMIENTO:
La lechada se la prepara como se la indico anteriormente, se usa moldes
recomendados por el ASTM, una prensa hidráulica recomendada por el API, Baños
para colocar la lechada de cemento en los moldes (envejecimiento), se introduce
los moldes en forma íntegra, hay dos tipos de baños:
1.- Un recipiente abierto a la presión atmosférica donde se introduce los moldes con
cemento, la temperatura es de 180 oF + 3 oF, debe contar con un sistema de
homogenización de temperatura.
2.- Un recipiente cerrado donde se coloca los moldes con la lechada, a To 380 oF
(193 oC) y la presión de hasta 3000 psi.
PERIODO DE CURADO
Es el tiempo transcurrido desde que los moldes son sometidos a las temperaturas
hasta que se saca los mismos para el ensayo de compresión.
Para los moldes curados a presiones atmosféricas, el periodo de curado comienza
cuando los moldes son colocados a los baños de curado y termina curado, se saca
los moldes para el ensayo de resistencia a la compresión.
Si la presión de curado es mayor a la atmosférica, el periodo de curado comienza
una vez alcanzada la presión referida.
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El periodo especificado de curado es de 8, 24 Hrs. con excepción del cemento “J”, que es de 12, 24
hrs, 7 días.
Recordemos que el cemento al fraguar genera resistencia a la compresión, lo cual
es necesario para soportar la cañería. Muchos trabajos de investigación han
demostrado que un anillo de 10 pies de longitud y solamente 8 psi de resistencia a
la tensión puede soportar hasta 200 pies de cañería, aun bajo condiciones de pobre
adherencia del cemento.
Debido a que el ensayo de resistencia a la compresión son mejor analizados que la
resistencia a la tensión, tenemos como regla que la R.T es de 8 a 10 veces mayor
que la resistencia a la compresión. Ejemplo:
10 psi de R. T. = 100 psi de R. Compresión
Baño de Curado
Molde lechada
Presión aplicada prensa
Hidraulica
4000 Lb / pulg2. / Min.
Molde Curado
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En la industria petrolera se acepta que 500 psi de resistencia a la compresión,
garantiza continuar con las operaciones después de realizar la cementacion.
Entonces con la resistencia a la compresión del cemento fraguado nos
contestamos la pregunta ¿Qué tiempo debemos esperar para continuar
operaciones luego de realizado una cementación de una cañería?
Debemos esperar el tiempo en que la resistencia a la compresión es de 500 psi. En
ingles se dice “WOC” time
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El gran problema de determinar la resistencia a la compresión en la prensa
hidráulica es que es destructiva y además es dificultoso que todos los moldes
salgan iguales uniformes.
Hoy en día se mide la resistencia a la compresión en el analizador ultrasónico del
cemento “UCA” “Ultra Sonic Cement Analyzzer”
Con este aparato determinamos el desarrollo de la resistencia a la compresión de
las lechadas en forma continua una única muestra es sometida a baja presión y
temperaturas, simulando las condiciones de fondo de pozo (temperatura y presión)
Se coloca la lechada de cemento a ser ensayada, se ajusta a las condiciones de
fondo de pozo. Se hace pasar una señal acústica a través de la muestra del
cemento. Así como la resistencia del cemento se incrementa con el tiempo de
fraguado, más rápida será la velocidad de la señal acústica atravesando la muestra.
Una computador con sistema Windows con el software mide los tiempos de transito
de la señal en función del tiempo o interpolar los valores de la resistencia de la
compresión.
Mediante este método pueden conocer el tiempo en alcanzar el fragüe inicial (50
psi), podemos alcanzar el fragüe final o cualquier otro valor intermedio que
deseemos.
Hay aparatos que permiten trabajar hasta con 8 muestras simultaneas; pero con
tiempo de 999 horas; 20000 psi y 400 oF.
Es importante mencionar que el software que tiene computadoras fue desarrollado a
partir de ensayos distintos con la prensa hidráulica.
Señal acústica Computador
Control presión
Manta
calefactora
Transmisor Ultrasónico
Lechada
250 cc.
Receptor
ultrasónico
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Cemento clase “H”– 35% Silica Floor (Aditivo) Densidad = 15.0 lb/gal Temp. = 350 ° F Presión = 3500 Psi
4 8 12 16 20
2000
500
Tiempo (Hrs)
Psi
4 8 12 16 20
2000
500
Tiempo (Hrs)
Psi Cemento clase “H” 0% Silica Floor
Densidad = 15.6 lb/gal Temp. = 350 ° F
Presión = 3500 Psi 15.6 lb/gal
Retrogresión del cemento
por efecto de To
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Pet-219 Arturo López G. Página 47
FIGURA 4.8.- PRUEBA DE FUERZA COMPRESIVA EN UN CUBO DE CEMENTO
DE 2 PULGADAS.
Recordemos que el cemento al fraguar genera resistencia a la compresión, lo
cual es necesario para soportar la cañería en el pozo.
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Pet-219 Arturo López G. Página 48
Para decidir cuánto tiempo se esperará para que el cemento se fragüe (para
seleccionar un tiempo WOC), es importante:
1. Conocer cuán fuerte debe ser el cemento antes de que la perforación
pueda empezar, y
2. Entender las características de desarrollo de la dureza de los cementos
en uso común.
Esto puede ser observado en los valores de la fuerza compresiva en la tabla 4.8
y conocer qué temperatura de curado es significativa en el desarrollo de la
fuerza. Para aplicar la información de dureza o fuerza del laboratorio
apropiadamente y para establecer un tiempo WOC razonable, se debe tener
algún conocimiento de temperaturas de curado de fondo de pozo. El BHST´s en
la mayoría de las áreas geográficas han sido razonablemente bien definidos
mediante el uso de datos isotérmicos de superficie con profundidades y
gradientes de temperatura aceptadas. Los resultados son verificados mediante
estudios conducidos de temperatura en agujeros superficiales interconectados.
La temperatura de curado del cemento, sin embargo, seguramente casi no
igualará a la temperatura de formación, de hecho, esto incluso no tiene un valor
constante. Esto es gobernado por un complejo grupo de variables, incluyendo
las temperaturas del fluido de perforación, lechada de cemento y el fluido
desplazado, tanto como el calor de hidratación del cemento.
Las siguientes observaciones revelan que la fuerza del cemento para sostener
la cañería está basada en el estudio y la experiencia del campo:
1. Alta dureza del cemento no es siempre requerida para sostener la
cañería durante la perforación, y con un incremento de la densidad de la
lechada, el tiempo requerido para desarrollar una adecuada fuerza
compresiva es disminuido.
2. La densificación incrementa tanto la dureza como el calor de hidratación
del cemento.
3. Las lechadas de cemento con excesivas relaciones de agua resultarán
un débil cemento fraguado y por eso se deben evitar alrededor de la
parte baja de la cañería.
4. Con la selección de los cementos apropiados y con buenas prácticas de
cementación, el tiempo WOC para cañería de superficie pueden ser
reducidos de 3 a 4 horas bajo operaciones en condiciones veraniegas y
de 6 a 8 horas en condiciones de invierno.
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TÉCNICA DE PRUEBA DE RESISTENCIA
La fuerza compresiva del cemento fraguado es probado mediante la medición
de la fuerza para aplastar un cubo de 2 pulgadas con una fuerza compresiva
ilimitada (figura 4.8). Mientras la carga aplastante para predecir la fuerza
compresiva del cemento fraguado ha sido ampliamente usada por más de 40
años para establecer el tiempo WOC, esto no refleja la verdadera adherencia
del cemento a la cañería y/o a la formación. Correlaciones comparativas han
sido hechas en el laboratorio de adherencia arbitrada y pruebas de fuerza
compresiva para producir la relación mostrada en la figura 4.9.
Una técnica más nueva y más popular para predecir la fuerza y los tiempos
WOC es un dispositivo no destructivo que usa ondas acústicas y ultrasónicas.
El analizador de cemento ultrasónico (UCA) continuamente monitorea la dureza
desarrollada por cualquier composición de cemento dada (figura 4.10). Una
lechada simple es desplazada en una célula que está bajo condiciones que
simulan la presión y temperatura de fondo de pozo. Las medidas de la velocidad
ultrasónica del cemento son empezadas durante el estado fluido y continuado
durante el fraguado inicial a cualquier punto deseado de dureza parcial o final
desarrollada.
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FIGURA 4.9.- FUERZA DE ADHERENCIA VS. FUERZA COMPRESIVA DE LA LECHADAS DE
CEMENTO FRAGUADO.
FIGURA 4.10.- ANALIZADOR ULTRASÓNICO DE CEMENTO CON TRAZADOR DE GRÁFICOS PARA
EL DESARROLLO DE LA DUREZA.
FUER
ZA D
E A
DH
EREN
CIA
– P
SI
FUERZA COMPRESIVA – PSI
No es bueno una fuerza compresiva mayor a los 4 000 psi
- Cemento Puro - Cemento con 2% de cloruro de calcio - Cemento gel 4%
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Los valores de dureza con continuamente computarizados y mostrados hasta
que la prueba es terminada. El resultado es un historial completo y preciso del
fraguado inicial y del desarrollo de la dureza que puede consistir de un trazador
de gráficos vs. Tiempo en cualquier punto de interés (figura 4.11).
FIGURA 4.11.- DELINEADO DEL DESARROLLO DE LA DUREZA DEL SISTEMA DE CEMENTO
FRAGUADOS CON ANALIZADOR DE CEMENTO ULTRASÓNICO.
Cemento API Clase C – 14.8 lbm/gal Fu
erz
a C
om
pre
siva
(p
si)
Tiempo (días)
Cemento API Clase C – 14.8 lbm/gal 4% bentonita – 2% cloruro de calcio – 13.5 lbm/gal
Fue
rza
Co
mp
resi
va (
psi
)
Tiempo (días)
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El UCA funciona con poca atención aparte del operador desde el inicio hasta el
final. La misma información de los estándares API sobre las pruebas para
aplastar la fuerza compresiva requeriría la curación de una multitud de
especímenes a veces preseleccionadas durante pruebas de tiempos, sin
garantía de que la primera prueba sería lo suficiente corta o la prueba final lo
bastante larga para proveer con exactitud la información crítica del trabajo (ver
figura 4.12).
Las investigaciones han demostrado que una capa de cemento en un
anillo de 10 pies, teniendo solamente 8psi de resistencia a la tensión,
puede soportar más de 200pies de cañería, aun bajo pobres condiciones
de adhesividad del cemento. Al fijar la cañería de superficie cuando sean
requeridas elevadas cargas de trepano para retirar el equipo de flotación,
se ejerce una carga adicional a través de la cañería y la capa de cemento.
La Tabla 4 muestra las longitudes mínimas de cañería, y medidas de
portamechas que pueden ser soportados por una columna de cemento de
10 pies con una resistencia a la tensión de 8 psi.
TABLA - 4
Longitud de la cañería y medida de portamecha soportados por una columna de cemento
de 10 pies de longitud con 8psi de resistencia a la Tensión
Casing Portamechas -Medida (Pulg) Longitud Casing
(Pies)
Medida (Pulg) Libraje (lb/ft) OD ID
7
8-5/8
10-3/4
13 3/8
17,00
24,00
32,75
48,00
4-3/4
6-1/4
6-3/4
9
2
2-1/4
2-7/8
3-1/4
94
67
72
50
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2.4.- TIEMPO DE BOMBEABILIDAD O DE ESPESAMIENTO
Una de las mayores preocupaciones cuando vamos a realizar una cementación es
conocer porque tiempo puede estar bombeable la lechada, para contestar a esta
pregunta el API, nos recomienda el ensayo de determinación del tiempo de
bombeabilidad, el cual se realiza el consistometro presurizado en cual podemos
simular las condiciones de F.P, ( 500 °F y hasta 40000 psi)
El consistometro es esencialmente un recipiente cilíndrico que contiene la lechada
dentro de este cilindro hay unas paletas estacionarias, todo está encerrado en una
cámara de presión, que tiene un aceite mineral recomendado por el API, esta
cámara está provista de un sistema de calentamiento que eleva la temperatura en 5
°F / min, el recipiente gira a 150 rpm, la consistencia de la lechada está indicada por
la deformación de un resorte calibrado que está conectado a la paleta que está en
contacto con la lechada. Mientras aplicamos calor y presión la lechada va ganando
consistencia que se transmite al resorte este resorte lo transforma en voltios.
Él limite de bombeabilidad de la lechada es cuando el equipo alcanza las 100 Bc (
Unidades de Barden, o unidades de consistencia), el equipo estos valores los va
graficando en forma automática y nos da el grafica mostrado en la parte inferior.
Se sabe que cuando tenemos 11 Voltios corresponde a las 100 Bc
También conocemos que cuando tenemos 8 voltios tenemos 70 Bc
Las recomendaciones especificas de Tb, depende del tipo de trabajo, condición del
pozo, del volumen de lechada que se va bombear, por ejemplo cuando las cañerías
a cementar no pasan de 3000 m, el tiempo de bombeabilidad suficiente es de 3.0 –
3.5 horas, con este tiempo tenemos un factor de seguridad adecuado, en cambio
otros cementaciones, por ejemplo para colocar tapones de cemento solo
necesitamos 90 a 120 minuto de tiempo de bombeabilidad.(el tiempo de
bombeabilidad se puede modificar con aditivos).
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En la foto mostramos el consistometro presurizado.
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COLOCAR UNA COPIA DE UN TIEMPOD DE BOMBEABILIDAD
Importante es saber que la temperatura para la determinación del tiempo de bombeabilidad
es la temperatura de circulación y no la estática de fondo de pozo, lo que se hace es
conocer la temperatura estática de fondo de fondo pozo y luego de graficas que relacionan
la temperatura estática y la de circulación calculamos de la circulación para realizar el
ensayo API, hay que considerar el gradiente térmico de la zona.
( Se utiliza la temperatura de circulación, por que como vamos a ver el próximo tema,
antes de bombear la lechada se tiene que circular para acondicionar el lodo por lo menos
unas 6 horas como mínimo y esto hace que la temperatura en el fondo de pozo sea la de
circulación, ver grafico a en la parte inferior).
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2.5.- AGUA PARA PREPARAR LA LECHADAS
La función principal del agua en una lechada de cemento es humedecerlo y
transportar la lechada al EA. Muchos trabajos de cementación han salido mal por
las impurezas que tenía el agua. Idealmente el agua para preparar la lechada
debería estar limpia y clara libre de químicos solubles , arena ,limo , material
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orgánico soluble , material alcalino o cualquier otro contaminante ; esto no siempre
es posible dado que las fuentes de agua en los pozos es de distintas fuentes , sin
embargo aguas hasta con 500 ppm de sólidos suspendidos puede ser utilizada
sin problemas.
Los materiales inorgánicos tales como /( Cl- , CO3= ,CO3H
- , SO4= , OH- )
,pueden acelerar el frague del cemento , la velocidad de aceleración depende
de la concentración .
El agua de mar como contiene de 30000 a 43000 ppm de sólidos solubles acelera el
frague , esto puede ser neutralizado usando aditivos para retardar el frague.
Las impurezas del agua originan en las lechadas espuma lo que dificultad
alcanzar la densidad requerida. El agua potable es lo recomendado siempre
que las condiciones lo permitan.
Por ser tan importante el agua RECORDAR QUE LOS ENSAYOS QUE SE REALIZAN
EN LOS LABORATORIOS DEBEN REALIZARSE CON EL CEMENTO QUE TENEMOS
EN CAMPO Y CON EL AGUA QUE VAMOS A UTILIZAR PARA PREPARAR LA
LECHADA EN EL POZO.
CONTENIDO DE AGUA EN LA LECHADA
En la cementación primaria, la lechada de cemento debe tener una viscosidad o
cedencia que permita el desplazamiento del lodo más efectivo del EA y nos
permita una buena adherencia entre la formación y la cañería.. Para alcanzar
esto, la mayor parte de las lechadas son mezcladas con una cantidad de agua
que proporcionará un volumen fraguado igual al volumen de mezcla sin la
separación libre de agua. El tamaño de partícula, área de superficie, y todos los
aditivos influencian en la cantidad de agua requerida para que la mezcla
alcance una viscosidad particular en una lechada dada. Hay rangos de
viscosidad para lechadas de cemento dadas y rangos de viscosidad que indican
cuán espesa puede ser una mezcla y permanecer bombeable bajo condiciones
de pozo dadas para el fraguado. Estas cantidades de agua son dadas en
términos específicos, definidas como sigue:
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Agua Máxima.- es la cantidad de agua para la mezcla de cualquier
composición de cemento que dará un volumen al fraguado igual al volumen de
la lechada con más de 1½% de agua libre separada. Esto es medido mediante
una prueba de asentamiento (figura 4.5) con unos 250 ml graduados después
que la lechada ha sido agitada en un probador de tiempo de espesamiento
atmosférico. El agua máxima es la cantidad usada para la mayoría de las
cementaciones porque el máximo rendimiento o “fill-up” (llenado) es necesario
para cada saco de cemento.
FIGURA 4.5.- PRUEBAS DE ASENTAMIENTO API CON CEMENTO API
“CLASE G” A DISTINTAS RELACIONES AGUA DE MEZCLA – CEMENTO
Agua Normal.- Es la cantidad de agua mezclada que alcanzará una
consistencia de 11 Bc´s (unidad de consistencia) medida en un probador de
tiempo de espesamiento atmosférico después de 20 minutos de agitación. La
API usa unidades de consistencia porque los valores obtenidos no son
verdaderos valores de viscosidad (poise). Bc´s están basados en un torque o
resistencia en lugar de la separación de agua. El agua normal es a veces
llamada “agua óptima” porque provee una buena bombeabilidad a la lechada.
Agua Mínima.- Es la cantidad de agua mezclada que dará una consistencia de
30 Bc´s luego de 20 minutos de agitación. Esta nos dará una lechada bastante
espesa que puede ser usada, por ejemplo, para controlar pérdidas de
circulación.
Cemento API Clase A
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La relación agua – cemento, volumen de la lechada, y volumen del fraguado
están cercanamente relacionadas al tamaño de partícula o área superficial de
un cemento (ver tabla 4.6). Para la mayoría de las Clases API, el tamaño de
partícula y los requerimientos de agua para obtener ciertos niveles de dureza,
retardación, bombeabilidad, etc., son específicos. Los estándares de la API no
clasifican el grado de fineza de los cementos Clase G y H, pero especifican la
cantidad de agua mezclada y el agua libre deducida, la cual es controlable
mediante el grado de fineza del cemento.
En una columna de cemento, el exceso o agua libre puede juntarse en
cavidades en lugar de separarse y migrar a la cima de la columna. Las pruebas
realizadas en una columna de cemento de 16 pies, con 1 pulgada en el espacio
anular mostró que un cemento con un área superficial de 1 500 cm2/g, mezclado
con una lechada de densidad 15.4 lbm/gal, formó un tapón sólido de cemento
por encima de la columna. Cuando el cemento era mezclado con más agua
(15.1 lbm/gal), el agua libre separada entraba en cavidades horizontales de
agua limpia cuyo diámetro era de ½ a 1½ pulgadas. Las cavidades empiezan a
formarse alrededor de 15 minutos después de que la lechada de cemento fue
introducida a la tubería.
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Pet-219 Arturo López G. Página 60
Esto debe ser enfatizado ya que un incremento en el contenido de agua
permitirá un tiempo de bombeabilidad más largo y aumenta el asentamiento
del cemento, el agua nunca debe ser incrementada a menos que el cemento
sea mezclado con bentonita o un material similar para justificar el exceso de
agua. El exceso de agua siempre produce un cemento más débil con baja
resistencia a la corrosión.
EFECTO DEL AGUA DE MEZCLADO SOBRE EL CEMENTO
Tipo ensayo : 2000 m – cementación de cañería de 9 5/8”
Tiempo de curado : 24 horas
Temperatura curado : 95 °F
presión de curado : 5000 psi
Tipo de agua Tiempo de bombeab. Res. Compresión
( Hrs : min ) (Psi )
Agua corriente 2 :34 2150
Agua corriente
+ 2200 ppm CO3= 1:18 2300
Agua de mar 1:52 2610
2.6.- GRANULOMETRIA ( MOLIENDA DEL CEMENTO )
Hay muchas metodologías para determinar la granulometría del cemento ,
vamos a mencionar algunas
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TAMIZACION (API)
Malla 20 Tamaño de la partícula 850 micrones
Malla 325 Tamaño de la partícula 44 micrones
TURBIDIMETRO- WAGNER (ASTM)
MICROSCOPIA
Se elaboran curvas granulométricas con rayo Láser
DETERMINACIONES ANALÍTICAS DE TAMAÑO DE PARTICULA
Técnicas comunes
Analíticas
Tamaño de partículas
Micrones
Dimensión medida
Microscopia Electrónica 0.001 a 5 Área proyectado
Diámetro estadístico
Microscopia de Barrido 0.1 a 100 Área proyectado
Diámetro estadístico
SEDIMENTACION
Método de pipetas 3 a 60 Diámetro de Stokes
Método de centrifuga 3 a 10 Diámetro de Stokes
RASTREO O BARRIDO DE
FLUJO
Contador Coulter 1 a 100 Volumen proyectado
Contador HYAC 2 a 100 Volumen proyectado
Fotómetro 0.3 a 10 Volumen proyectado
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Veamos una curva granulometría de un cemento API G , fabricado por Loma Negra
Argentina. ( ver tamaño más grande las partículas)
La actividad química del cemento, por lo tanto la capacidad de adquirir el poder
aglomerante, cohesivo y el desarrollo de la resistencia del cemento fraguado
depende la superficie de reacción que aumenta a medida que disminuye el tamaño
de la partícula del cemento.
Estudios de investigación han mostrado que una partícula se hidrata a solo
0.1 mm, esto significa que partículas de cemento con diámetros mayores a 0.2
mm, en el centro de la partícula no ocurrirá la hidratación del cemento por lo
tanto esto es como un material inerte.
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Es importante entender lo del tamaño de la partícula, porque nos
hace entender que no debemos utilizar cementos que presentan
bolas, terrones etc, dado que no podremos tener una buena
lechada.
2.7.- DENSIDAD DE LAS LECHADAS
La densidad de la lechada es una propiedad muy importante, debemos medirla en
el campo de la manera más exacta posible. Las lechadas de cemento pueden
prepararse en gran rango de densidad, va depender de cada situación de los pozos
( principalmente, sí la cañería a cementar estará en formaciones con presiones
porales subnormales, o anormales). En nuestro país en un mismo pozo se utiliza
lechadas más livianas que el agua y lechadas densificadas con baritina y/o
hematita.( los mega campos San Alberto , Sábalo , Margarita )
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Veamos el siguiente cuadro
Lechada cemento
lb/gal
Vol. Aproximado
Agua – gal/saco
Aditivo Concentración
Lbs/saco de cto
6.0 –10.0 6.0 N2 *
9.0 –10.0 9 - 11 Esferas , vidrio
plásticas
30 –40
11.0 25 Tierras diatomeas 40
12.0 13 Bentonitas
+diatomeas
12 + 1
13.0 10.5 Bentonita 8
14.0 6.0 Puzzolanas 50
15.0 5.8 Ninguno 0
16.0 4.4 Ninguno 0
17.0 4.0 Dispersante 1
18.0 4.0 Dispersante +
baritina
1 + 12
19.0 4.0 Dispersante +
baritina
1+28
20.0 4.0 Dispersante +
baritina
1+46
21.0 4.0 Dispersante +
baritina
1+71
ES IMPORTANTE INDICAR QUE YPFB EN EL AÑO 1988 EN EL CAMPO PARAPETY ,
CON LA COMPAÑÍA DOWEL SCHLUMBERGER INTENTO PREPARAR UNA LECHADA
CON DENSIDAD DE 23 LB /GAL , DENSIFICADO CON HEMATITA , LA OPERACIÓN
FUE UN FRACASO POR QUE NO SE LOGRO TENER UNA DENSIDAD PERMANENTE
LE FALTABA GELES A LA LECHADA PARA SUSPENDER A LA HEMATITA.
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La densidad se puede medir con la balanza de lodo , con la balanza presurizada de
Halliburton , los camiones tienen un densímetro Nuclear.
Cuando medimos la densidad de la Lechada con la balanza de lodos, tenemos una
medición por defecto, esto se debe a que las lechadas atrapan mucho aire cuando
se las está preparando. La balanza presurizada de Halliburton nos da una lectura
más real de la lechada de cemento, en realidad es una variante de la balanza de
lodos, con la salvedad que con una bomba manual se llena la tasa de la balanza
obligando a desalojar el aire de la lechada, sin embargo es más dificultoso su uso. (
ver fotos )
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Los camiones de las compañías de servicios de cementación tienen un densímetro
Nuclear incorporado al camión, que puede medir la densidad a medida que sé esta
bombeando la lechada al pozo ( Da una medida más exacta de la densidad que los
otros instrumentos ya mencionados, ver la tabla de la parte inferior)
La densidad de la lechada durante la cementación se la muestra en una
pantalla digital y la registra en una cinta, esto trabajo con una fuente
radiactiva de Cesio -137, el cual está fijado en la línea de descarga donde la
lechada está sometida a altas presiones, el aire entrampado es minimizado y
de esta manera tenemos una medida más exacta de la densidad de la lechada.
Veamos ahora para una misma lechada como varia el valor en función como
midamos la densidad.
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Densidad teórica
en lb/gal
Balanza de lodo
Lb/gal
Balanza
presurizada lb/gal
Densímetro
Nuclear
11.1 9.90 10.9 11.2
13.3 12.8 13.2 13.4
19.0 18.2 18.3 19.1
19.5 18.3 19.2 19.5
2.8.- CONTROL DE FILTRADO
El control de filtrado de las lechadas de cemento es muy importante en pozos
profundos, durante la cementación de Liner, para efectuar cementaciones a presión
SQUEZZE, o cuando vamos a cementar la cañería de producción, la lechada que
esta frente a la zona potencialmente productora de hidrocarburos debe tener un
bajo filtrado.
La perdida de filtrado de una lechada en una zona permeable puede originar debido
a la perdida de agua, que la lechada levante su reología, va originar
inmediatamente un revoque grueso, que puede cambiar el tipo de flujo de la
lechada. Los factores que influyen en la perdida de filtrado de la lechada es la
presión, temperatura, la permeabilidad del revoque, la permeabilidad del reservorio.
El API ha especificado lo siguiente:
El equipo donde se realiza el ensayo es muy parecido al equipo donde se
realiza el ensayo de filtración para el lodo HPHT
El filtrado es el volumen de agua que se obtiene, después de 30 minutos que
la lechada a sido sometida en la celda de filtración a 1000 psi, y la
temperatura fijada por nosotros.
Ver la figura de abajo que -+ nos explica como se realiza el ensayo.
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Para una lechada de cemento sin aditivo para controlar el filtrado, el valor de su
filtrado API es mayor a 1000 cc, en estos casos se observa que una vez que uno
aplica los 1000 psi a la lechada que está en la celda esta se deshidrata
completamente en menos de un minuto.
Se acepta la siguiente formula empírica para estimar la perdida de filtrado de una
lechada en un determinado tiempo.
FT x 5.477
F30 = -------------
T1/2
F30 = Filtrado a 30 minutos
FT = Filrado en un tiempo T
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El control de filtrado se lo realiza agregando a la lechada aditivos que se
llaman reductores de filtrados en una concentración del orden del 0.6 al 2.0
%. Para cementar zonas productoras un valor optimo del valor de filtrado es
de 50 a100 cc.
Además es importante indicar que el filtrado de la lechada es muy alcalino ph
> 12, esto origina que si el matriz de la arena productora tiene arcilla, la va a
dispersar y generar finos, lo q trae como consecuencia el daño a la formación
produciendo baja producción de hidrocarburo
CONTROL DE FILTRADO
El control de filtrado en la lechada de cemento es muy importante en la
cementación de liners profundos y en cementaciones Squeeze. La pérdida de
filtrado a través de un medio permeable causarán un incremento en la
viscosidad de la lechada y una rápida disposición del revoque de lodo,
restringiendo así el flujo. Los factores que influencian la pérdida de filtras de
las lechadas de cemento son el tiempo, presión, temperatura y
permeabilidad. Para medir las características de filtración de las lechadas
de cemento las especificaciones de la API estandarizaron una prueba de
30 minutos a 100 o 1 000 psi.
El procedimiento de la API usa un filtro ensamblado (figura 4.20A y 4.20B) que
consta de una armazón, un cilindro, y una malla de 325 mesh sostenida por una
malla de 60 mesh como un medio de filtración. Una camisa de calefacción hace
posible el simular las temperaturas de formación. Para simulas el
desplazamiento al fondo de pozo, las lechadas pueden ser bombeadas por un
probador de Tiempo de espesamiento a una cierta presión o sin presión en un
tiempo dado antes de que éste sea removido o vertido dentro de una celda de
filtrado.
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FIGURA 4.20A.- EQUIPO DE PRUEBA API PARA PÉRDIDA DE FLUIDO PARA MEDIR LOS FLUJOS
DE FILTRACIÓN DEL CEMENTO.
FIGURA 4.20B.- PRUEBA DE FILTRACIÓN DE LAS LECHADAS DE CEMENTO (IZQUIERDA: LA
PÉRDIDA RÁPIDA DE AGUA DEJA UN REVOQUE DE LODO GRUESO; DERECHA: EN 30 MINUTOS
DE PÉRDIDA DE AGUA CONTROLADA DEJA UNA LECHADA CON REVOQUE DELGADO.
Una versión más nueva del Estándar API para la cámara de pérdida de fluido es
un dispositivo de agitamiento que permite la medición de la pérdida de fluido de
una lechada de cemento a condiciones de fondo de pozo después de un
simulado tiempo de desplazamiento. Luego la lechada es colocada dentro de la
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cámara, se le aplica presión y la lechada es agitada y calentada
simultáneamente a BHCT y mantenida allí durante el tiempo de desplazamiento
necesario. La temperatura máxima de operación es de 400 ºF y la presión es
usualmente de 1 000 psi. Después de un tiempo de bombeo simulado, la
cámara es invertida y se inicia la prueba de pérdida de fluido. Se le aplica una
presión diferencial a través del medio del filtro y el volumen filtrado es recogido.
Si la temperatura de la prueba de más de 200 ºF, el filtrado debe ser recogido
de una o dos formas:
1. Bajo presión (usualmente 100 psi), o
2. Con un serpentín enfriador que condensa el vapor a agua antes de su
recolección.
Una vez es recogido el filtrado, un valor API de pérdida de fluido es determinado
por las mismas técnicas usadas por la prueba de pérdida de fluido estático.
Se consigue normalmente controlar la filtración de una lechada de cemento
mediante la adición de polímeros de cadenas largas en concentraciones de 0.6
a 1.0 % por peso del cemento. (Ver tablas 3.26 y 4.15).
Las lechadas de cemento que tienen valores de pérdida de fluido de laboratorio
de 50 a 150 ml en 30 minutos son comúnmente usadas en cementaciones
Squeeze. En la cementación de liners profundos, la pérdida de fluido API puede
llegar a los 300 ml.
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2.8.- PERMEABILIDAD
Aunque se dé sólo un leve énfasis a la permeabilidad del cemento
fraguado durante el diseño de la lechada de cemento, hay formas de
medirla tanto para agua como para gas. El API ha especificado un sistema
estándar que involucra el uso de un permeábilimetro metro (figura 4.19).
FIGURA 4.19.- DISPOSITIVO PARA MEDIR LA PERMEABILIDAD DE UN CEMENTO API.
Agua
Pipeta Medidora
Mercurio
Cápsula Retenedora
Cilindro Retenedor
Base Retenedora
Argolla en O
Molde (ver detalles)
Regulador de Presión
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 73
Los cementos fraguados tienen muy poca permeabilidad – de hecho más bajas
que las formaciones mayormente productoras. Datos han mostrado que a
temperaturas menores de 200 ºF la permeabilidad del cemento decrece con el tiempo y la
temperatura. Después de 7 días de curado, la permeabilidad es usualmente
muy baja como para medirla.
La permeabilidad del cemento fraguado con gas es normalmente mayor que la
con agua, pero las medidas de formación son menos confiables porque es difícil
de obtener buenas muestras representativas para medir el flujo de gas. Los
cementos que se han fraguado en un tiempo de 3 a 7 días tienen una
permeabilidad de gas menores de 0.1 md. La dolomita y la caliza tienen una
permeabilidad aproximada de 2 a 3 md y las calizas pelíticas usualmente tienen
una permeabilidad muy baja. La arenisca tiene una permeabilidad de gas dentro
de un rango de 0.1 a 6 000 md.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 74
TEMA III
ADITIVOS DE CEMENTACION
Competencia: El alumno analiza y determina que aditivos debe tener la lechada
para conseguir alguna propiedad especial, que le garantice una operación de
cementación exitosa.
3.1.- INTRODUCCION
Los pozos en la industria petrolera
cubren un amplio rango de
condiciones de profundidad y
temperatura más que en cualquier
otro tiempo en la historia. Los
componentes de la cementación
están regularmente para (1)
condiciones bajo congelamiento en
las zonas de congelamiento en
Alaska y Canadá. (2) temperaturas
arriba de 500ºF en pozos profundos
(3) temperaturas de 450ºF a 500ºF en
pozos de vapor (4) temperaturas de
1500 a 2000 ºF en pozos de
inundación de fuego . Rango de
presiones atmosféricas de 30 000 PSI
en pozos extremadamente profundos.
Ha sido posible moldear el amplio
rango de condiciones solo atraves del
desarrollo de aditivos para modificar
la disponibilidad del cemento Pórtland
para los requerimientos de cada pozo
individualmente.
Hoy en día hay más de 60 aditivos
usados con variadas clases de API
de cemento para proveer condiciones
optimas a la lechada para cualquier
condición de fondo de pozo .
Con la llegada del cemento básico (
API clase G y H ) y el equipo de
mezcla de cemento a granel , el uso
de aditivos se ha vuelto más flexible y
simple. Las lechadas de cemento
ahora pueden ser modificadas para
específicos requerimientos de pozo
alrededor del mundo.
Prácticamente todos los cementos en
su uso corriente son polvos para flujo
libre que han sido mezclado seco
con el cemento antes de transportarlo
al pozo. Como sea es necesario, la
mayoría de ellos están dispersados
en la mezcla con agua en el lugar del
trabajo o adquisición de las
compañías de servicio en una forma
líquida.
Dependiendo de cómo sean
seleccionados los aditivos pueden
afectar las características de la
lechada de cemento en varias
formas. Algunos ejemplos.
1.-Densidad con rango de 6 a 21
lb/gal
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Pet-219 Arturo López G. Página 75
2.-Fuerza compresiva con rango de
200 a 20 000 PSI
3.-Tiempo de frague puede ser
acelerado o retrasado para producir
cemento que va a ser fraguado con
pocos segundos o poco fluido con un
máximo de 36 horas
4.-Las filtraciones de cemento
pueden ser bajadas un poco como 25
cm3/30 min. Cuando sean medidos
en una malla de 350 mesh y una
diferencial de presión de 1000 PSI.
5.- Las propiedades de flujo pueden
variar en un amplio rango
6.-Puesto el cemento puede variar su
resistencia a la corrosión por
densificación o por variantes en su
composición química
7.- Productos granulares fibrosos,
celulósicos puede agregarse alas
lechadas para controlar las pérdidas
de circulación
8.-Elasticidad puede ser puesta en
los cementos por incorporación de
fibras muy finas en la lechada de
cemento. (Actualmente se está
usando en los mega campos)
9.- La permeabilidad puede ser
controlada en bajas temperaturas de
pozo por densificación y temperaturas
debajo de 230 ºF por densificación y
el uso de silica flour.
10.-Los costos pueden ser reducidos
dependiendo de los requerimientos
del pozo y las propiedades deseadas.
11.-El frague del cemento puede ser
expandido un poco con el uso de
cloruro de sodio o yeso o ambos
12.-el calor de hidratación (el calor
liberado durante el proceso de frague
) puede ser controlado con el uso de
arena o bentonita en combinación
con el agua.
Los aditivos de cementación están
clasificados:
1.-Aceleradores
2.-Aditivos livianos
3.-Aditivos pesados
4.-Retardantes
5.-Agentes de pérdida de
circulación
6.-Agentes de control de filtrado
7.-Reductores de fricción
8.-Materiales especiales
ACELERADORES DE CEMENTO
Las lechadas de cemento para ser
usadas a poca profundidad,
formaciones de baja temperatura
pueden requerir una aceleración de
tiempo de sedimentación y para
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Pet-219 Arturo López G. Página 76
incrementar rápido la fuerza
particularmente las temperaturas de
las formaciones esta debajo de 100ºF
.usando aceleradores , cemento
básico , y una buena práctica
mecánica en unas 4 horas la fuerza
de 500 PSI puede ser desarrollada.
Esta fuerza es generalmente
aceptada como la mínima para la
ligación y soportar la tubería.
Los aceleradores de uso común
están tabulado en la tabla.
Cemento + material pesado 16 a 21
Cemento densificado 16 a 17
Cemento + sal 15 a 17
API case G o H 15 a 16
Pozzolan + cemento 13 a 15
Cemento + bentonita 12 a15
Cemento + esferas 8 a 13
Cemento + nitrogeno 6 a13
Peso de la lechada #/gal
ACELERADOR MONTO USADO
Cloruro de calcio 2 a 4
Cloruro de sodio 3 a 10
Yeso en forma semihidratada 20 a 200
Silicato de sodio 1 a 7.5
Dispersantes de cemento 0.5 a 1
Agua de mar ---
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CLORURO DE CALCIO.-el cloruro
de calcio es el más usado y el más
efectivo de los aceleradores .es un
material muy higroscópico y
disponible en forma de hojuela y
polvo en la forma
Regular tiene 77% de cloruro de
calcio., y en la forma de hojuela tiene
un 96% de anhídrido. En el anhídrido
la forma de hojuela es un uso más
general por que puede absorber
humedad sin quedar lleno de grumos
y es más fácil almacenarlo.
Normalmente de 2 a 4%de cloruro de
calcio basado en el cemento es
usado dependiendo de las
condiciones del pozo. En algunas
instancias el 4% de cloruro de calcio
es usado con mezcla de cementos
requiriendo altos relación de agua
donde grandes volúmenes de agua
diluye la concentración de los
aceleradores. Las concentraciones de
cloruro de calcio en exceso de 6wt%
de cemento no ofrece ninguna
ventaja.la reacción ante estas
concentraciones con cementos a
bajas temperaturas es impredecible.
CLORURO DE SODIO.- cloruro de
sodio comúnmente llamado sal es un
efectivo acelerador para los cementos
mas trabajados una concentración de
1.5 a 5.0 wt% de cemento. Dos de
3.5 % dan una máxima aceleración,
excepto cuando la lechadas de alto
relación de agua está siendo usada.
bajos porcentajes de los
aceleradores de cloruro de sodio ,
pero altas concentraciones que son
usadas para saturar las mezclas de
agua que retardaran el frague del
cemento . Aunque el cloruro de sodio
no produce el grado de aceleración
que se consigue con el cloruro de
calcio puede ser usado cuando
alguna aceleración es deseada y el
cloruro de calcio no está disponible.
CEMENTO YESO.-el cemento yeso
está compuesto principalmente por
semihidratacion del sulfato de calcio.
Es usado como acelerador para los
cementos Pórtland con
concentraciones arriba del 100%
basado en cemento. Tiempo de
sedimentación son cortos como de 5
minutos puede ser obtenido con
cierta mezcla de Pórtland-yes
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EFECTO DEL CLORURO DE CALCIO DESPUES DEL
TIEMPO DE BOMBEABILIDAD DE LA CLASE A DE API
Agua 5.2 gal/sx
densidad de la lechada 15.6 lb/gal
Cloruro de calcio Api prueba cementacion de cañerias
(%) 1000 pies 2000pies 4000pies
0.0 4:40 3:36 2:25
2.0 1:55 1:30 1:04
4.0 0:50 0:47 0:41
Api prueba de cementación SQUEEZE
0.0 3:30 2:49 1:52
0.2 1:30 1:20 0:54
0.4 0:48 0:43 0:37
EFECTO DEL CLORURO DE CALCIO EN LA RESISTENCIA A LA
COMPRESION CEMENTO API CLASE A
Agua ------ 5.2 gal/sx
Densidad de la lechada----------15.6 lb/gal
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Fuerza compresiva a temperatura y tiempo indicado
Ca Cl2 0psi- 60ºF- hora 0psi-80ºF-hora 800psi-95ºF-
hora
(%) 6 12 24 6 12 24 6 12 24
0 20 70 940 75 405 1.930 235 1.065 2.710
2 460 785 2.290 850 1.540 3.980 1.170 2.360 4.455
4 755 955 2.420 1.095 1.675 3.980 2.225 2.325 4.550
EFECTO DE CLORURO DE SODIO DESPUES
DEL TIEMPO DE BOMBEABILIDAD DEL CEMENTO API CLASE A
Agua --------- 5.2 gal/sx
Densidad de la lechada----------15.6 lb/gal
Cloruro de sodio API prueba de cementacion de cañeria para la simulación de fondo de pozo
(%) 1 000 2 000 4 000 6 000
0.0 4:30 4:12 2:30 2:25
2.0 3:05 2:27 1:52 1:13
4.0 3:05 2:35 1:35 1:20
SILICATO DE SODIO.- el silicato de
sodio es utilizado principalmente para
acelerar las lechadas de cemento que
contienen carboximetil hidroxiyetil
celulosa retardante
CEMENTOS CON DISPERSANTES
Y AGUA REDUCIDA.-las lechadas
de cemento pueden ser aceleradas
por densificación. Esto está hecho
por adición de reductores de fricción y
una suma amenazadora de mezcla
de agua.
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La lechada que se densifica
comúnmente es la de API clase A , G
o H con 0.75 a 1.0 % de dispersantes
mezclados a 17.5 lb / gal a una
relación de agua de 3.4 gal/sx
cuando la lechada es usada para la
desviación de un tapón la adición de
15 lb a 20 lb de arena por saco de
cemento mezclado a 18 lb /gal con la
misma relación de agua puede
producir una fuerza temprana
elevada. El largo tiempo de
bombeado es necesario por la
temperatura y la profundidad retardan
lo que podemos usar. En general la
lechada puede conseguir una relativa
fuerza buena dentro de 8 horas esta
designado a una temperatura de
fondo de pozo cuando se designa un
tiempo de bombeo de 1:30 a 2 horas
la información indica el tiempo de
sedimentación o la densificación del
cemento.
AGUA DE MAR el agua de mar es
usada extensivamente para la mezcla
de la lechada de cemento en zonas
marinas. Esto contiene arriba de
23000 ppm de cloruro que actúa
como acelerador. El agua de mar de
las áreas abiertas del océano o el
océano es muy uniforme como sea,
porque puede ser diluida por aguas
frescas de los ríos, agua de mar
cerca de la orilla puede no producir la
aceleración deseada.
El efecto del agua del océano
después del tiempo de sedimentación
y las fuerzas compresivas de la
lechada de clase A y H de cemento
comparada con esta agua frescas
están mostrados en la tabla. Donde
las temperaturas de fondo de pozo es
estática excede los 160ªF la lechada
de cemento mezclada con el agua de
mar deberían ser convenientemente
retardantes.
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EFECTO DEL CLORURO DE SODIO DESPUES
EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESION DEL CEMENTO CLASE API A
Agua ----5.2 gal/sx
Densidad de la lechada--------15.6 lb/gal
Fuerza compresiva (psi) de temperatura y tiempo indicado
Cloruro de sodio 80ºF-0psi 95ºF-800psi 110ºF-1600psi
(%) 12 24 48 12 24 48 12 24 48
0 405 1.930 3.920 1.065 2.710 4.820 1.525 3.680 5.280
2 960 2.260 3.250 1.590 3.200 3.900 2.600 3.420 4.350
4 1.145 2.330 3.500 1.530 3.150 3.825 2.575 3.400 4.125
PROPIEDADES DEL YESO (SEMIHIDRATADO) Y
YESO / CEMENTO CLASE A
Yeso semihidratado-------------100lb
Agua 4.8 gal/sx
Densidad 15 lb / gal
Volumen 9.3 gal
Tiempo de frague 60 a 180 ºF 50 a 60 minutos
Fuerza 1 hora después del frague 2500 psi
50 / 50 yeso / API cemento clase G
agua 5 gal/sx
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densidad 15.3 lb/gal
tiempo de frague 12 a 20 minutos
tiempo de depositacion a 80ºF 0:23
fuerza compresiva 70ºF
2 horas 685
4 horas 725
8 horas 730
24 horas 1.080
EFECTO DE DENSIFICACION EN TIEMPO DE BOMBEABILIDAD
DEL CEMENTO API CLASE G
Agua dispersante densidad de la lechada volumen de la lechada Tb
(gal /sc) % lb/gal Pie3/sc hr:min
5.20 ------- 15.6 1.18 2:15
3.78 1.0 17.0 0.99 1:40
3.38 1.0 17.5 0.93 1:15
ANALISIS DEL AGUA DE MAR
Compuestos golfo de mexico alaska trinidad golfo persico golfo de suecia
isla sable
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Cloruro 19.000 16.600 19.900 23.000 22.300
18.900
Sulfatos 2.500 2.000 2.400 3.100 3.100
2.260
Bicarbonatos 127 140 78 171 134
140
Carbonatos 12 0 27 24 11
Sodio y potasio 10.654 9.319 11.170 13.144 12.499
10.690
Magnesio 1.300 1.080 1.300 1.500 1.570
1.199
Calcio 400 360 408 520 464
370
Solidos disueltos 33.993 29.499 35.283 41.359 40.078
33.559
PH 8.2 8 8.3 8.2 8.2
7.3
Gravedad especifica 1.026 1.023 1.027 1.031 1.03
1.022
Temperatura ºF 75 71 70 74 75
Las concentraciones en mg/lt
ADITIVOS LIVIANOS
Lechada de cemento, cuando es
preparada con API cementos de
clase A , B, G, O H usando la medida
recomendad de agua , tendremos
una densidad de la lechada con 15lb /
gal de exceso.
Muchas formaciones no soportan las
largas columnas de cemento de esta
densidad. Consecuentemente los
aditivos son usados para disminuir la
densidad de la lechada. Los aditivos
también se crean para hacer que la
lechada sea más barata, incremente
el rendimiento de la lechada, y
algunas veces para bajar la perdida
de filtrado. La densidad de las
lechadas de cemento puede ser
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reducida agregándole agua, o
agregando sólidos de baja gravedad
específica, o agregándole ambos.
Los materiales usados en los
cementos con aditivos livianos están
mostrados en la tabla en orden de su
efectividad.
BENTONITA.- bentonita-sodio
montmorillonita-es una arcilla coloidal
de wyoming y sur de Dakota. Imparte
propiedades de viscosidad y
tixotropía para agua fresca por
elevación de unas 10 veces su
volumen original. Bentonita ( o gel)
fue uno de los primeros aditivos
usado en los cementos de los pozos
petroleros para bajar la densidad de
la lechada e incrementar su volumen .
Las especificaciones del API para la
bentonita para su uso en cementos
esta dad en la tabla. La bentonita
puede agregarse a cualquier clase de
cemento en concentraciones de 1 a
16wt% de cemento.cuando la mezcla
seca con el cemento requiere
aproximadamente 1.3 gal de agua por
cada 2% de bentonita. El efecto de
1% de pre hidratación de bentonita es
lo mismo que 3.5 wt% de mezclado
seco. Con 8 a 12 % de gel de
cemento , dispersantes son algunas
veces usados para reducir la
viscosidad y obtener flexibilidad en la
cantidad de agua que debemos usar .
los efectos de la bentonita en la
composición y propiedades de la
lechada de cemento clase H están en
la tabla.
La bentonita es usada en la
formulacion de las siguientes clases
de cementos:
1.-mezclado de gel y cemento
2.-bentonita premezclada
(prehidratada)
3.-cemento modificado
4.-gel elevado de cemento de sal
los altos porcentajes de bentonita en
los cementos reducen la fuerza
compresiva y el tiempo de
sedimentación de ambos
regularmente y retardan los
cementos. Bentonita y el agua
también disminuyen la resistencia a
ataque químicos de las formaciones
de agua .
Desde que las especificaciones del
API para ambos las clases API de
cementos y la bentonita establecen
solo requerimientos mínimos, las
propiedades de diferentes marcas
o diferentes cantidades de la
misma marca de cada cemento o
bentonita pueden variar.
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COMPARACION DE EFECTOS DEL AGUA DE MAR Y AGUA FRESCA EN TIEMPO DE BOMBEABILIDAD Y
RESISTENCIA A LA COMPRESIVA DE LOS DE CEMENTO API CLASE A Y H
Relación de agua 5 gal / sx
Tiempo de curado 24 horas
Tiempo de bombeabilidad Resistencia a la compresión psi
A fondo de pozo presión y temperatura de curado
API cemento clase A 6 000 8 000 0psi-50ºF 1600psi-110ºF
3000psi-140ºF
Agua fresca 2:25 1:59 435 3.230
4.025
Agua de mar 1:33 1:17 520 4.105
4.670
API cemento clase H
Agua fresca 2:59 2:16 380 1.410
2.575
Agua de mar 1:47 1:20 460 2.500
3.085
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Tabla 3.10 – Resumen de aditivos alivianadores de cemento.
Tipo de material Cantidad usualmente usada
Bentonita 2 al 16 %
Tierra diatomeas 10,20,30, y 40%
Gilsonita 1 a 50 lbs / sc de cemento
Carbón 5 a 50 lb/sc de cemento
Perlita expandidad 5 a 20 lb /sc de cemento
Nitrógeno 0 a 70% depende de la presión y
temperatura
Microesfera 1 a 104 lb / saco de cemento
Puzzolana 74 lb/sc de cemento
Silicato de sodio 1 a 7.5 lb /saco cemento
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Bentonita prehidratada. Donde el
equipamiento a granel no es
disponible para la mezcla seca,
puede ser necesario añadir bentonita
a el agua (esto es pre hidratación).16
(Ver fig. 3.3B) El gel puede
prehidratarse en casi 30 minutos al
menos que sea mezclado con un alto
esfuerzo de corte tipo mezclado (en
cualquier caso es mejorar más este
máximo rendimiento en menos de 5
minutos). Dejando el gel a prehidratar
por 24 horas antes de añadir cemento
puede incrementarse la separación
de agua libre de la lechada.
Cementos modificados. “Cementos
modificados” son compuestos de
regular cemento Pórtland, de 8 a 25%
de bentonita, y dispersante de
lignosulfonato de calcio.13 Para más
detalles de la composición y
propiedades, ver las tabla 3.13.
La función del lignosulfonato de calcio
en alto gel en una lechada de
cemento es de dispersante y
retardador. En adición a alivianar,
bajo costo, e incremento de
rendimiento, la lechada de cemento
modificada tiene una baja perdida de
filtrado proveía por la mezcla de
cementación por tandas usando un
alto porcentaje de esfuerzo y no
están mezclados a través de los
inyectores de mezclado estándar. Los
cementos modificados son usados
primordialmente para terminación
permanente de pozos y múltiples
columnas de terminación.
Las clases de cemento API D y E no
son recomendados para la
preparación de cementos modificados
ya que contienen dispersante de
lignito, el cual es un químico
retardador.
Cementos salados con alto gel.
Cementos salados con alto gel 15
consiste de cemento Pórtland, de 12
a 16% de bentonita, 3,0 a 7,0% de
sales inorgánicas (cloruro de sodio,
preferiblemente), y 0,1 a 1,5 % de
agente
dispersante (lignosulfonato de calcio).
La sal actúa tanto como acelerador y
dispersante, y el lignosulfonato
provee retardación y dispersión. Al
hacer disolver la sal mezclándola con
agua es más efectivo. La
composición y propiedades de la
comúnmente usada en cementos
salados con alto gel están expuestos
en la tabla 3.14. Porque las
propiedades del dispersante tanto de
sal y retardador, las lechadas de
cementos salados con alto gel son
muy bombeables fácilmente sin
embargo la relación de agua
recomendada es generalmente baja
que está usualmente asociada con lo
anteriormente mencionado de
cantidades de bentonita (12 a 16%).
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Tierra diatomea. La tierra de un
grado especialmente diatomea puede
ser usada para hacer cementos
livianos, porque este requiere de un
alto porcentaje de agua, este dará a
conocer alrededor de las mismas
propiedades de los cementos que
contendrán bentonita, pero es mucho
más caro. Es inútil en los estratos en
el hecho de que cuando es usado en
altos porcentajes no incrementa la
viscosidad de la lechada como lo
hacen las arcillas expansivas como la
bentonita. La tabla 3.15 da una lista
de las propiedades de las lechadas
de cemento obtenidas con tierra
diatomea.
Gilsonita. En una lechada de
cemento, la gilsonita actúa como
aditivo alivianador y como único
agente de pérdida de circulación (ver
sección 4.9 para adelantar la
discusión de la perdida de circulación
y la figura 3.3C). la gilsonita es una
asfaltita natural que está inerte en las
lechadas de cemento 18. Está
graduada en partículas finas desde ¼
de pulgada. Cuando está seca
presenta una densidad de 50
lbm/pie3, requiere agua de casi 2
gal/pie3, y tiene una gravedad
específica de 1,07. Porque de esta
baja gravedad específica, la gilsonita
es especialmente buena para reducir
la densidad. También, a diferencia de
la perlita, no absorbe agua bajo
presión.18,19 El cemento gilsonítico,
por lo tanto, tiene alta resistencia a
algunas
que otras series de cemento del
mismo peso de lechada conteniendo
otras viables ligeras o aditivos de
control de pérdida de circulación. La
gilsonita no hace significantes
cambios al tiempo de bombeo que de
las demás clases de cemento API.
Datos en la tabla 3.16 muestra la
composición y propiedades de las
lechadas de cemento gilsonítico
preparadas con cementos clase A,B o
G.
Perlita expandida. La perlita es un
material volcánico que es minada,
triturada, tamizada y expandida con
calor se forma un producto celular de
extremado bajo peso de volumen.
Estuvo originalmente manufacturado
por creación de concreto liviano.
Entonces es usado en cementos para
pozos
de petróleo, normalmente con una
pequeña cantidad de bentonita (2 a
6%) para ayudar a prevenir la
segregación de partículas de perlita
conteniendo abierto y cerrados los
poros y matriz. Descendiendo de las
paredes del pozo, los pozos abiertos
colmados con agua y algunos poros
aglomerados, errados y llenos con
agua. La densidad final depende de
cuantos poros permanecen cerrados
y de cuanta agua es inmovilizada en
los poros abiertos. Porque de esta
agua presa, las lechadas de cemento
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 89
contienen perlitas son mezcladas con
fuerza que aparecen en excesiva
cantidad de agua que permite que la
lechada de cemento permanezca
bombeable bajo las condiciones del
pozo.
Nitrógeno. Es usada adelante del
cemento para ayudar a reducir la
presión hidrostática en el fondo del
pozo durante la cementación (1)
introduciendo el nitrógeno dentro del
flujo del lodo de perforación delante
de la lechada, (2) parando la
circulación e introduciendo un “slug”
de nitrógeno cuando el pozo está
lleno de lodo circulando, o (3)
introduciendo en nitrógeno en el
sistema de cementación que en
etapas separadas a la espuma a la
lechada la hace más liviana.
Las lechadas de cemento espumoso
con nitrógeno proporciona suficiente
resistencia compresiva mientras que
ayudando a evitar un “fallback”
(rompimiento del cemento en las
formaciones débiles que es un
resultado del alto peso de la columna
de cemento) y perdida de circulación
(cemento fluyendo en los canales de
la fractura o zonas permeables y no
extendiéndose hacia la superficie).
El cemento espumoso es creado
cuando un gas es química y
físicamente estabilizado dentro de
una lechada de cemento ordinaria.
Para la lechada usada la espuma
debe contener un alto pH tolerante a
espumante surfactante y espuma
estabilizadora y tener que transportar
continuamente un mecanismos
efectivos produciendo espuma esta
imparte la suficiente energía y
mezclado con gas presurizado a
preparar con burbujas de gas del
tamaño correcto. La cualidad de la
lechada de cemento espumosa
depende de la profundidad del pozo,
temperatura, y densidad deseada en
el fondo del pozo.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 90
La configuración Job-site, es casi la
misma para un trabajo de
cementación regular. El generador de
espuma esta insertado a la línea de
descarga de la lechada que está
conectada a la boca de pozo, y la
unidad de nitrógeno está conectado
al generador de espuma. La lechada
de cemento es mezclada en una
manera normal, y surfactantes
espumosos y estabilizadores son
inyectados en la lechada esta es
sacada por la bomba de
desplazamiento del camión.
El cemento espumado puede
ser usado como un cemento primario
o como un cemento de recuperación
para llenar las zonas de pérdidas de
circulación o reparar cañerías
dañadas donde el flujo de la salmuera
ha corroído cañerías sin
cementación. Densidades tan bajas
como 6.0 lb/gal son alcanzables
usando nitrógeno como agente
espumante. Mientras que el cemento
nitró-geno-espumoso es usado
principalmente para control de
densidad de fondo de pozo, también
provee buenas propiedades de
aislación. (Tabla 3.17 y fig. 3.6)
Micro-esferas de alta resistencia.-
Las micro-esferas de alta resistencia
o burbujas de vidrio pueden ser
añadidas al sistema de cementación
para producir lechadas con
densidades tan bajas como 8.0
lbm/gal.25-27 Estas lechadas pueden
desarrollar una resistencia a la
compresión adecuada para
temperaturas debajo de 60°F como
también puede proveer buenas
propiedades de aislación. (Fig. 3.7)
Las aplicaciones para las micro-
esferas son (1) pozos termales que
requieren una mínima densidad de
los componentes del cemento con
efectivas propiedades de aislación;
(2) formaciones incompetentes sobre
y fuera de la costa requieren
densidades de cemento menores que
11 lbm/gal; (3) formaciones frías (28 a
80°F) que necesitan densidades
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 91
mínimas de cementación; y (4)
rellenado de plataforma marina.
La mezcla de micro-esferas consiste
de esferas de diámetro pequeño,
huecas, inorgánicas y fundidas
compuestas en su mayoría de
silicona y óxidos de aluminio. La
ligereza del aditivo deriva de la
encapsulación de aire en las esferas;
las resistencias a la compresión de
lechadas con micro-esferas están en
exceso de 6,500 psi.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 92
Las propiedades de las lechadas con
micro-esferas de concentraciones variables
en cementos API clase H se encuentran en
la Tabla 3.18 y 3.19.
3.4 ADITIVOS DE LA BARRA PESADA
Para contrarrestar presiones altas
frecuentemente encontradas en pozos
profundos, son requeridas lechadas de
cemento de alta densidad. Para
incrementar la densidad de la lechada de
cemento, un aditivo debe (1) tener una
gravedad específica en el rango de 4.5 a
5.0, (2) tener un bajo necesidad de agua,
(3) no reducir significativamente la
resistencia del cemento, (4) tener muy poco
efecto en el tiempo de bombeabilidad del
cemento, (5) mostrar un rango uniforme de
tamaño de partícula de serie en serie, (6)
ser químicamente inerte y compatible con
otros aditivos, y (7) no interferir con los
registros de pozos.
Los materiales más comunes usados para
aumentar el peso del cemento se
encuentran en la Tabla 3.20. Por esto las
hematitas han sido las más usadas por
acomodarse mejor a los requerimientos y
alcanzar la gravedad específica efectiva
más alta. Las propiedades específicas de
estos agentes y las cantidades requeridas
para obtener un peso específico están
dadas en la Tabla 3.21.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 93
TABLA 3.20 - ADITIVOS DE CEMENTOS
PARA CEMENTOS PESADOS
Cantidad usada
Material (wt% de cemento)
Hematita 4 a 104
Ilmenita 5 a 100
Baritina 10 a 108
Arena 5 a 25
Sal 5 a 16
Cementos con dispersantes
y agua reducida 0.05 a 1.75
TABLA 3.18 - PROPIEDADES DE MICRO-ESFERAS EN CEMENTOS API CLASE H
Conductividad
Densidad a Yield a termal k
Micro-esferas Agua 2,000 psi 2,000 psi (BTU/hr-pie-°F)
(lbm/saco) (Gal/saco) (lbm/gal) (cu pies/saco) Húmedo Seco
0 4.3 16.4 1.06 0.75 -
15 5.0 14.0 1.43 0.47 0.19
35 6.8 12.0 2.06 0.40 0.16
53 8.9 11.0 2.68 0.38 0.13
82 13.5 10.0 3.86 0.31 0.13
104 17.5 9.5 4.83 0.24 0.12
145 25.8 9.0 6.73 0.23 0.08
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 94
TABLA 3.19 - DENSIDAD EFECTIVA DE LAS MICRO-ESFERAS
EN LA LECHADA DE CEMENTO PARA VARIAS PRESIONES
Volumen Volumen
Presión Densidad Absoluto Presión Densidad Absoluto
(psi) (g/mL) (gal/lbm) (psi) (g/mL) (gal/lbm)
atm 0.603 0.1991 10000 1.052 0.1141
400 0.660 0.1818 12000 1.085 0.1106
1000 0.698 0.1720 15000 1.153 0.1041
2000 0.743 0.1615 17500 1.221 0.0983
4000 0.817 0.1470 20000 1.311 0.0916
6000 0.905 0.1326 22500 1.335 0.0899
8000 0.987 0.1216 - - -
3.5 RETARDADORES DE CEMENTO
En las perforaciones actuales, las
temperaturas de fondo de pozo de
170 a 500°F o más se encuentran
sobre un rango de profundidad de
6,000 a 25,000 pies. Para prevenir
que el cemento fragüe muy rápido,
deben ser añadidos retardadores
para preservar las lechadas de
cemento, que pueden ser colocadas
de manera segura hasta solo 8,000
pies. La creciente temperatura
acelera el fraguado más que la
creciente profundidad (presión). Los
retardadores deben ser compatibles
con varios aditivos usados en
cementos como también con el
mismo cemento.
Los retardadores en cementos
comercialmente hábiles (Clases D y E
por ejemplo) están compuestos tales
como “lignins” (sales de ácidos
lignosulfonicos), gomas, almidón,
ácidos orgánicos débiles, y derivados
de celulosa. Algunas veces estos
retardadores no son totalmente
compatibles con retardadores
añadidos por las compañías de
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 95
servicio, por lo que los cementos
deben ser probados antes de ser
usados. Este es un problema de
compatibilidad que induce al
desarrollo de los cementos API
clases G y H, que no tienen permitido
contener retardadores químicos
cuando son fabricados. Estos
cementos básicos pueden ser usados
en 8,000 pies inicialmente, y
responder bien a los retardadores
para usarlos en profundidades tan
grandes como 30,000 pies.
Retardadores Lignin. Los
retardadores lignin – Lignosulfonados
de calcio y lignofulfonados de sodio y
calcio – son derivados de la madera.
Estos son generalmente usados por
encima de un rango de 0.1 a 1.0 wt %
de un saco de cementos de 94-lbm
(Tabla 3.23).
Los retardadores lignin han sido
usados muy exitosamente retardar
todas las clases de cementos API en
profundidades de 12,000 a 14,000
pies o en rangos de temperatura de
fondo de pozo de 260 a 290°F. (Ver
Tabla 3.24) Estos también han sido
usados para incrementar la
bombeabilidad de los cementos API
clase D y E en pozos de altas
temperaturas (300°F y más altas),
pero para este propósito no son tan
efectivos como los lignosulfonados
modificados con ácidos orgánicos.
Carboxymethyl Hydroxyethyl
Cellulose (CMHEC). (CMHEC), un
derivado soluble de madera, es un
retardador altamente efectivo.28
Puede ser usado en
concentraciones arriba de 0.70%
sin la adición de agua extra para
controlar la viscosidad de la
lechada. Por lo tanto, debe ser
añadido de 0.8 a 1.0 gal de agua
por saco de cemento por cada por
ciento de retardador usado. El
rango de uso es usualmente de 0.1
a 1.5 wt % de la composición
básica de cementación, incluso
una concentración más alta puede
ser necesaria para retardar a altas
temperaturas sobre 300°F.
CMHEC es compatible con todas
las clases de cementes API, tanto
para retardar y, en algunos
lugares, para controlar pérdida de
fluidos.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 96
TABLA 3.21 - INFORMACION DE VARIOS MATERIALES
PARA AL AUMENTO DE PESO DE LOS CEMEMENTOS API
CLASES D, E o H
Comparacion de cantidades requeridas
Libras por Saco de
Cemento
Pes de lechada Arena Hierro
(lbm/gal) Hematita Baritina Ottawa Arsenate
16.2 - - - -
17.0 12 22 28 12
17.5 20 37 51 21
18.0 28 55 79 31
18.5 37 76 - 41
19.0 47 108 - 52
Propiedades Físicas
Gravedad específica 5.02 4.23 2.65 6.98
Requerimiento de agua
(por ciento de agua) 3 22 0 19
Gravedad específica
efectiva con agua 4.49 2.67 2.65 3.57
Volumen absolute de
aditivo y agua
(gal/lbm) 0.0275 0.0548 0.0456 0.0400
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 97
Agua salada saturada. El agua
saturada con sal y
Mezclada con cemento seco provee
suficiente bombeabilidad para colocar
cementos API clase A, G o H en
profundidades de 10,000 a 12,000
pies y temperaturas de 230 a 260°F.
(Ver Fig. 3.8)
Para cementar a través de secciones
de sal, las lechadas están
generalmente saturadas con sal, pero
para muchas arcillas y arenas
bentoníticas que son sensibles al
agua fresca, usualmente son
adecuadas más baja concentración
de sal.29,30
3.6 ADITIVOS PARA CONTROLAR
LA PERIDAD DE CIRCULACIÓN
La “pérdida de circulación” (algunas
veces llamadas “pérdidas de retorno”)
son definidas como la pérdida por
fracturas inducidas de casi todos los
fluidos de perforación o lechadas de
cementos usadas en perforación o
cierre de pozo.31-33 Esto no debería
ser confundido con el decrecimiento
del volumen resultado de filtración, o
el volumen requerido para rellenar un
pozo nuevo. Usualmente hay dos
pasos para combatir la pérdida de
circulación.34-36 El primero es reducir
la densidad de la lechada, y el
segundo es añadir un material puente
o taponante. Otra técnica es añadir
nitrógeno al sistema de lodo. Para
mayor información de materiales para
controlar la pérdida de circulación, ver
Tabla 3.25.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 98
3.7 ADITIVOS DE CONTROL DE
FILTRACIÓN PARA CEMENTO
La perdida de filtrado (ver
sección 4.15) de lechadas de
cementos es reducida con aditivos
para (1) prevenir la deshidratación
prematura o perdida de agua en
zonas porosas, particularmente en
cementaciones de LINERS, (2)
proteger formaciones sensibles, y (3)
mejorar cementación forzada. Una
lechada pura de cementos de clase
API G o H tiene unos 30 minutos de
pérdida de filtrado API en exceso de
1000 cc
Las funciones principales de
los aditivos de control de filtración son
(1) formar películas, las cual
controlan el flujo de agua de la
lechada de cemento y previenen la
rápida deshidratación, y (2) mejorar la
distribución del tamaño de las
partículas las cuales determinan
cuanto cemento liquido es retenido o
atrapado en la lechada (ver tabla 3.26
para una lista de Aditivos de control
de filtración en uso corriente)
Los dos materiales de
control de filtración más
ampliamente usados son
polímeros orgánicos
(celulosa) y reductores de
fricción.
El alto peso molecular de los
compuestos de celulosa producirá
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 99
baja perdida de agua en todos los
tipos de composiciones de
cementación a concentraciones de
0.5 a 1.5 % en peso (ver tabla 3.27).
El requerimiento de agua, sin
embargo, puede haber sido ajustado
para producir la viscosidad deseada;
i.e.., Un cemento API clase A
requerirá 5.6 en vez del usual
5.2galones de agua por saco.
Los dispersantes, o reductores
de fricción, son comúnmente
agregados a lechadas de cementos
para controlar la perdida de filtrado
por dispersión y empacamiento de las
partículas de cemento y de esta
manera densificando la lechada. Esto
es especialmente efectivo cuando la
relación agua cemento es reducido.
El efecto que la densificación de la
lechada de cemento tiene sobre su
pérdida de filtrado es mostrado en la
tabla 3.28
3.8 CEMENTOS DISPERSANTES, O
REDUCTORES DE FRICCION.
Los agentes dispersantes son
agregados a las lechadas de
cementos para mejorar su propiedad
de flujo. Las lechadas dispersadas
tienen bajas viscosidades y pueden
ser bombeadas en turbulencia a
bajas presiones, por eso minimizando
los horsepower y reduciendo los
cambios de pérdida de circulación y
deshidratación prematura. Los
dispersantes bajan el punto cedente y
la resistencia de gel de la lechada
(tabla 3.29 lista algunos dispersantes
comúnmente usados; tabla 3.30
ilustra el efecto de los dispersantes
en la rata de flujo critico – la rata de
flujo requerido para alcanzar
turbulencia – de la lechada.).
Los dispersantes comúnmente
adheridos a lechadas de cementos
son polímeros, agentes de pérdida de
fluido en cemento gel, y sal (cloruro
de sodio). Estos son usados a baja
temperaturas porque retardan el
cemento solo adelgazado. (Ver tabla
3.31) lignosulfonatos de calcio –
mezclas de ácidos orgánicos –
retardan substancialmente y son
generalmente usados a altas
temperaturas.
POLÍMEROS (DISPERSANTES, O
ADELGAZANTES).
Los manufacturados en forma
de polvo producen propiedades útiles
y poco usuales en los cementos
especiales. Estos no
significantemente aceleran o retardan
muchas lechadas, pero estas reducen
notablemente la viscosidad aparente
(ver figura 3.9). Son bien adecuados
por encima a un rango de
temperatura de 60 a 300 °F. A pesar
de su propiedad de reducción de
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 100
viscosidad, los polímeros causan
excesiva separación de agua libre o
asentamiento de partículas de
cemento de la lechada salvo usados
en excesiva cantidad. Son
compatibles con casi todos los tipos
de cementos especiales excepto
aquellos que contengan altas
concentraciones de sal. Si bien los
polímeros adelgazan tales lechadas
inicialmente y parecen ser efectivas,
son incompatibles con la sal, las
cuales pueden causarse el flocular, y
después de 10 o 20 minutos de
mezclado causan un rápido
incremento en la viscosidad.
SAL (CLORURO DE SODIO).
Sal común, en adición para
actuar como un agente densificante,
un acelerador, y un retardador puede
también actuar como un adelgazante
(dispersante) en muchas
composiciones de cementación
(figura 3.10). Esta es especialmente
efectiva para reducción de la
viscosidad aparente de las lechadas
que contienen bentonita, diatomita, o
pozzolanas.
3.9 USOS DE CEMENTOS DE SAL.
La sal es usada en lechadas
de cemento para unir el conjunto de
cemento más firmemente a las
secciones de sal. (Figura 3.11), y
lutitas y hacer que el conjunto de
cemento se expanda. Las muestras
en la figura 3.11 muestran que la
lechada de agua fresca ha disuelto
parte de sal evitando un enlace entre
la roca y el cemento y ensanchando
el hueco. Donde la lechada saturada
de sal ha sido usada, los enlaces han
sido conseguido y el hueco no ha
sido ensanchado. Esta ilustrado que
en cementación a través de
secciones de sal, mejores resultados
pueden ser conseguidos con la
cementación y para prevenir puente
anular y la pérdida de circulación que
pueda resultar (figura 3.12) una lutita
que es sensible al filtrado de cemento
puede en realidad llegar a ser tan
blanda siendo humedecida antes los
conjuntos de cementos que fluirán,
creando canales atrás de la funda de
cemento de una perforada a otra. Las
lechadas de cementos que contienen
5 a 20% de sal han probado efectiva
en el campo en la minimizando
derrumbamiento y canalización de la
lutita (un análisis de un filtrado típico
de lechadas de cemento salida es
dada en la tabla 3.32).
Cuando el agua salada es
mezclada con cemento, algunas
veces ocurre espumado, haciendo
difícil controlar el peso de la lechada
y el volumen. Esto puede ser evitado
con la adición de agentes
antiespumantes al agua de mezcla o
por mezclado seco de sal con el
cemento. El mezclado seco también
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 101
elimina residuos en el control de sal
en el pozo.
El uso de sal seca en lechada
de cementación produce efectos
similares en las propiedades de
cemento de todas las clases API y en
aquellos cementos pozzolanicos y
cementos bentoniticos.
Aunque la sal generalmente usada es
cloruro de sodio, el cloruro de potasio
es también usado (ver tabla 3.33), y
en algunos casos puede ser más
efectivo en bajas concentraciones.
Esta no tiene significantemente
diferentes efectos en las lechadas de
cementos excepto en altas
concentraciones, donde la viscosidad
de la lechada se vuelve excesiva.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 102
Tabla 3.34 – Aditivos Especiales de cementacion
ADITIVO
DECONTAMINANTES DE LODO
FLUOR SILICA
TRAZAS RADIOACTIVAS
INDICADORES
HIDRACINA
FIBRAS
GYPSUM
CANTIDAD RECOMENTADA
1.0% *
30 – 40%*
variable
0.1 a 1%* 0.2 6gal/1000bbl de lodo
0.3 0.125 a 0.5%* 0.4 4 a 10%*
*Porcentaje sobre el peso del cemento
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Pet-219 Arturo López G. Página 103
Tabla 3.35 – Permeabilida del cemento API clase H hidratado
Tiempo de Curado: 3 dias a 320°F Tiempo de Curado: 28 dias a
320°F
Silica
%
Bentonita
%
Hematita
%
Resistencia a la
comprensibilidad
PSI
Permeabilidad
md
Resistencia a la
comprensibilidad
PSI
Permeabilidad
md
0
20
30
40
0
30
40
0
30
40
0
0
0
0
4
4
4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
28
45
50
2.165
9.950
8.325
8.165
590
4.275
3.750
2.205
9.905
8.525
0.031
0.001
0.001
<0.001
0.548
<0.001
<0.001
0.030
<0.001
<0.001
2590
5.450
5.390
11.330
370
3.050
4.140
1.600
4.015
8.450
4.580
<0.001
<0.001
<0.001
9.720
<0.001
<0.001
3.890
<0.001
<0.001
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Pet-219 Arturo López G. Página 104
ADITIVOS ESPECIALES PARA
CEMENTACIÓN:
Los aditivos usualmente utilizados
en las lechadas de cemento están
listados en la tabla 3.34
Decontaminantes del lodo:
El formaldehído o una mezcla de
formaldehído y cromato de sodio
son algunas veces usadas para
minimizar el efecto de retardo de
cementación de varios químicos
agregados al lodo de perforación en
el evento la lechada de cemento
llega a contaminarse al mezclarse
con el fluido de perforación.
Un descontaminante de lodo
consiste en una mezcla de 60:40 de
formaldehído y cromato de sodio
que neutralizan ciertos químicos del
lodo. Este efecto se presenta frente
a tan, lignitos, almidón, celulosa,
lignosulfonato, lignosulfonaro de
hierro y cromo, lignitos de cromo y
lignosulfonato de cromo.
Los descontaminantes del lodo son
usados primordialmente en pozo
abierto, de trabajos de playback y
trabajos de linner, para cementación
secundaria y para la finalización de
una cementación primaria.
Fluor silicato:
Silicato fino o fluor silicato es
usualmente utilizado en la
composición del cemento para
ayudar a prevenir una pérdida de
resistencia. Investigaciones han
demostrado que si se excede a
temperaturas de los 230 °F todos los
cementos manufacturados pierden mucha
de su resistencia a la compresibilidad; y a
la más alta temperatura el mejor de los
cementos pierde su resistencia.
Esta pérdida de resistencia, la cual es
acompañada por un incremento en la
permeabilidad, es causada por la
formación de un elevado hidrato de silicato
cálcico en el cemento posicionado..
Añadiendo una rata máxima de agua,
materiales tales como la bentonita
aceleran la perdida de resistencia.
El fluor silicato puede ser adherido a
todas las clases de cementos API, para
prevenir la perdida de resistencia con
el tiempo y las altas temperaturas.
La cantidad optima de silica para controlar
la resistencia es de 30 a 40%, el fluor
silicato (-200 mesh) necesita / requiere un
40% de agua. (40 lbm, o 4.8 galones de
agua por cada 100 lbm de fluor silicato).
Donde se requiere lechadas pesada (17 –
20 LPG), silicatos gruesos tienen un rango
de tamaño particular entre –50 hasta +150
mesh son frecuentemente requeridos.
Tabla 3.37 – Indicadores o pigmentos
para colorear el cemento
Material 5
usado
Agua /
cemento
Contacto
color
Lechada
de
cemento
color
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Indicadores
Fluorescente
Phenoftaleina
Azul de metilo
0.1
0.1
0.1
Verde
Rojo
violáceo
azul
verde
Violeta
azul
Pigmentos
Oxido negruzco
Oxido
amarillento
Oxido rojo
ferruginoso
0.1
0.1
0.1
Verde debil
Amarillo
debil
Rojo debil
Plomo
oscuro con
trazas
negras
Verde oliva
palido
Marron
claro con
lineas
anaranjado
Trazas radioactivas:
Las trazas radioactivas son
adheridas a las lechadas de
cemento como marcadores que
pueden ser detectados por registros
de pozo. Estas deben ser usadas
para determinar la localidad de los
topes de cemento y la calidad y
disposición de una cementación
secundaria.
Los isótopos comúnmente usados
para fondo de pozo tienen un rango
de vida de 8 a84 días. La selección
apropiada de la traza, el tiempo
requerido para retornar al pozo para
una reconocimiento – medición
puede ser programado.
Los isótopos radioactivos son controlados
en varias agencias de estados, y no
pueden ser usados indiscriminadamente.
Colorantes – marcadores de cemento:
Pequeñas cantidades de indicadores
pueden ser usadas para identificar un
cemento de la clasificación especifica del
API o un aditivo mezclado en la
composición del cemento.
Cuando los indicadores son usados en el
fondo de pozo, cualquiera de las dos, ya
sea una dilución y/o una contaminación de
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 106
lodo pueden oscurecer o nublar los
colores, haciéndolos inefectivos. En
la tabla 3.37 están listados alguno
de los materiales más usados como
aditivos indicadores.
Naturalmente al ocurrir una
oxidación mineral y/o los pigmentos
de color producidos
Sintéticamente deberían ser
sustituidos por los indicadores.
Para que sea efectivo, ellos deberán
ser cuidadosamente seleccionados
para dar una dispersión más
uniforme en el sistema.
La cantidad requerida depende del
tipo de pigmento y del color elegido.
Por ejemplo una dosis de pigmento
igual a 0.1 wt% del cemento
producirá el color deseado, pero
más color deberá ser agregado para
producir un contraste más profundo
más una contaminación en el fondo
del pozo podría ocurrir.
Hidracina
La hidracina es un aditivo usado
para tratar la columna de lodo
situada encima del cemento y
minimizar los problemas de
corrosión en la porción no
cementada del hoyo. Una libra de
hidracina (2.85 lbm del 35% de la
solución) es requerida para remover
1 lbm de oxigeno disuelto. La
Corporación Investigativo de
California recomienda usar 6
galones con una solución de 35%
de hidracina para 100 bbl de lodo.
Siendo la hidracina un removedor de
oxigeno esta debe ser manipulada con
extrema precaución.
Antes de realizar un trabajo con hidracina,
un adaptador especial debe ser colocado
en la boquilla de succión de la bomba
desplazadora para añadir y mezclar la
hidracina con el lodo de perforación para
ser bombeado inmediatamente al
cemento. En determinadas cantidades la
hidracina a ser utilizadas, el volumen de
lodo calculado teóricamente para colocar
detrás de la cañería deberá ser
incrementada en un 20%. La hidracina es
costosa ($), por lo tanto la cantidad a
utilizar deberá ser calculada
cuidadosamente. Como fuera, un exceso
de esta en el lodo no es físicamente
perjudicial. Luego de completar el trabajo,
las bombas, líneas y los contenedores
deberán ser inmediatamente lavados y
limpios con agua.
Fibra sintética en el cemento
Materiales de fibra sintética, como ser la
Fibra Tuf, son frecuentemente adheridos a
cementos en pozos petrolíferos en
concentraciones de 1/8 a ½ lbm por saco
para reducir el efecto de fractura miento o
una parcial destrucción de la perforación,
por esfuerzos en los portamechas u otras
fuerzas en el fondo de pozo. Los
materiales de fibra sintética transmiten los
esfuerzos localizados más frecuentemente
hacia fuera del cemento y esto provee una
resistencia al impacto y fracturamiento.
(Vea la figura 3.13). La fibra más utilizada
es el nylon. Esta tiene diversos grosores
desde 1plg, la cual es resistente, e imparte
un alto corte y esfuerzo de tensión.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 107
Aditivos Gypsum
Cerca de 4 a 10% de gypsum es
adherido a cualquier cemento
Pórtland para lograr – alcanzar:
1. una rápida selección para combatir la perdida en la circulación
2. una gelificacion o propiedades tixotrópicas y
3. expansión de las propiedades del cemento ya colocado
Añadiendo de 30 a 50% de gypsum
a cualquier cemento Pórtland
producirá un rápido colocado en 12
a 20 minutos siempre y cuando la
lechada este en circulación. Esto ha
sido efectivamente realizado para
sellar en zonas de pérdida de
circulación, en pozos someros
donde esfuerzos son necesarios
para dar estabilidad al hoyo.
Para formaciones inconsolidadas,
altamente permeables, fracturadas
o cavernosas, de 5 a 10% de
gypsum es adherido a la lechada de
cemento Pórtland ya que así se
causara una rápida gelificacion
cuando esta permanezca en un
estado estático. Esta propiedad
tixotrópica ayuda que la lechada
atraviese las formaciones
permeables. La lechada soportara
su propia columna de peso si la
circulación es detenida y luego no
se caerá hacia la zona de pérdida
de circulación. El gypsum es usado
principalmente en pozos con
profundidades menores a 600 pies.
Al añadir gypsum al cemento API
clase A, G, H en concentraciones de
3 – 6% el cual reaccionará con el
aluminato tricalcico y expandirá el cemento
ya posicionado. Estas propiedades de
expansión otorgan al cemento una
adherencia entre la tubería y la formación,
resultando un mejor sello frente al gas o
migraciones de fluidos hacia el anular. Una
expansión típica está ilustrada en la figura
3.15.
Aditivos tixotrópicos
Los aditivos tixotropicos son adheridos y
mezclados en la lechada de cemento para
tener una rápida gelificacion de dicha
lechada. Son usados para controlar
pérdidas de circulación, para prevenir
retrocesos, derrumbes en la columna del
anular y para minimizar una migración de
gas por una rápida u creciente fuerza de
gel. Él término tixotrópico es aplicado en
sistemas de cementación que adquieren
elevadas fuerzas de gel en cortos periodos
de tiempo sí el cemento esta en un estado
estático.
Los diferentes tipos de aditivos tixotrópicos
son los siguientes:
1. Orgánico: comprenden 2 sistemas que adquieren cualidades tixotrópicas por el entrecruzamiento de un polímero contenido en un aditivo de lodo perdido en la mezcla de cemento
2. Inorgánico: una débil vinculación entre una fina división, componentes cristalinos sólidos de la mezcla de cemento
Usualmente se le adhieren a estas
mezclas gypsum en un porcentaje de 5 a
8%, en los cementos API clase A o H.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 108
Mezclas adheridas para prevenir
una invasión de gas:
La adición de varios aditivos al
cemento está permitida para
prevenir la migración de gas durante
la colocación de la lechada de
cemento.
Investigaciones han demostrado
que detrás del cemento entre el
estado fluido y el estado ya
colocado se encuentra el factor de
control que permitirá la entra de
gas. Durante esta fase de transición
cualquier reducción de volumen
(causada por una hidratación del
cemento y pérdida de fluido hacia
formaciones permeables) y el
crecimiento – restitución del gel son
las causas principales de la perdida
de presión hidrostática asociada con
la columna de cemento.
Una vez esto sucede, el gas podría
entrar al anular si la presión
hidrostática hubiese sido reducida
hasta el punto donde el sobre
balanceo es perdido. Una gradación
de la densidad del cemento,
eliminación del agua libre, control de
pérdida de fluido, control de tiempo
de engrosamiento y mantenimiento
de la presión de fondo han sido
utilizadas con éxito limitado (menor
invasión de gas) para resolver
problemas de invasión de gas.
Los 3 métodos más utilizados para
prevenir o eliminar una invasión de
gas han sido a través del uso de
lechadas de cemento compresibles
(contenedoras de gas) y altamente
tixotrópicas, y el control de la
perdida de fluido conjuntamente con el
sistema de cementación.
Las lechadas de cemento compresibles
utilizan un aditivo que funciona
incrementando la comprensibilidad de la
lechada de cemento de modo que la
pérdida de volumen puede ser
parcialmente compensada por medio de la
expansión del gas entrante. Esto ayuda a
prevenir la reducción de la presión poral en
la lechada de cemento por debajo de la
presión de la formación gasífera. Durante
el estado de transición.
Las lechadas tixotrópicas están basadas
en lograr altas fuerzas de gel en cortos
periodos de tiempo. Cuando una lechada
altamente tixotrópica es usada, se
desarrolla rápidamente una fuerza estática
de gel que resulta en un único y pequeña
perdida de volumen y una correspondiente
perdida de presión. Luego el gas, no podrá
entrar y cortar hacia arriba el cemento
ubicado en el anular. Con el uso de la
lechada de cemento compresible y
altamente tixotrópica, una buena rata de
problemas de invasión de gas es resuelta
exitosamente.
El control de filtrado fue una de las
primeras consideraciones reconocidas
para minimizar el efecto de invasión de
gas. Cualquier pérdida de filtrado de la
lechada de cemento hacia el fondo del
pozo corresponderá a un decrecimiento de
la presión hidrostática. Esta pérdida de
filtrado es un contribuyente a la reducción
de volumen en fondo de pozo, resultando
en una reducción de volumen trayendo
una deshidratación de la lechada de
cemento frente a zonas altamente
permeables. Si este puente deshidratado
fue formado antes de la finalización del
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 109
tiempo de transición del cemento
puede proveer un bloque
presurizado que podría prevenir la
transición de presión hidrostática
arriba y al fondo del pozo.
Como resultado una invasión de gas
podría ocurrir. Al tiempo que el gas
fluye podría ocurrir con lechadas
que tuvieran una baja pérdida de
fluido evaluada cuando otros
métodos de prevención de invasión
del gas al anular son usados. Es
recomendable que cualquier
lechada a través de una zona de
deslizamiento potencial debería
tener una pérdida de fluido API con
una evaluación menor a 100 cm3
por cada 30 minutos o menos.
Espaciadores y lavadores:
Los espaciados y lavadores
conforman dos funciones
importantes en el proceso de una
cementación primaria:
1. minimizan la contaminación del cemento por fluido de perforación
2. Desplazan la el fluido de perforación de la porción de cemento en el anular una vez hecho esto una base competente de cemento puede formar un sello hidráulico efectivo.
Se pensaron en los términos que
son usualmente intercambiables,
espaciadores y lavadores no son lo
mismo. Un espaciador es usado
para separar fluidos incompatibles
(fluido de perforación y cemento),
pero es compatible con ambos. Un
lavador se corre inmediatamente
después que el cemento es colocado para
proveer un espacio eficaz y ligante.
Los espaciadores son en base aceite o
agua. Espaciadores base aceite son más
compatibles con algunos lodos de
perforación y no dañan el agua de las
arcillas y lutitas sensitivas, de todos
modos, el cemento se une mejor hacia las
formaciones húmedas con agua. La
mayoría de los espaciadores usados son
en base agua.
Los lavadores son líquidos de baja
viscosidad (base agua) usados para
proveer un desplazamiento eficaz. Ambas
agua fresca y agua de mar pueden ser
utilizadas y son efectivas como los
espaciadores químicos si la hidrostática
permite el uso de grandes volúmenes de
agua. Por que el agua no ofrece un grado
de control de pérdida de fluido y podría
causar daño en formaciones sensitivas, los
mejores lavadores son mezclas químicas:
1. Sistemas reactivos: critica rata de circulación baja , previene el retroceso en la cementación, ayuda a prevenir la perdida de circulación e imparte un sello hidráulico.
2. Dispersantes y surfactantes: rompen las fuerzas de gel del lodo y crean flujo turbulento
3. Lechadas de barrido – pequeñas mezclas, estas lechadas preparadas para la perforación para la lechada primaria.
Las siguientes consideraciones deben ser
aplicadas cuando se selecciona un
programa espaciador:
1. compatibilidad 2. tiempo de contacto 3. El resultado sobre la formación
húmeda con agua si se usara un espaciador / lavador.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 110
Un regla aceptada generalmente
para determinar las cantidades de
lavados químicos, espaciadores o
lavadores a usar es igual a la
cantidad para obtener 500 a 1000
pies de material en el anular.
Ordinariamente esto provee un
tiempo de contacto de 4 a 6
minutos, dependiendo del tamaño
del hoyo y la cañería y la rata de la
bomba. Si dos lavadores son
utilizados, la misma cantidad de
cada uno resultara en dos veces el
tiempo de contacto. Los volúmenes
luego pueden ser reducidos, si la
experiencia en el área especifica lo
indica. Básicamente, el propósito de
estos fluidos es el de separar
materiales incompatibles y ayudar a
controlar las presiones de
circulación manteniendo la
viscosidad de los fluidos uniformes.
Si un volumen muy pequeño es
utilizado, la mayor parte del podría
ser perdido en un entremezclado
normal en las interfaces del fluido
antes que el fluido abandone la
tubería, dejando una cantidad
infectiva del anular donde es
necesario.
SUMARIO
La tabla 3.38 es un sumario de los
aditivos de cementación más
comunes, sus usos y beneficios, y
los cementos a los cuales pueden
ser adheridos. La figura 3.18 nos
muestra lo mayores y menores
efectos de los aditivos sobre las
propiedades físicas del cemento,
mientras que la figura 3.19 muestra a
cuantificación de la mayores mezclas
utilizadas en los cementos.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 111
Tabla 3.38 – Sumario de Aditivos de cementacion de pozos petrolíferos
Tipo del
aditivo
Uso Composición
química
Beneficios Tipo de Cemento
Aceleradores Reducen del tiempo de WOC
Se colocan en la superficie de
la tubería
Se colocan en tapones de
cemento
Combaten perdida de
circulacion
Clorhidrato de calcio
Clorhidrato de sodio
Gypsum
Silicato de sodio
Dispersantes
Agua de mar
Colocación
acelerada
rápida y temprana
resistencia
Todas las clases
API
Puzonlanicos
Sistemas diesel
Retardadores Incrementan el tiempo de
engrosamiento para el
colocado
Reducen la viscosidad de la
lechada
Lignosulfonatos
Ácidos orgánicos
CMHEC
Lignosulfonatos
modificados
Incrementan el
tiempo de
bombeabilidad
Mejores
propiedades de
fluido
Cementos API: D,
E, G, H
Puzolanicos
Sistemas diese
Aditivos
reductores de
peso
Reducen el peso
Combaten la perdida de
circulación
Bentonita – atapulguita
Gilsonita
Tierra diatomeas
Perlita
Puzolanas
Micro esferas (esferas
de vidrio)
Nitrógeno (cemento
espumantes)
Peso más liviano
Economía
Mejor llenado
Menor densidad
Todos cementos
API
Puzolanicos
Sistemas diesel
Aditivos aumenta
el peso
Combate las altas presiones
Incrementan el peso de la
lechada
Hematita
Limonita
Baritina
Arena
dispersantes
Mayor densidad Cementos API D, E,
G , H
Aditivos para el
control de
perdida de
circulación
Taponamiento
Incremento del llenado
Combate perdida circulación
Rápidos sistemas de colocado
Gilsonita
Cáscara de nuez
Hojuelas de celofán
Cemento gypsum
Bentonita / diesel
petróleo
Fibra de nylon
Aditivos tixotropicos
Fractura taponadas
Columna de fluido
más liviana
Zonas fracturadas
presurizadas
Tratamiento de
perdida de
circulación
Todos cementos
API
Puzolanicos
Sistemas diesel
Aditivos para el Cementacion presurizada Polimeros Reduce la Todos cementos
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 112
control de filtrado Colocación de largos liners
Cementacion en formaciones
sensitivas con agua
Dispersantes
Cloruro de sodio
lignosulfonatos
deshidratación
Menor volumen de
cemento
Mejor llenado
API
Puzolanicos
Sistemas diesel
dispersantes Reducción de la potencia
hidráulica
Densificación de las lechadas
de cemento para
taponamiento
Imparte propiedades de flujo
Ácidos orgánicos
Polímeros
Cloruro de sodio
lignosulfonatos
Lechadas delgadas
Decrecimiento
perdida de fluido
Mejor remoción
del lodo
Mejor colocación
Todas cementos
API
Puzolanicos
Sistemas diesel
Cementos
especiales o
aditivos
Sal
Cementacion primaria
Coluro de sodio
Mejor adherencia
hacia la sal, arenas
y esquisto
Todos cementos
API
Fluor silica
Alta temperatura de
cementacion
Dióxido de silicona
Resistencia
estabilizada
Menor
permeabilidad
Todos cementos
API
Lodo kil
Neutralización del
tratamiento del lodo con
químicos
Para –Formaldehído
Mejor adherencia
Gran resistencia
Cementos API
A,B,C,G,H
Trazas
radioactivas
Modelos de trazas de flujo
Localización de influjo
Sc 46
-
Todos cementos
API
Limo puzolanica
Cementación a altas
temperaturas
Reactores de Limo -
Silica Menor peso
economía
-
Limo silica Cementacion a altas
temperaturas
Reactores de limo silica Menor peso
-
Cemento gypsum Tratamiento con condiciones
especiales
Sulfato de calcio Mayor resistencia -
hidromita Tratamiento con condiciones
especiales
Liquido potenciado con
látex Mejor adherencia
Control de filtrado
Cementos API
A,B,G,H
Aditivos
tixotropicos
Recubierta en zonas de
perdida de circulación
Aditivos orgánicos
Aditivos inorgánicos
rápida colocación
y/o gelificacion
Menor retroceso
Todos cementos
API
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 113
Reduce la perdida
de circulación
Espaciadores de
lodo
Minimizan la contaminación variable Distribución
uniforme del
cemento
Todos los sistemas
de cementacion
Lavadores de lodo Ayudan en el desplazamiento
del lodo de perforación
Separan fluidos incompatibles
variable Mejor remoción del
lodo
Reduce la perdida de
circulación
-
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 114
TEMA IV
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE LA LECHADA DE
CEMENTO
Competencia: El estudiante conoce y entiende el efecto que tiene la T y P,
sobre la lechada y el cemento fraguado. La importancia de la temperatura de
circulación; como afecta la contaminación con el fluido de perforación a la
lechada y el cemento fraguado. Sabe para que es el valor de la resistencia a
la comprensión.
4.1. INTRODUCCIÓN
Antes de que la lechada sea bombeada al pozo, una variedad de pruebas de
Laboratorio puede ser realizada para asegurar un adecuado desplazamiento y
ayudar en la predicción de la ejecución y comportamiento de la lechada cuando
esta es bombeada y después de su desplazamiento. En la recopilación de esta
información, profundidades de terminación, temperaturas de pozo, condiciones
del agujero, y problemas de perforación deben ser considerados en el diseño
de la composición del cemento. Los siguientes factores afectarán en el diseño
de la lechada de cemento:
1) Profundidad del Pozo
2) Temperatura del Pozo
3) Presión de la Columna de Lodo
4) Viscosidad y Contenido de Agua de las lechadas de cemento
5) Tiempo de Espesamiento y de Bombeabilidad
6) Fuerza del Cemento requerida para sostener la Cañería
7) Características del agua disponible para el mezclado
8) Tipo de fluido de perforación y de aditivo para el fluido de perforación
9) Densidad de la lechada
10)Calor de Hidratación
11)Permeabilidad del Cemento Fraguado
12)Control de Filtración
13)Resistencia a las Salmueras de Fondo de pozo
14)
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 115
4.2. PRESION, TEMPERATURA Y TIEMPO DE BOMBEABILIDAD
Existen dos influencias básicas en el comportamiento de la lechada de
cemento en el fondo del pozo son la temperatura y la presión. Afectan en
cuánto tiempo la lechada será bombeable y cuán bien estos factores
desarrollan la fuerza necesaria para sostener la tubería. La temperatura tiene
una influencia más pronunciada. Como la temperatura de formación incrementa
con la profundidad, la lechada de cemento se deshidrata, se fragua más rápido
y desarrolla la dureza más rápidamente. También, el tiempo de bombeabilidad
(o espesamiento) decrece, la fig., 4.1 muestra como estos factores afectan el
tiempo de bombeabilidad.
FIGURA 4.1.- EFECTO DE LA PROFUNDIDAD (TEMPERATURA)
SOBRE EL TIEMPO DE BOMBEABILIDAD EN EL CEMENTO API
CLASE H
La presión impuesta por la carga hidrostática de los fluidos del pozo sobre la
lechada de cemento también reduce la bombeabilidad del cemento. En pozos
profundos, la presión hidrostática más la presión de superficie durante el
desplazamiento pueden exceder los 20000 psi (tabla 4.1). La influencia de la
presión en la bombeabilidad de los cementos está ilustrada en la tabla 4.2.
BOMBEABILIDAD = ESPESAMIENTO
Cemento API Clase H
CO
ND
ICIO
NES
DE
CA
ÑER
ÍA A
PI
Tiempo de Espesamiento – horas
Cemento API
Clase H con
2% de Cloruro
de Calcio
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 116
Los gradientes de temperaturas varían en diferentes áreas geográficas. En el
Oeste de Texas y en Nuevo México, los gradientes están alrededor de 0.8
ºF/100 pies de profundidad, mientras que a lo largo de Texas y la Costa del
Golfo de Luisiana tienen un rango superior a 2.2 ºF/100 pies de profundidad.
Estimaciones de las temperaturas estáticas de fondo de pozo (BHT´s) puede
ser obtenida de estudios realizados durante la registración y las pruebas de
perforación. Las temperaturas de circulación de fondo de pozo (BHCT´s)
son obtenidas del registro de temperaturas obtenidas por la sarta de
tubería durante los viajes de acondicionamiento del lodo antes de que la
cañería quede ubicada. De tales datos la relación de BHST´s vs. BHCT´s
puede ser obtenida para determinar la bombeabilidad de la lechada de
cemento.
Los estudios dedicados a la temperatura en toda la Costa del Golfo de Texas y
Luisiana en 1950 han formado las bases del cronograma de pruebas y las
especificaciones del cemento de la API por más de 20 años. Los cronogramas
están basados en las temperaturas de fondo de pozo, ºF= 80 ºF + 0.015 *
profundidad (pies). (Ver figura 4.2). El efecto de enfriamiento del
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 117
desplazamiento del lodo baja la temperatura de circulación del agujero
considerablemente durante la cementación de la cañería. Durante una
cementación Squeeze, hay menos enfriamiento porque hay menos fluido
procedente de la lechada en el pozo. Por eso, la composición de la
cementación, tiene bombeabilidad más larga durante la cementación de la
cañería que durante la cementación Squeeze a la misma profundidad.
El tiempo que le toma a la lechada de cemento en llegar al fondo del pozo
depende del tamaño de la cañería y del caudal de desplazamiento. Estos
factores fueron estudiados y se hizo una investigación mediante la API en
1962. Como resultado, los cronogramas probados fueron revisados para
compensar los caudales de desplazamientos altos en pozos de moderada a
extrema profundidad.
FIGURA 4.2.- TEMPERATURA APROXIMADA DE LOS POZOS DE LA COSTA DEL GOLFO DE
EE.UU.
Las tablas 4.3 a la 4.5 listan los datos usados como base para las
Especificaciones del Tiempo de Espesamiento de la API y un típico
procedimiento de prueba para el Tiempo de Espesamiento usado por un
Liner a los 14 000 pies en los Estándares API 10 a diferentes gradientes de
temperatura.
Pozos Estáticos Normales
B.H.T. = 80 + 0.015 * profundidad
Cementación
Squeeze
Temperatura de
Descarga de Lodo
Temperatura de Succión de Lodo
Profundidad del Pozo – pies
Tem
pe
ratu
ra º
F
Cementación de
Cañería
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 118
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 119
Con la actividad de perforación incrementada en los años 1980, datos
adicionales apoyaron la precisión de las temperaturas de circulación API
usadas en las profundidades de pozos a lo largo de la Costa del Golfo en
los EE.UU.
La Figuras 4.3 ilustra la medida de Temperatura de circulación vs. Las
temperaturas de Circulación de la cañería API o Linner. Esto fue preparado
por los valores medidos de temperaturas de fondo vs. Temperaturas
obtenidas mediante la interpolación de tablas de la API. La distribución
relativamente uniforme de puntos a través de una línea sólida, donde las
medidas y las temperaturas de la API son iguales, parece indicar una
correlación razonable de los dos valores.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 120
FIGURA 4.3.- TEMPERATURAS DE CEMENTACIÓN DE CAÑERIA MEDIDAS VS.
TEMPERATURAS DE CAÑERÍA API EN POZOS DE LA COSTA DEL GOLFO EN EE.UU.
Un argumento similar, en la figura 4.4 muestra la temperatura Squeeze medida
vs. La temperatura Squeeze API indica buena correlación, además los puntos
están más ampliamente dispersos y las temperaturas Squeeze medidas son
generalmente más altas en pozos profundos que aquellos mostradas por las
pruebas de procedimiento API.
• Medido vs. API
Medido = API
Temperatura de Circulación medida, ºF
Tem
pe
ratu
ra d
e C
ircu
laci
ón
AP
I, º
F
• Lo medido vs. API
Lo medido = API
Temperatura Squeeze Medida, ºF
Tem
pe
ratu
ra S
qu
ee
ze A
PI,
ºF
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Pet-219 Arturo López G. Página 121
FIGURA 4.4.- TEMPERATURAS SQUEEZE MEDIDAS VS. TEMPERATURAS SQUEEZE API EN
POZOS DE LA COSTA DEL GOLFO EN EE.UU.
En el diseño de las lechadas de cemento para condiciones de pozo
específicas, el caudal de desplazamiento de la lechada para 1 000 pies de
profundidad, según los caballos de fuerza requeridos por el pozo, caudales de
desplazamiento, volúmenes de lechada, y la relación entre el tamaño del
agujero y de la cañería son usados como base para determinar el tiempo de
bombeabilidad esperado a dar la composición de la cementación. Los datos de
dureza están basados en las temperaturas y presiones del pozo e indican el
tiempo requerido por el cemento para alcanzar la fuerza suficiente para
soportar la cañería.
4.3. MECANISMO DE HIDRATACIÓN DE CEMENTO
El mecanismo de hidratación del cemento está influenciado por el contenido de
agua, las mezclas, tiempo de agitamiento, temperatura, y presión. Dos
condiciones que no pueden ser modificadas por el diseño son la presión y
temperatura de fondo de pozo, siendo la temperatura la más crítica. Las
medidas del tiempo de espesamiento son conducidas en la lechada de
cemento por la BHCT y la presión de circulación de fondo de pozo (BHCP). El
tiempo de espesamiento debe ser suficiente para desplazar la lechada de
manera segura y permitir una dificultad de trabajo inesperada. El factor de
seguridad necesario en cada trabajo varía. Para liners y cañerías de
producción, todo el trabajo de cementación raramente toma más de 60 a 90
minutos en ser completado. Cualquier tiempo extendido por más de 60 minutos
sería esencialmente un factor de seguridad. Hay otro factor de seguridad
inherente en la medida del tiempo de espesamiento. La prueba de la lechada
es elaborada en función al BHCT y se realiza hasta que la reacción de
hidratación ocurre. En realidad, la mayoría de los cementos experimentarán
algún tipo de enfriamiento mientras son bombeados por el espacio
anular. Bajo las condiciones actuales del pozo, esto proveerá un factor de
seguridad más alto en la bombeabilidad.
Los cambios en las propiedades físicas de los cementos después del
desplazamiento influencian en el tiempo de espera del cemento (WOC), en la
adherencia, soporte de la cañería, y el éxito total en el trabajo de cementación.
Debido a que la temperatura tiene un cierto efecto en estas propiedades, la
relación entre el BHCT y el BHST en la hidratación del cemento son
importantes.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 122
Bajo condiciones estáticas el desarrollo de la fuerza gel es rápido en la lechada
de cemento, el desarrollo de la fuerza gel es un producto secundario del
proceso de hidratación y señala el punto al cual la lechada de cemento
empieza a cambiar de un verdadero fluido hidráulico que transmite toda la
presión hidrostática a un material fraguado sólido que tiene una fuerza
compresiva medible. Este periodo de cambio es llamado fase de transición.
Durante esta fase, la lechada de cemente gana continuamente fuerza gel, el
cual permite a una restricción de presión potencial para dar lugar en el llenado
con cemento del espacio anular. El siguiente cambio que sucede es el tiempo
de fraguado de la lechada de cemento. Este es el punto donde la primera
fuerza compresiva empieza a desarrollarse. Esto señala el final del el tiempo
WOC. (Ver figura 3.17).
4.4. RESISTENCIA DEL CEMENTO PARA SOSTENER LA TUBERÍA
El cemento requiere de muy poca dureza temprana para sostener la sarta de
cañería (tabla 4.7). Otro estudio ha mostrado que 10 pies de anular cementado
que tiene sólo 8 psi de resistencia a la tensión puede soportar más de 200
pies de cañería de tamaños y pesos ligeros, incluso bajo condiciones de pobre
adherencia.
En el fraguado de la cañería de superficie, cuando altos pesos del trépano son
necesarios para perforar el equipo flotante, una carga adicional debe ser
soportada por la cañería y el cemento. La tabla 4.7 muestra la longitud mínima
de cañería y el tamaño de Drill collar que puede teóricamente ser sostenida por
10 pies de cemento de 8 psi de resistencia la tensión.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 123
Debido a que en la prueba de la dureza del cemento (figura 4.8) el cemento
está usualmente sometido a la compresión, los valores deben ser convertidos
de fuerza compresiva a fuerza tensión. Como regla general, la fuerza
compresiva es cerca de 8 a 10 veces más grande que la tensión o adherencia.
Los 8 psi de fuerza tensión serían equivalentes a 80 a 100 psi de fuerza
compresiva.
Esto debe ser realizado con un intervalo de tiempo desde la hora en el que
primer cemento se fragua hasta que desarrolle 100 psi de fuerza compresiva
Debe tomarse en cuenta que el intervalo de tiempo a partir del tiempo cuando
el cemento empieza a fraguarse hasta que desarrolle una fuerza compresiva
de 100 psi puede ser relativamente corto. Campos diferentes - procesos de
terminación, materiales, condiciones de curado – no pueden ser pozos
bastante conocidos o controlados para establecer un tiempo de curado infalible.
Además se debe aplicar un razonable factor de seguridad. Es generalmente
aceptado por la industria y por los cuerpos reguladores que una fuerza
compresiva de 500 psi es adecuada para la mayoría de las operaciones, y
mediante una buena utilidad de prácticas de cementación un operador de ser
capaz de perforar de manera segura adhiriendo a la perforación los
requerimientos mínimos de dureza.
FIGURA 4.8.- PRUEBA DE FUERZA COMPRESIVA EN UN CUBO DE CEMENTO DE 2
PULGADAS.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 124
Para decidir cuánto tiempo se esperará para que el cemento se fragüe (para
seleccionar un tiempo WOC), es importante:
3. Conocer cuán fuerte debe ser el cemento antes de que la
perforación pueda empezar, y
4. Entender las características de desarrollo de la dureza de los
cementos en uso común.
Esto puede ser observado en los valores de la fuerza compresiva en la tabla
4.8 y conocer qué temperatura de curado es significativa en el desarrollo de la
fuerza. Para aplicar la información de dureza o fuerza del laboratorio
apropiadamente y para establecer un tiempo WOC razonable, se debe tener
algún conocimiento de temperaturas de curado de fondo de pozo. El BHST´s
en la mayoría de las áreas geográficas han sido razonablemente bien definidos
mediante el uso de datos isotérmicos de superficie con profundidades y
gradientes de temperatura aceptadas. Los resultados son verificados mediante
estudios conducidos de temperatura en agujeros superficiales interconectados.
En las mayorías de las áreas la temperatura de formación a la profundidad de
la cañería de superficie es igual a la temperatura de superficie mas 2 ºF/100
pies de profundidad.
La temperatura de curado del cemento, sin embargo, seguramente casi no
igualará a la temperatura de formación, de hecho, esto incluso no tiene un valor
constante. Esto es gobernado por un complejo grupo de variables, incluyendo
las temperaturas del fluido de perforación, lechada de cemento y el fluido
desplazado, tanto como el calor de hidratación del cemento.
Las siguientes observaciones revelan que la fuerza del cemento para sostener
la cañería está basada en el estudio y la experiencia del campo:
5. Alta dureza del cemento no es siempre requerida para sostener la
cañería durante la perforación, y con un incremento de la densidad
de la lechada, el tiempo requerido para desarrollar una adecuada
fuerza compresiva es disminuido.
6. La densificación incrementa tanto la dureza como el calor de
hidratación del cemento.
7. Las lechadas de cemento con excesivas relaciones de agua
resultarán un débil cemento fraguado y por eso se deben evitar
alrededor de la parte baja de la cañería.
8. Con la selección de los cementos apropiados y con buenas prácticas
de cementación, el tiempo WOC para cañería de superficie pueden
ser reducidos de 3 a 4 horas bajo operaciones en condiciones
veraniegas y de 6 a 8 horas en condiciones de invierno.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 125
4.5. TÉCNICA DE PRUEBA DE RESISTENCIA
La fuerza compresiva del cemento fraguado es probado mediante la medición
de la fuerza para aplastar un cubo de 2 pulgadas con una fuerza compresiva
ilimitada (figura 4.8). Mientras la carga aplastante para predecir la fuerza
compresiva del cemento fraguado ha sido ampliamente usada por más de 40
años para establecer el tiempo WOC, esto no refleja la verdadera adherencia
del cemento a la cañería y/o a la formación. Correlaciones comparativas han
sido hechas en el laboratorio de adherencia arbitrada y pruebas de fuerza
compresiva para producir la relación mostrada en la figura 4.9.
Una técnica más nueva y más popular para predecir la fuerza y los tiempos
WOC es un dispositivo no destructivo que usa ondas acústicas y ultrasónicas.
El analizador de cemento ultrasónico (UCA) continuamente monitorea la dureza
desarrollada por cualquier composición de cemento dada (figura 4.10). Una
lechada simple es desplazada en una célula que está bajo condiciones que
simulan la presión y temperatura de fondo de pozo. Las medidas de la
velocidad ultrasónica del cemento son empezadas durante el estado fluido y
continuado durante el fraguado inicial a cualquier punto deseado de dureza
parcial o final desarrollada.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 126
FIGURA 4.9.- FUERZA DE ADHERENCIA VS. FUERZA COMPRESIVA DE LA LECHADAS DE
CEMENTO FRAGUADO.
FIGURA 4.10.- ANALIZADOR ULTRASÓNICO DE CEMENTO CON TRAZADOR DE GRÁFICOS
PARA EL DESARROLLO DE LA DUREZA.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 127
Los valores de dureza con continuamente computarizados y mostrados hasta
que la prueba es terminada. El resultado es un historial completo y preciso del
fraguado inicial y del desarrollo de la dureza que puede consistir de un trazador
de gráficos vs. Tiempo en cualquier punto de interés (figura 4.11).
FIGURA 4.11.- DELINEADO DEL DESARROLLO DE LA DUREZA DEL SISTEMA DE CEMENTO
FRAGUADOS CON ANALIZADOR DE CEMENTO ULTRASÓNICO.
El UCA funciona con poca atención aparte del operador desde el inicio hasta el
final. La misma información de los estándares API sobre las pruebas para
aplastar la fuerza compresiva requeriría la curación de una multitud de
especímenes a veces preseleccionadas durante pruebas de tiempos, sin
Cemento API Clase C – 14.8 lbm/gal Fu
erz
a C
om
pre
siva
(p
si)
Tiempo (días)
Cemento API Clase C – 14.8 lbm/gal 4% bentonita – 2% cloruro de calcio – 13.5 lbm/gal
Fue
rza
Co
mp
resi
va (
psi
)
Tiempo (días)
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 128
garantía de que la primera prueba sería lo suficiente corta o la prueba final lo
bastante larga para proveer con exactitud la información crítica del trabajo (ver
figura 4.12).
FIGURA 4.12.- COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS DE FUERZA DE UN CEMENTO
CONVENCIONAL TRITURADO VS. LOS RESULTADOS DE UN ANALIZADOR
ULTRASÓNICO POR ENCIMA DEL RANGO DE DENSIDAD.
4.6. SENSIBILIDAD DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN Y DE LOS ADITIVOS DE
LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN
Un problema significativo en la cementación de pozos petroleros es el
efecto de remoción de los fluidos de perforación durante el
desplazamiento. La contaminación y la dilución por el lodo pueden dañar
el sistema de cementación, como también los químicos del lodo y del
revoque de lodo. (Ver tabla 4.10)
Resultados de Pruebas Atmosféricas Densidad: rango de 12.7 a 19.6 lbm/gal
Material: rango de 16% de Bentonita, 75% de puzzolano a 93 % de hematita
Fue
rza
Co
mp
resi
va –
psi
(Val
or
cuan
do
est
á ap
last
ado
)
Fuerza Compresiva (Ecuación de tiempo de Tránsito)
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 129
Alguna contaminación de este tipo ocurre durante la mayoría de los trabajos,
pero probablemente la mayoría sucede cuando un tapón de cemento está
ingresando en el sistema de lodo que es altamente tratado con químicos. El
volumen de cemento en relación al volumen de lodo es pequeño, y el grado de
contaminación del lodo nunca es conocido, la suavidad en el cemento utilizado
como un tapón que es re perforado es un signo de contaminación. (Ver capítulo
10, Tapones de cemento para pozos abiertos).
La mejor forma de combatir efectos perjudiciales en los aditivos del lodo de
perforación es usar tapones más limpios y espaciadores o niveladores. Los
tapones limpios ayudan a eliminar la contaminación dentro de la cañería y los
niveladores ayudan a limpiar el espacio anular entre la cañería y la formación,
los espaciadores o colchones lavadores, consisten de agua, soluciones de
ácido, fosfatos, mezclas de cemento y agua, y lechadas con bentonita sin
tratamientos y arcilla con agua. Para sistemas de lodos de emulsión inversa o
directa, niveladores de diesel oil – ambos pesados o sin pesar- son efectivos.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 130
4.7. MEDICIONES DE LA REOLOGÍA DEL CEMENTO
Las lechadas de cemento presentan un comportamiento no Newtoniano y sus
características son descritas mediante uno o dos modelos reológicos
matemático: el modelo plástico de Bingham o el modelo Exponencial. El
viscosímetro de Fann modelo 35 mide datos de velocidad de corte/ esfuerzo
cortante que son introducidos para cualquiera de los dos modelos reológicos.
En el modelo plástico de Bingham la curva es una línea recta con lecturas de
600 y 300 revoluciones/minuto. La viscosidad plástica es definida como la
diferencia entre las lecturas a 600 y 300 revoluciones/minuto. El punto de yield
es definido como la diferencia entre las lecturas a 300 rev/min y la viscosidad
plástica. El modelo Exponencial requiere usar las lecturas de 600, 300, 200 y
100 rev/min para establecer la curva de Velocidad de corte/ esfuerzo cortante
de los cuales los valore de n (pendiente de la curva) y k (curva interceptada)
pueden ser determinados. Con estos valores es posible calcular la relación
entre el Número de Reynolds y la Velocidad (ver capítulo 11).
Para medir las propiedades reológicas de las lechadas de cemento, como
indicación directa, comúnmente se usa el viscosímetro rotacional. Este es
potenciado por una doble velocidad, un motor con 3 engranajes, para obtener
velocidades rotarias de 600, 300, 200, 100, 6 y 3 rev/min. (Ver figura 4.15). El
instrumento de medición consiste de dos partes integrales: una camisa exterior
y una bobina interior. Durante la prueba, la camisa exterior es rotada a cierta
revolución de asentamiento por minuto constante. Esta rotación de la camisa
causa un torque en la bobina interior que es medida por medio de un cuadrante
elástico de torsión. La lectura inicial a 600 rev/min es tomada después de 60
segundos de rotación continua. La velocidad de la pieza giratoria del motor
(rotor) es cambiada con cada lectura sucesiva más baja en intervalos de 20
segundos con medidas siendo tomadas justo antes de cambiar a la siguiente
velocidad de asentamiento más baja. Las lecturas de asentamiento a 6 rev/min
son usadas para desarrollar la curva de Velocidad de Corte/ Esfuerzo de corte.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 131
FIGURA 4.15.- VISCOSÍMETRO ROTACIONAL
4.8. PERDIDA DE CIRCULACIÓN
En los materiales seleccionados y usado para controlar la pérdida de
circulación, se debe tomar en cuenta dos factores importantes:
1. El material debe ser de un tamaño que pueda ser manejable por el
equipo de bombeo, y
2. Las formaciones abiertas deben ser lo bastante pequeñas para
permitir al material retener y sellar.
Cuando las formaciones abiertas son muy largas que los agentes sellantes son
relativamente inefectivos, esto puede ser necesario para diseñar cementos
semisólidos o de asentamiento rápido. Para un informe más detallado de
pérdida de circulación y los materiales usados para controlarlo, ver sección 3.7,
Aditivos para Controlar la Pérdida de Circulación. La efectividad de estos
materiales ha sido establecida no sólo por las pruebas de laboratorio, sino
también por los resultados obtenidos en los Campos en los que se han usado.
(Ver figura 4.16).
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 132
FIGURA 4.16.- CELDA DE PRUEBA PARA PÉRDIDA DE CIRCULACIÓN
4.9. CALOR DE HIDRATACIÓN
Cuando el cemento es mezclado con agua, una reacción exotérmica ocurre en
el cual un calor considerable es liberado. Mientras mayor sea la masa de
cemento, mayor será la evolución del calor. En laboratorio, dicho calor es
medido con un calorímetro, consiste de un frasco aislado vacío que contiene un
termocupla unida a un registrador. El incremento de la temperatura es
registrado en intervalos específicos hasta que se observa la máxima
temperatura. El calor de hidratación (a veces llamado calor de reacción o calor
de solución) es influenciado por el grado de fineza, la composición química del
cemento, por aditivos, y por el ambiente de fondo de pozo. Mientras mayor sea
la temperatura de formación, más rápida será la reacción y más rápida la
evolución del calor. (Ver figura 4.17).
Tapa de aluminio y bronce con un sello circular y un área con relieve para prevenir presión excepto cuando la tapa está correctamente cerrada.
Camisa Lucite para la observación de los sellos
Válvula de Bola
Ranura de Prueba
Unión para la cámara de la ranura, puede ser removida con presión sobre la cámara para cambiar ranuras cuando la válvula está cerrada
Soporte de colchón perforado
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 133
FIGURA 4.17.- CALOR DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO API CLASE A BAJO CONDICIONES
DISTINTAS DE PRESIÓN Y TEMPERATURA.
El calor de hidratación de los componentes del cemento puro ha sido estudiado
bajo condiciones controladas de laboratorio. Algunos de los resultados son
mostrados en la tabla 4.13 y tabla 4.14 comparando el calor de hidratación de
cementos con diferentes composiciones.
Tiempo – horas
Tem
pe
ratu
ra -
ºF
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Pet-219 Arturo López G. Página 134
En la mayoría de los agujeros el espacio anular es de ½ a 2 pulgadas, excepto
en las zonas lavadas. En una cañería superficial típica, el calor de hidratación
produce una máxima temperatura que alcanza de 35 a 45 ºF. (Ver figura 4.18).
FIGURA 4.18.- RESULTADO DE LA RELACIÓN DE TEMPERATURA/TIEMPO DEL CALOR DE
HIDRATACIÓN DE UNA LECHADA USADA EN CAÑERÍA SUPERFICIAL
4.10. RESISTENCIA A LAS SALMUERAS DE FONDO DE POZO
La susceptibilidad de los cementos a la corrosión por las aguas de formación
ha sido objeto de muchas investigaciones. Formaciones salinas que contienen
sulfato de sodio, sulfato de magnesio, y cloruro de magnesio están entre las
que tienen más agentes de fondo de pozo destructivos. Tales salmueras son
encontradas en el Oeste de Texas, Kansas, en el Mar del Norte, y otras áreas
productoras de petróleo.
Tiempo después de Bombear el tapón – horas
Tem
pe
ratu
ra -
ºF
Profundidad del Estudio: 550 pies Peso de la Lechada: 15.4 lb/gal Temperatura del Agua de Mezcla: 74 ºF Temperatura de Formación: 65 ºF
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 135
Los sulfatos, generalmente considerados como las sustancias químicas más
corrosivas del cemento, reaccionan con la cal y el aluminato tricálcico en los
cementos para formar cristales grandes de sulfoaluminato de calcio. Estos
cristales requieren de mas espacio poral que el que el cemento fraguado puede
proporcionar, por eso causan una expansión excesiva y una deterioro eventual.
La figura 4.21 muestra cómo este cristal crecido ha causado una expansión de
12 pulgadas al final de la prueba de palanca del cemento API clase A que ha
sido usado para curar en una solución del 5% de sulfato de sodio.
FIGURA 4.21.- ATAQUE DE LOS SULFATOS AL CEMENTO FRAGUADO API CLASE A.
Los estudios de las aguas de formación corrosivas tienen enfatizado
particularmente la susceptibilidad de la masa o del concreto del cemento
fraguado. El ion de sodio es considerado como más detrimental que el ion de
magnesio y a menudo se lo usa para las pruebas de laboratorio.
Así parecen ser tres reacciones químicas distintas donde el sulfato de sodio
reacciona en el cemento fraguado:
Na2SO4 + Ca(OH)2 2NaOH + CaSO4 * 2H2O,
Na2SO4 + 3CaO * Al)2O3 * H2O 3CaO * Al2O3 * 3CaSO4 * H2O + NaO * Al2O3 + NaOH
Y Na2O * Al2O3 + H2O 2NaOH + 2Al(OH3)
En estas reacciones, se forman el sulfoaluminato de calcio y el aluminato de
sodio, y luego de la hidrólisis se forman se transforman en sodio y en
hidróxidos de aluminio. El sulfoaluminato de calcio formado a temperatura
ambiente contiene 31 moléculas de agua. Por eso el producto es una molécula
larga y se considera la mayor expansión y desintegración a ser causada por la
deposición de este material en el cemento fraguado.
El flujo de ataque en un cemento endurecido por la solución de sulfato de sodio
o sulfato de magnesio es guiado en cierta medida por la concentración de estas
sales en el agua de formación. Para ambos compuestos, sin embargo, parece
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 136
haber una concentración limitada que aparte de incrementar la concentración
aumenta el flujo de ataque sólo ligeramente.
La temperatura también influencia en la resistencia a los sulfatos de un
cemento endurecido. De las investigaciones hechas a altas y bajas
temperaturas, se concluyó que el ataque de los sulfatos es más pronunciado a
temperaturas de 80 a 120 ºF, mientras que a temperaturas de 180 ºF se vuelve
insignificante. Esta conclusión es apoyada por la observación de que los
problemas de campo son más comunes en pozos someros, donde las
temperaturas son más bajas que en pozos profundos, donde las temperaturas
pueden exceder los 200 ºF. Un cemento que es resistente al ataque de los
sulfatos a bajas temperaturas es muy probablemente usado en pozos con altas
temperaturas. Bajos contenidos de aluminato tricálcico (Ca3Al) incrementa la
resistencia a los sulfatos del cemento. Además, en los tipos de cementos API
clasificados como Moderadamente Resistente a los Sulfatos (MSR) y
Altamente Resistente a los Sulfatos (HSR) en base al contenido de Ca3Al del
cemento (MSR = 3 a 6% en peso de Ca3Al; HSR = 0 a 3% en peso de Ca3Al.
Ver Capítulo 2)
Se puede notar que la corrosión electrolítica más que la corrosión química ha
sido responsable del debilitamiento y el fracaso de algunas sartas de tuberías.
La mayoría de las investigaciones muestran que una capa uniforme de
cemento fraguado competentemente ofrece una excelente protección contra la
corrosión electrolítica a la cañería. Teóricamente, una corriente de 1 amperio al
abandonar una tubería lleva con ella 20 lbm de metal por año; por lo tanto, es
bastante evidente la importancia de una capa uniforme de cemento
permanente.
4.11. TÉCNICAS DE INDENTIFICACIÓN DE CALIDAD DEL CEMENTO Y
ANALISIS DE LA MEZCLA
El microscopio es usualmente usado en la identificación del análisis de la
mezcla y para detectar las diferencias entre varias clases de cemento API (ver
figura 4.22). Estas diferencias reflejan parámetros fundamentales que son
únicos en cada cemento y proporcionan técnicas de análisis estándar químicos
y físicos. Estos parámetros también han sido relacionados a las propiedades de
respuesta de la lechada de un cemento particular en una forma cualitativa.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 137
FIGURA 4.22.- SISTEMA DE MICROSCOPIO DE LABORATORIO PARA PROYECTAR MUESTRA
DE CEMENTO PULIDO EN UNA PANTALLA de TV.
Con las muestras pulidas y sólidas, la morfología, o estructura, de los
componentes internos de un grano de cemento pueden ser usadas para
predecir el desarrollo del cemento. La observación de la forma y calidad de
varios de los componentes (C3S, C2S, C3A, C4AF) pueden determinar si el
cemento fue correctamente quemado, o si las cantidades relativas de los
componentes es correcto, o si la muestra de cemento estuvo sujeta a una
hidratación prematura como resultado del almacenamiento. (Ver figura 4.23).
Muchas ventajas pueden ser obtenidas al usar un microscopio antes de probar
un diseño de Campo a ser usado antes de la ejecución del trabajo. Una ventaja
es que el microscopio es una rápida y muy útil herramienta para estimar la
calidad del cemento antes de usarlo en una prueba. Una vez se han
desarrollado datos base adecuados que involucran a diferentes cementos,
especialmente de una misma fuente, un cambio en la calidad del cemento es
fácilmente detectada. Una decisión puede ser tomada para continuar con el uso
o no del cemento, hacer los ajustes necesarios en la mezcla, etc. La otra
ventaja ganada por el uso del microscopio antes de realizar las pruebas de
laboratorio es que hayan desarrollado su capacidad de estimar la actividad del
cemento y además sugerir un punto de inicio mejor para niveles adicionales.
Esto debe reducir el número de pruebas necesarias para obtener el tiempo de
espesamiento necesario.
Básicamente, las técnicas de microscopio son buenos controles de calidad, son
técnicas de ahorro de tiempo que pueden ser muy útiles en operaciones de
Campo.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 138
FIGURA 4.23.- MUESTRAS DE CEMENTO API CLASE H TIPICAMENTE PULIDAS. (ARRIBA:
PARTÍCULA NORMAL DEL CEMENTO CLASE H QUE TIENE CRISTALES DISTINTOS, LIMPIOS
Y AFILADOS. ABAJO PARTICULA DE CEMENTO CLASE HA POBREMENTE QUEMANDA,
FORMA Y TAMAÑO IRREGULAR).
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 139
4.12. CONCLUSIONES
Muchos factores deben ser considerados en los diseños de las lechadas de
cemento para uso en fondo de pozo. Los laboratorios de campo operados por
las compañías petroleras, organizaciones de servicio, y fabricantes de cemento
están disponibles alrededor del mundo para ayudar proporcionando los datos
necesarios. En pozos críticos, los datos de prueba deben ser obtenidos de
los mismos materiales de cementación a ser usados en el desarrollo del
trabajo; de otra forma, las recomendaciones no son enteramente
confiables. La tabla 4.16 es un resumen de las pruebas usadas en el diseño
de la lechada de cemento.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 140
TEMA V ACONDICIONAMIENTO DEL POZO, ACCESORIOS PARA BAJAR
CAÑERÍA
Competencia: El alumno tiene la capacidad de decidir si las condiciones del
pozo van a garantizar la bajada de la cañería; si las propiedades del lodo son
las requeridas para minimizar los problemas durante la bajada de la cañería y
la circulación del lodo con cañería en fondo pozo. Evalúa durante la bajada de
cañería los parámetros que le indican, el funcionamiento de los accesorios y la
operación de bajada en general
Importante :
En la perforación de un pozo una de las operaciones más importante que
tenemos es la preparación del pozo para bajar la cañería; que está
directamente relacionado con la estabilidad del pozo, la que depende
principalmente del tipo y calidad de lodo que estamos circulando en él; la
selección de los accesorios que llevara la cañería también es importante,
para tener una circulación sin problemas con la cañería en fondo de pozo.
Para el ingeniero petrolero entender lo que es la estabilidad del pozo es
necesario e imprescindible. Por todo esto el alumno debe realizar las
preguntas que crea conveniente para tener bien claro este concepto.
Primeramente vamos a ver lo que significa estabilidad del pozo :
5.1.- PREPARACION DEL POZO PARA BAJAR CAÑERIA
Acondicionar el lodo debidamente. Esto significa tener geles frágiles lo más bajo posible, debe bajarse la viscosidad „plástica y punto cedente a los valores más bajo posible sin que significa afectar la estabilidad del pozo, tener un buen control de filtrado y además mínima cantidad de sólidos de formación (< 5 %). Asegurase que lo geles del lodo sean frágiles antes de tomar decisión de bajar la cañería, no autorizar bajar la cañería si lo geles son progresivos. Ver grafica que debe elaborar en boca de pozo el químico.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 141
Los geles son progresivos cuando el lodo tiene alta concentración de solidos indeseables ( hacer trabajar eficientemente los equipos de control de sólidos especialmente centrifugas , dilución debe ser la última alternativa. También puede ser una contaminación de iones carbonatos, bicarbonatos y/o sulfatos.
En la carrera de reconocimiento debe circularse en fondo de pozo hasta
que las zarandas estén limpias, se recomienda bombear un bache viscoso para tener una mejor respuesta en la limpieza del pozo. Debe el ingeniero estar observando la zarandas al retorno del bache viscoso de ser necesario se puede enviar un segundo bache.
Si tenemos algún problema al sacar o bajar el arreglo de reacondicionamiento del pozo (arrastres o resistencias), esto debe eliminarse antes de bajar la cañería.
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Pet-219 Arturo López G. Página 142
Debe realizar carreras de reconocimiento para ver si estos problemas se solucionaron, debe circular un fondo pozo para observar si tenemos derrumbe, o viene el lodo cortado con gas, o con agua de formación, si tenemos perdidas de lodo, antes de correr la cañería debemos superar estos problemas.
Anotar los puntos de arrastre y/o resistencia al estar sacando la sarta del
pozo, estas profundidades serán importantes para cuando estemos bajando la cañería, o cuando estemos moviendo la cañería en el fondo del pozo, para romper gel.
Durante las carreras de registros, registrar la temperatura de fondo de pozo, temperatura estática. Nos sirve para luego trabajar con grafico temperaturas estáticas vs temperaturas de circulación, calcular la temperatura de circulación.
Medir la sarta de perforación mientras se saca hta del pozo.
Para tener una cementación exitosa hay que tener :
El agujero tiene que tener de 2 a 3 “ de diámetro mayor que el diámetro externo de la cañería que vamos a bajar ( para esto es importante la selección del lodo)
Las paredes del agujero cercanas a las del trepano, sin irregularidades
El agujero no tiene que tener patas de perro severas.
El agujero estable sin problemas, sin pérdida de circulación, sin corte de gas o agua
Con la cañería en fondo de pozo, tratar de mover cañería, empezar a
circular con caudal mínimo, luego ir aumentando hasta alcanzar el caudal con que se desplazara la lechada. ( operación llamada rompiendo geles)
Deben participar los alumnos con comentarios. UNA VEZ QUE HEMOS LLEGADO A LA PROFUNDIDAD PROGRAMA CON LA CANERIA (3 A 5 METROS ANTES DEL FONDO DEL POZO). PROCEDER A BAJAR LA REOLOGIA DEL LODO DE MANERA QUE NOS ASEGURE LA ESTABILIDAD DEL POZO. CUANDO LAS PROPIEDADES DEL LODO EN EL CAJON CHUPADOR Y EN EL FLOW LINE (TRAMPA DE LA ZARANDA EL LODO ESTA ACONDICIONADO). PROCEDER A CEMENTAR.
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Pet-219 Arturo López G. Página 143
5.2.- CONDICIONES ADVERSAS QUE AFECTAN A LA CEMENTACION
AGUJERO
PERFORADO
INADEACUADAMENTE
Diámetro del agujero pequeño, patas de perro, irregular,
inestabilidad del agujero, mala selección de
Accesorios
LODO MAL
ACONDICIONADO
Alto geles, plástica y cedente, alto filtrado, grueso
revoque, alta sólidos indeseables, incompatibilidad de la
lechada con el lodo.
PERDIDA DE
CIRCULACION
Zonas de pérdidas no selladas antes de la cementación,
excesiva pérdida de cargas en él EA causa pérdida del
cemento. Los Raspadores quitan el LCM
PRESION ANORMAL Complica la perforación del pozo, las lechadas tienen
que ser densificadas y con aditivos de control de gas, es
más difícil mover la cañería
PRESION
SUBNORMAL
Hay problemas de pega por diferencial, lechadas de
baja densidad, resistencia la compresión reducida
ALTAS
TEMPERATURAS
Gelificación del lodo y frague rápido del cemento sí se le
aditiva retardadores, problemas con las herramientas de
fondo pozo, retrogresión de la resistencia a compresión.
REQUISITOS PARA UNA CEMENTACION EXITOSA
Buen lodo, pozo estable, valores tixotrópicos y reológicos bajos sin afectar al pozo
Movimiento de la cañería durante la operación de reacondicionamiento del lodo
Bombear lo más que se pueda de preflujos, cuanto sea práctico. Utilizar cuanto centralizadores sean prácticos para centralizar la cañería. Diseño apropiado de la reología de la lechada. El flujo turbulento mejora la posición de la lechada en él EA. Prevenir la contaminación lodo – cemento Conocer las limitaciones de la presión de fractura de la formación.
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METODOS PARA EVALUAR LOS TRABAJOS DE CEMENTACION
Prueba de presión del zapato. Prueba de temperatura CBL –Cement Bond Logging Inspección del trazador
5.3.- -DISPOSITIVOS, HERRAMIENTAS Y EQUIPOS PARA CEMENTACIÓN
Elementos de Flotación
Zapatos
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Collares
Collares Diferenciales
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Centralizadores
Accesorios Doble Etapa (DV Tool)
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Torpedo y Juego de tapones de Cementación
Cabezas de Cementación
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Equipos de Cementación
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SECCION VI-DISPOSITIVOS, HERRAMIENTAS Y EQUIPOS PARA
CEMENTACIÓN
RESUMEN DE LOS DISPOSITIVOS Y HERRAMIENTAS PARA
CEMENTACIÓN
Equipos de Flotación Aplicación Ubicación
1.- Zapatos Guías * Guiar la cañería Primer caño extremo
* Evitar derrumbes inferior
2.- Collares flotadores Prevenir retorno cemento Hasta 6000 pies en la *
Mantener presión diferencial primera unión de
*Asientos de tapones de goma caneria
Mayor profundidad,2 o
3 uniones arriba del
fondo
Equipos de Llenado Automático
1.- Zapatos flotadores * Igual que los anteriores, Igual que los
Excepto que el llenado está anterior.
Gobernado por la presión
Hidrostática del anillo.
Dispositivos de Etapas
1-2 Etapas *Cuando se necesitan 2 o más Zonas críticas y de
2-3 Etapas secciones a cementar separa- acuerdoal gradiente
das de fractura.
Cabezas de Cementación
1.- Simples * Ubicación y largada de En la superficie
2.- Dobles tapones de goma caño superior.
*Derivaciones para bombear
distintos fluidos.
Tapones de Goma
1.- Inferior * Separar mecánicamente la Entre los fluidos
2.- Superior lechada del lodo y del fluido del pozo y el
de desplazamiento cemento.
Centralizadores de Casing.
1.- Varios tipos *Centralizar cañería en Pozos derechos1/200
el anillo pies s/zonas prod.
Pozos desviados, de –
pende de la desviación
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Rascadores o Limpiadores de pared
1.- Rotativos * Remover el lod y revoque En zonas productivas
2.- Recíprocos del lodo en la pared del pozo y 50 a 100 pies arriba.
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TEMA VI
CEMENTACION PRIMARIA – PLANIFICACIÓN
Competencia: El Estudiante analiza y programa una cementación primaria,
realiza un análisis de riesgo de fractura durante la cementación. Evalúa si las
propiedades de la lechada y de los preflujos a usar en la operación son los
requeridos. Calcula y estima el tiempo de operación mínimo de trabajo, usa
factores de seguridad.
6.1. CEMENTACION PRIMARIA
Una de las operaciones más importantes que se realiza en un pozo petrolífero
es la Cementación Primaria . Principalmente cuando se cementa la cañería de
producción, ya que es una operación irreversible. El objetivo es conseguir una
completa aislación en el anular, obtener un sello hidráulico entre el cemento y
la cañería, el cemento y la formación , eliminando al mismo tiempo la
posibilidad que en el anular nos quede canales de lodo y/o gas. Tenemos que
tener en cuenta en que debemos colocar todo nuestro profesionalismo cuando
planificamos una cementación primaria , dado que si fallamos en la
cementación primaria el pozo nunca será igual a lo que pudo haber sido.
Smith dice que una operación de cementación “es una cadena de tres
eslabones”
1.- Filosofía de una cementación
2.- Conocimiento
3.- Control de calidad
Aunque los tres son distintos y separados, uno depende de los otros. En el
esquema de abajo mostramos que representa estos eslabones.
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Pet-219 Arturo López G. Página 154
ESTO SE CONOCE COMO LA PIRAMIDE DE UNA CEMENTACION
EXITOSA DE SMITH
6.2.- PLANIFICACION DE UNA CEMENTACION
La programación de una operación de cementación comienza, semanas, y en
algunos caso meses antes de iniciar la perforación del pozo, y finaliza mucho
después de haber corrido los registros para ver la calidad de la cementación
(CBL , VDL )
El proceso de desplazamiento del lodo durante una cementación no trata solo
de utilizar un mejor pre flujo , una mayor presión de bombeo , un mayor número
de centralizadores , mucho movimiento de la cañería en el fondo , ni tener
menores valores reológicos en el lodo ; si no que se trata de todo esto y
mucho mas. Cuando se realiza una cementación debemos considerar todo el
proceso. No es trabajo que puede ser monitoreado por una sola persona;
es un esfuerzo de equipo que necesita incluir a la gerencia de
perforación , a los supervisores de perforación , a los ingenieros de
perforación , de servicios. La disponibilidad de nueva tecnología no
produce automáticamente utilidad. El puente necesario entre la
tecnología y la utilidad es el profesionalismo con el cual se hace uso de
la nueva tecnología y la utilidad es el profesionalismo con el cual se
utiliza la nueva tecnología.
En el campo debe establecerse una fluida comunicación entre el supervisor de
cementación y el de perforación, esto exige un esfuerzo extra que debe tener
como finalidad manejar varias medidas de control necesarias para la obtención
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 155
de buenos resultados. Ambos deben aplicar los conceptos de ingeniería. El
ingeniero o supervisor de cementación en lo que hace al diseño de la lechada,
su mezclado, pre flujos y desplazamiento. El ingeniero o supervisor de
perforación generalmente está pensando en una perforación del pozo segura y
rápida, tan barata como sea posible. Su interés principal es minimizar los días
necesarios para llegar a la zona de interés productivo; sin embargo es
importante mencionar que el objetivo más importante para el ingeniero de
perforación es entregar un pozo sin cavernas y patas de perro , tan
cercano al diámetro del trepano y con las paredes estabilizadas.
6.3. LAS PRINCIPALES FUNCIONES DE UNA CEMENTACIÓN
1.- EVITAR FLUJO DE FLUIDOS ENTRE FORMACIONES
2.- UNIR LA CAÑERÍA A LA FORMACIÓN, SOPORTARLA Y
REFORZARLA.
3.- EVITAR CONTAMINACIONES DE ZONAS ACUÍFERAS, QUE
PUEDAN SER USADAS PARA USO DOMESTICO, PROTEGER DE
OTROS ESTRACTOS ZONAS PETROLÍFERAS, GASIFERAS QUE NO
ESTAN EN PRODUCCIÓN.
4.- AYUDA A EVITAR SURGENCIAS DESCONTROLADAS DE ALTA
PRESIÓN DETRÁS DE LA CAÑERÍA.
5.- PROTEGER A LAS CAÑERÍAS DE AGUAS CORROSIVAS Y
CORRIENTE ELECTROLITICAS.
6.- SELLAR ZONAS DE PERDIDA DE CIRCULACIÓN Y FORMACIONES
PROBLEMÁTICAS Y CONTINUAR LA PERFORACIÓN.
7.- PROTEGER A LAS CAÑERIAS DE SEGURIDAD, INTERMEDIAS
DURANTE LA PERFORACIÓN DEL POZO. LAS CAÑERÍAS LIBRES A
MENUDO PRESENTAN ROTURAS.
8.- PROVEE UNA BASE PARA LA FRACTURA EN LAS OPERACIONES
DE FRACTURAMIENTO EN LAS CEMENTACIONES A PRESIÓN.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 156
6.4.- TÉCNICAS DE CEMENTACION DE CAÑERÍAS
La mayoría de las cementaciones primarias se efectúan bombeando la
lechada por la cañeria, alojándose esta en el anular desde abajo. Sin
embargo, existen algunas técnicas especiales para casos atípicos.
Entre las distintas técnicas podemos citar:
1.- Cementación a través del casing (técnica de desplazamiento normal)
2.- Cementación por etapas (para pozos que poseen gradientes de fracturas
críticos)
3.- Cementación por medio de una cañería interior al casing (empleada en la
cementación de cañerías de gran diámetro)
4.- Cementación por medio de tubing bajado por el anular (empleada en la
cementación de casings de superficie).
5.- Cementación por circulación inversa (aplicable en la cementación de
formaciones críticas).
6.- Cementación de fragüe retardado (se la efectúa en formaciones criticas con
la intención de mejorar el emplazamiento)
7.- Cementación con múltiples cañerías (empleada en la cementación de
tubings de pequeño diámetro)
1.- Cementación a través del casing
En la cementación de cañerías de conducción, superficie, protección y
producción se utiliza el método de cementar a través del casing en una sola
etapa. El cemento se bombea por el interior del casing, los dispositivos de
flotación (cuando se los emplea) y de allí al anular, empleando tapones inferior
y superior. Existen varios tipos de cabezas de cementación, así como también
adaptadores que permiten rotar o reciprocar la cañería durante la operación.
2.- Cementación por etapas.
Son cementaciones primarias que se llevan a cabo en 2 o más etapas. Se
ejecutan en pozos que requieren una columna de cemento alta en los cuales
las formaciones débiles no soportan las presiones hidrostática que aparecen
durante la operación.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 157
Una desventaja de este método es aquel casing no puede moverse una vez
finalizada la primer etapa. Esto incrementa la posibilidad de canalización, no
obteniéndose, en general, una remoción completa de todo el revoque.
3.- Cementación por medio de una cañería interior al casing
Cuando se cementa una cañería de gran diámetro, es como hacerlo a través
de una cañería que se baja por dentro de la misma. Este procedimiento reduce
el tiempo de la cementación, así como también el volumen de cemento
requerido para bombear al tapón. De esta forma se evita tener que maniobrar
con la gran cantidad de cemento que representa al volumen de todo el casing
si la cementación se efectuara a través del mismo por el método convencional.
Esta técnica emplea dispositivos de flotación, guía y deflexión especiales,
juntamente con adaptadores de cierre para cañerías de pequeño diámetro.
La cementación por una cañería interior al casing permite el uso de tapones de
pequeños diámetro y en los casos en que se bajen válvulas para contra
presiones, es posible, tan pronto como el tapón es fijado, desenroscar la
cañería interior y sacarla del pozo.
4.- Cementación por medio de tubing por anular.
El bombeo de cemento a través de tubing o de cañerías de pequeño diámetro
bajados al pozo entre casings o entre casing y formación es un método
comúnmente empleado en la cementación de casing de superficie a fin de
obtener tope de cemento con la superficie. A veces esta técnica se emplea
para reparaciones de pozos. Tal el caso de casings que resultan dañados
cuando arena y gas, a gran presión, acometen contra los mismos desde pozos
lindantes. En tales circunstancias el casing debe ser reparado cementando el
anular.
5.- Cementación por circulación inversa.
Consiste en bombear el cemento por anular, desplazando los lodos hacia el
interior del casing y de ahí a la superficie.
Este trabajo requiere modificaciones en la cabeza de cementación, los
dispositivos de flotación y llenado diferencial.
Este método se emplea cuando no es posible bombear la lechada en régimen
turbulento sin producir fractura en las zonas débiles por encima del zapato.
Esto permite en un rango amplio de lechadas, emplazar el cemento más
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Pet-219 Arturo López G. Página 158
pesado o retardarlo en la porción más baja del casing, y la lechada más liviana
o acelerada en la porción superior.
Un inconveniente de este método es que el final del desplazamiento de
cemento no puede ser detectado como una presión. Esta dificultad puede
conducir a errores en el cálculo del volumen anular requiere, por tanto,
disponer de suficiente lechada y de un volumen de lodo suficiente para llevar a
cabo el completo emplazamiento del cemento.
Para asegurar el cementado del zapato, un exceso de 300 pies de cemento por
encima del zapato (dentro de casing) es normalmente aceptado.
El corrido previo de un caliper, ayuda notablemente a calcular con mayor
precisión el volumen de cemento mas exceso que deberá emplearse en la
cementación.
Durante la cementación es fundamental llevar un control a cada instante de los
volúmenes bombeados.
6.- Cementaciones con cemento de frague retardado.
La técnica de cementación de pozos con lechadas con fragüe retardado
permite obtener un anillo de cemento más uniforme alrededor del casing que el
que se obtendrá comentando por los métodos convencionales.
El cemento es emplazado bombeándolo a través de la sarta de perforación al
anular, el mismo se halla retardado y se le adiciona un control de filtrado. Una
vez llenado el pozo, se desenrosca la sarta y se baja el casing o liner a
cementar hasta el fondo del pozo dentro del cemento aun sin fraguar.
Después que el cemento a fraguado, se lo rota y se lo trabaja con los métodos
convencionales.
Esta técnica se emplea cuando se bajan múltiples tubings (o múltiples cañerías
de producción) en un mismo pozo.
Cuando el casing es bajado en la lechada, el lodo que queda en el anular se
mezcla con la misma, lo cual a menudo no es deseable que ocurra, por lo
tanto, lo más común es confinar al lodo en bolsillos o canales.
Este método permite prolongar la reciprocación del casing, con lo cual se
obtendrá un anillo más uniforme de cemento.
Una desventaja en cuanto a costos es que al ser el tiempo de espera del
cemento (WOC time) mucho mayor que el de los métodos convencionales, el
equipo debe permanecer muchas más horas en espera de fragüe.
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Los cementos utilizados en esta técnica contienen generalmente 6 a 8 % de
bentonita, dispersante y control de filtrado, suficiente retardador como para
obtener tiempos de fragüe de 18 a 36 horas.
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TEMA VII CÁLCULOS BÁSICOS – BALANCE DE MATERIA
Competencia: El estudiante analiza los materiales a utilizar y calcula la
cantidad de cada uno de ellos; utiliza diámetros promedios o factores de
seguridad para calcular los volúmenes de lechadas que necesita para una
determinada operación de cementación.
7.1.- BALANCE DE MATERIA – CALCULOS PARA PREPARAR UNA
LECHADA.
7.1.1.- Para lechadas con agua y cemento
Cemento
Agua
BALANCE DE MASAS
Masa Cemento + Masa de agua = Masa de lechada (se conserva la masa )
BALANCE DE VOLUMENES
Volumen de Cemento + Volumen de Agua = Volumen de Lechada (se
mantiene los volúmenes )
La densidad de la lechada será =Dl = Masa lechada / Volumen lechada ,
(lb / gal)
Ml Vl
Cemento A (lbs) A(lbs )/ G.E x 8.33 (lb/gal)
Agua X (%) A/100 X (%) A/100xG.Ex 8.33
Ml = Masa Lechada = A + XA/100 = A ( (100 + X) /100 )
Vl = Volumen lechada = A/3.14 x 8.33 + XA/ 100 x 8.33 = A/8.33 (1/3.14 +
X/100)
= A/8.33 ((100 + 3.14 X)/3.14 x 100) =
Camión mezclador
Blender
LECHADA
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= (A/8.33 x 3.14 x 100) (100 + 3.14 X)
Ml
Dl = ----------- = 26.16( ( 100 + X) / (100 + 3.14 X))
Vl
GE = Gravedad especifica del cemento
A = lbs de cemento que tiene cada saco
Es importante analizar la ecuación de arriba, porque nos dice que la densidad
de la lechada depende de dos variables , X ( que corresponde al % de agua
que se le agregara a la lechada ) y 3.14 (GE ) , que es la gravedad especifica
del cemento.
IMPORTANTE
TODOS LOS ADITIVOS QUE SE AGREGA A UNA LECHADA , INCLUSO EL
AGUA (%) , ESTAN REFERIDOS A LA MASA DEL CEMENTO .
RENDIMEINTO DE LA LECHADA ( RL )
RL = Volumen del cemento + Volumen de agua
= A/8.33 x 3.14 (( 100 + 3.14X) / 100 )
El rendimiento de la lechada depende de X y A (de la cantidad de lbs
cemento que tenga el saco )
7.1.2.- Lechadas con cemento, bentonita y agua
Vamos a preparar una lechada con cemento clase A, los sacos del
cemento son de 110 lbs. , llevara un 10 % de bentonita.
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Ml Vl
Cemento 110 (lbs) 110lb/ 3.14 x 8.33 (lb/gal)
Bentonita 10 x 110 /100 10 x 110 /100 /2.6 x 8.33
Agua (46 + 5.3 x 10) 110 lb/100 (46 + 5.3 x 10) 110 lb/100 x 8.33
5.3 Corresponde al 1 % de bentonita
2.6 Corresponde a la gravedad específica de la bentonita
Ml = 110 lb + 11lb + 108.9 lb = 229.9 lb
Vl = 4.2 gal + 0.507 gal + 13.07 gal = 17.77 gal
Dl = 229.9 lb / 17.77gal = 12.93 lb/gal
RL = 17.77 gal/ sc = 0.423 bbl /sc
Ejercicio # 1. Cementación de una cañería de superficie
El objetivo del ejercicio, es cementar una cañería de 13 .375 “ ( OD ) , ID =
12.78” , del fondo pozo a superficie. Utilice un cemento clase A, de 110 lb
/sc , de 15.6 lb /gal de densidad , se asumirá que se corrió registros de
caliper en este pozo.
11lb
108.9 lb
4.2 gal
0.507 gal
13.07 gal
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Zapato de 13.325” en 495 m , Collar flotador en 485 m
Tramo , m DH , pulgada DHi2 xi DHi
2
500 - 450 19.5 380.25 19012.5
450 - 400 19.0 361.00 18050.00
400 - 350 20.5 420.25 21012.50
350 - 300 22.0 484.00 24200.00
300 - 250 22.0 484.00 24200.00
250 - 200 23 529.00 26450.00
200 - 50 23 529.00 26450.00
50 - 0 19 361.00 18050.00
Hay que calcular la cantidad de cemento y agua que necesitamos:
1.- Calcular el diámetro promedio del agujero abierto
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a) DH = ∑ xi DHi / ∑ xi b) DH = ∑ xi DHi / ∑ xi 1/2
= 19.1 “ = 20.19 “
Usaremos el valor de b)
2.- Calcular el volumen de la lechada por zonas
Zona 1 = (ID2cg / 314 ) x L(m) = (12.782 / 314 ) x 10 = 5.20 bbl
Zona 2 = ((D2H /314) ) x L(m) = (( 20.192 – 13.3252 )/314)) x 5 = 6.49 bbl
Zona 3 = ((D2H– OD2
cg) /314) ) x L(m) = (( 20.192 – 13.3252 )/314)) x 445 =
324.17 bbl
Zona 4 = ((ID2cg - OD2
cg) /314) )x L = ((202 - 13.3252 )/314)) x 50 = 28,99 bbl
Volumen total de lechada = zona 1 +zona 2+ zona 3 +zona 4 = 365 bbl
3.- Calcular el % de agua que tiene la lechada
De :
Dl = 2.16 ((100 + X )/ (100 + 3.14 X))
Reemplazando el valor de la densidad en la ecuación superior
Calcular el valor de X , X = 46.46 %
4.- Calculo del rendimiento de la lechada
Para esto debemos realizar el balance de masa
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Ml Vl
Cemento 110 (lbs) 110lb/ 3.14 x 8.33 (lb/gal)
Agua 46 .66 x 110 lb/100 46.46 x 110 lb/100 x 8.33
Ml = 110 lb + 51.1 lb = 161.1 lb
Vl = 4.2 gal + 6.13 gal = 10.32 gal /sc
RL = 10.32 gal /sc = 0.245 bbl /sc
4.- Calculo del número de sacos para cementar la cañería
# sacos = Volumen de lechada / RL = 365 bbl / 0245 bbl /sc = 1490 sacos
5.- Barriles de agua que necesitamos para la lechada
Bbl agua = gal agua /sc x # sacos =6.13 gal /sc x 1490 sc =9133.7 gal =
217.5 bbl
6.- Explicar que puede haber ocurrido, si la terminar la cementación
(cuando llega el tapón superior al collar flotador) , en superficie se
observa que se botaron al campo 50 bbl de lechada. ¿
7.- Ídem anterior, pero se observa que la lechada solo llego hasta los 50
metros (no circulo lechada en superficie) , ?
Ejercicio # 2
Es un ejemplo real de cálculo de la cementación de cañería intermedia.
Normalmente se utiliza dos tipos de lechadas. Una que se coloca en el
fondo de pozo (lechada principal de FP a 1850 m) , otra que se coloca de
1850 m hasta superficie llamada lechada liviana extendida o removedora.
En un programa de cementación hay que presentar la siguiente
información de acuerdo a las tablas siguientes.
51.1 lb
4.2 gal
6.13 gal
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DATOS GENERALES DEL POZO
Equipo HP 122
Pozo PLM – B5
Diámetro del trepano 12 . 25 “
D – Promedio del pozo 12.25” + 50%
Profundidad medida 2250 m
Profundidad vertical 2245 m
Diámetro cañería 9 .625 “
Ultimo zapato pozo 85 m Cañería 13.325 “
Temperatura estática 155 155 *F
Temperatura circulación 130 *F
CARACTERISTICAS DE LA CAÑERIA
Diámetro externo 9.625 “
Diámetro interno 8.921”
Grado K-55
Rosca Buttres
Peso 36 lbs /pie
Intervalo 0 - 2245 m
Colapso 2020 psi
Reventamiento 3520 psi
Tensión 755000 lbs
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INFORMACION LECHADA LIVIANA 10 % BENTONITA
Tipo de cemento Clase A COBOCE /110 lb/sc
Densidad Lb/gal ?
Rendimiento Bbl ?
Requerimiento de agua Gal /sc ?
Tiempo bombeabilidad 5.5 hrs
Sin Aditivos
INFORMACION DE LECHADA PRINCIPAL
Tipo de cemento Clase A COBOCE /110 lb/sc
Densidad 15.6 Lb/gal
Rendimiento Bbl ?
Requerimiento de agua Gal /sc ?
Tiempo bombeabilidad 5.0 hrs
Retardador ( HR-S) 0.5 % GE = 1.57
Antiespumante ( Dair ) 0.25 % GE = 1.35
PROPIEDADES DEL LODO
Tipo de lodo B.E.X
Densidad 9.0 Lb/gal
Viscosidad plástica 20 Cp
Punto cedente 15 Lpcpc
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PROPIEDADES DE LOS ESPACIADORES
Agua
Densidad 8.33 Lb/gal
Volumen 40 bbl
PROCEDIMIENTO OPERACIONAL
A. PREPARACION PREVIA
1.- Una vez que la cañería esta en el pozo, medirla y calibrar. Verificar
peso y grado.
2.- Limpiar roscas
3.- Verificar que todos los accesorios que vamos a utilizar en la bajada de
la cañería sean los correctos y estén en buen estado.
B.- BAJADA DE LA CAÑERIA
1.- Conectar enroscando el zapato guía. a la primera pieza de cañería de 9
.625 “ , luego entre la segunda y tercera pieza colocar el collar flotador,
continuar bajando cañería hasta llegar a los 2245 m , colocar los
centralizadores donde corresponde.
2.- Una vez la cañería esta en el F.P , colocar la cabeza de cementación .
Trate de circular, iniciando a bajo caudal, moviendo la cañería. Circular y
acondicionar lodo.
C.- CEMENTACION
1.- Probar las líneas de superficie con 4000 psi con agua.
2.- Largar el tapón inferior de limpieza, desplazarlo con 5 bbl de agua,
luego chequear si bajo el tapón, luego bombear los 35 bbl de agua
restantes.
3.- Mezclar y bombear la lechada liviana X bbl a 6 a 8 bpm ?
4.- Mezclar y bombear la lechada principal Y bbl a 6 a 8 bpm
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5.- Soltar el tapón superior. Desplazar con agua Z bbl a 8 bpm
6.- Asentar el tapon superior con 3000 psi
7.- Desfogar y observar si hay devolución de agua hacia el camión, con
esto se verifica el trabajo del collar flotador.
8.- Esperar frague +- 8 horas
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CALCULOS
A.- CAPACIDADES
INFORMACIÓN SACADA DE TABLAS
Cap. CSG 9.625” = 0.0773 bbl/pie
Cap. Agujero, 12 .25” = 0.1428 bbl /pie
Cap. Agujero , 12 .25” - OD 9.625” = 0.0558 bbl /pie
Cap. ID CSG 13.325” - OD 9.625” = 0.0597 bbl /pie
B.- VOLUMENES
B.1.- Volúmenes de lechada principal
V 1 = 0.0773 bbl /pie x 20 m x 3.281 pie/m = 5.07 bbl
V 2 = 0.1458 bbl /pie x 5m x 3.281 pie/m x 1.5 (factor seg. ) = 3.59 bbl
V 3 = 0.0558 bbl/pie (2245m – 1850 m) 3.281 pie/m x 1.5 = 108.44 bbl
Volumen de lechada principal = V1 +V2+V3 = 117.13 bbl
B.2.- Volúmenes de lechada liviana
V 4 = 0.0558 bbl/pie (1850m – 85 m) 3.281 pie/m x 1.5 = 484,70 bbl
V 5 = 0.05970 bbl/pie x 85 m x3.281 pie/m = 16.64 bbl
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Volúmenes de la lechada liviana = V 4 + V5 = 500.8 bbl
C.- BALANCE DE MATERIALES PARA LA EXTENDIDAD
Ml Vl
Cemento 110 (lbs) 110lb/ 3.14 x 8.33 (lb/gal)
Bentonita 10 x 110 /100 10 x 110 /100 /2.6 x 8.33
Agua 46 + 5.3 x 10 110 lb/100 46 + 5.3 x 10 110 lb/100 x 8.33
Ml = 110lb + 11lb+ 108.9lb = 229.9 lb
Vl = 4.2 gal + 0.507 gal+ 13.07 gal = 17.78 bbl
Ahora calculemos la densidad de la lechada.
Dl = Ml / Vl = 229.9 lb/ 17.78 gal = 12.93 lb/gal
Rl = 17.78 gal/sc = 0.423 bbl/sc
Llevar estos valores a las tablas iníciales
C.1. - Materiales para la lechada extendida
# sacos cemento = Volumen lechada extendida / Rlp
= 501.2 bbl / 0423 bbl/sc = 1184 sacos
# sacos de bentonita = % bentonita x Masa de cemento
=( 0.10 x 1184 sac x 110lb /sac ) 1saco / 100lb = 130.2 sacos
Gal agua = Gal agua /sc x # sacos cemento
= 13.07 gal /sc x 1184 sacos = 15474.8 gal = 368.4 bbl
D.- BALANCE DE MATERIALES PARA LECHADA PRINCIPAL
Lo primero que tenemos que realizar es calcular a partir de la densidad de la
lechada él % de agua X
11lb
108.9 lb
4.2 gal
0.507 gal
13.07 gal
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Dl = ------ = 15.6
Calculando X , es = 46.2 % , ahora podemos calcular el rendimiento de la
lechada principal.
Generalmente la influencia de los aditivos en la densidad y volumen de la
lechada es despreciable, pero lo calcularemos con los aditivos.
Ml Vl
Cemento 110 (lbs) 110lb/ 3.14 x 8.33 (lb/gal)
Agua 46.2) 110 lb/100 46.46 x 110 lb/100 x 8.33
HR – 4 0.5 x 110lb/100 (0.5 x 110lb/100)/1.57x 8.33
D- Air 0.25 x 110lb/100 (0.25 x110lb/100)/1.35 x 8.33
Ml = 110 lb + 50.82 lb + 0.55 lb + 0.275 lb = 161.64 lb
Vl = 4.2 gal + 6.10 gal + 0.04 + 0.02 = 10.36 gal /sc
RL = 10.36 gal /sc = 0.250 bbl /sc
D.1. - Materiales para la lechada principal
# sacos cemento = Volumen lechada principal / Rlp
= 117.13 bbl / 0.250 bbl/sc = 476 sacos
Lbs de HR -4 = (0.5 /100)( 476 sacos) ( 110lbs /sc)
= 261.8 lbs
Lbs D-air = 80.25/100)(476 sacos) 110lbs /sc)
= 131 lbs
50.82
lb
4.2 gal
6.10 gal
0.55 lb
0.04 gal
0.275 lb
0.02 gal
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RESUMEN DE MATERIALES PARA REALIZAR LA CEMENTACION DEL POZO
Materiales Lechada Extendida Lechada Principal Total
Cemento clase A 1184 476 1660 sacos
Bentonita,sacos 130 0 130
Agua 368.4 69.13 437.53 bbl
HR -4 0 261.8 261.8 lbs
D-air 0 131 131 lbs
E.- VOLUMEN TEORICO DE DESPLAZAMIENTO
Vdt = Cap9.25” x Prof. Collar flotador = 0.0773 bbl /pie x 2225 m x 3.281 pie /m = 564.3bbl
E1.- Compresibilidad
Por lo general las compañías de servicio de cementación no
consideran la compresibilidad del agua; pero si es importante hacerlo
cuando estamos cementando con lodos base aceite, la razón es que el
hidrocarburo es mucho más comprensible que el agua. Ahora vamos a
trabajar con el factor de compresibilidad del agua para calcular el
volumen de desplazamiento real.
Volumen de comprensibilidad = VC = Vdt x Pm xFc Fc = Factor de
comprensibilidad agua = 2.6 x 10-6
Pm = Presión media = ( PhEA + Pdesb. ) /2
PhEA = Presión en el EA
Pdesb = Presión de desbalance el collar flotador
PhEA = 0.052 x 3.281 ( 375 m x 15.6 lb/gal + 1850mx 12.93 lb/gal ) = 5079psi
Pdesb = PhEA - Phd = 5079 psi - 3162 psi = 1917 psi
Phd = 0.052 x 3.281 pie /m x 2225m x 8.33 lb/gal = 3162 psi
Pm = ( PhEA + Pdesb. ) /2 = ( 5079 psi + 1917 psi )/2 = 3498psi
VC = Vdt x Pm x Fc = 564.3 * 3498* 2.6 * 10-6
= 5.1 bbl
El Volumen de desplazamiento real es :
Vdr = Vdt + VC = 564.3 + 5.1 = 569.4 bbl
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 174
F.- PESO DE LA CAÑERIA EN EL AIRE
Pca = 2245 m x 3,281 pie/m x 36 lb /pie = 265170.9 lbs
F1.- PESO CAÑERIA LODO
Pcl = Ff x Pca = 0.862 x 265170.9 = 228577 lbs
Ff = 1 – ( Dl/65.4) = 1 – 9 /65.4 = 0.862
G.- VOLUMEN DESPLAZADO POR LA CAÑERIA
Información que sacamos de tablas. Csg – 9 .625” ( 36 lb /pie) = 0.0131 lb/pie
VD = 0.0131 bbl /pie x 2245 m x 3.281pie/m = 95.7 bbl
H.- PRESION MAXIMA PARA ROMPER CIRCULACION EN EL F.P ( PMC)
Calcularemos usando la presión de fractura. En 2100 m la densidad de fractura es de 13.5 lb /gal
PMC = 0.052 x3,281 ( 13.5 – 9.0 ) 2100 m = 1612 psi
I.- DENSIDAD EQUIVALENTE EN F.P AL TERMINAR LA CEMENTACION
DEQ = PHea / 0.052 x 2245 m x 3.281 = 5106 psi // 0.052 x 2245 m x 3.281 = 13.3 lb /gal
J.- PRESION MAXIMA PARA ASENTAR EL TAPON
PMAX = ( Rtx 0.75 - Pcl + Pdesb x Ai ) / Ai
=( 755000 x 0.75 – 228577 x 62.50) 62.50 = 7334 psi
Ai = π/4 x d2 = (3.1416/4) (8.921”
2) = 62.5
K.- CALCULO APROXIMADO DEL TIEMPO DE OPERACION
Actividad Volumen , bbl Caudal bpm Tiempo , minutos
1.- Preparar y bombear la
Lechada extendidad
501 6 84
2.- Idem para lechada
principal
117.2 6 20
3.- Largar el tapon superior 10
4.- Desplazar con agua 569.4 8 71
TIEMPO DE OPERACION 185 MINUTOS
3,05 hr: min
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 175
Recordar que los tiempos de bombeabilidad de las lechadas es mayor a 300 minutos.
TEMA VIII CEMENTACION POR ETAPAS Y PREFLUJOS
Competencia: El alumno analiza, sugiere las propiedades que debe tener un
determinado preflujo, calcula el volumen requerido de cada uno de estos fluidos
y además conoce de la importancia que estas propiedades de los preflujos que
deben ser determinadas en campo.
1.0.- Porque es necesario cementar una cañería por etapas
2.0.- Los accesorios para cementar por etapas
3.0.- La importancia de los pre flujos
4.0.- Propiedades de los colchones y lavadores químicos
5.0.- La importancia de la limpieza del pozo con los pre flujos
6.0.- Diseño de los pre flujos y características
7.0.- Ensayos de compatibilidad de los pre flujos, con la lechada y el lodo
8.1- POR QUE ES NECESARIO CEMENTAR UNA CAÑERIA EN ETAPAS
Hasta ahora hemos visto que para cementar el caño guía, la cañería superficial
y la intermedia, se lo realiza del fondo a superficie, estos para conseguir entre
otras cosas:
- Asegurar la cañería
- Evitar la contaminación de las aguas superficiales, y de fluidos entre sí.
- Para soportar las otras cañería que bajan al pozo
Las profundidades a las que bajamos estas cañerías no son tan largas , si lo
fuesen , hemos visto que se pueden diseñar dos tipos de lechadas , una
lechada extendida con bentonita y la que se coloca en fondo del pozo llamada
lechada principal . Las lechada utilizadas hasta la fecha fueron preparadas con
agua y cemento, y aditivos básicos, tenemos que recordar que a medida que
se profundiza el pozo tenemos aumento de la temperatura de fondo y de la
presión que actúan sobre la lechada, esto hace que tengamos que agregar
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 176
aditivos a la lechada para obtener las propiedades que se requiere para realizar
la cementación de la cañería, principalmente la de producción. Lógicamente
estas lechada con aditivos tienen un mayor costo. $us / bbl.
Para cementar una cañería de 7 “ de producción a 4500 metros, vamos a tener
los siguientes problemas:
- No podemos pensar en cementar la cañería de Fondo pozo a
superficie, dado que tenemos la posibilidad de fracturar la formación,
debido al alto valor de la presión hidrostática generada por la larga
columna de cemento en el EA.
- No es económico utilizar una lechada con alto valor $us/bbl, del
fondo del pozo a superficie.
- Técnicamente tratar de cementar de fondo a superficie, hace que
podamos encontrar los siguiente problemas.
Canalización del cemento
Formación de anillos de cemento
Perdidas de circulación
Es antieconómico
Los tres primeros puntos , van originar gastos excesivos dado que tenemos
que realizar cementaciones correctivas a presión ,, lo que va encarecer el
costo el pozo . Quizás lo más importante de entender es que una cementación
a presión, no siempre es recomendable, dado que trabajos de investigación
han mostrado que las mismas producen daño al reservorio. Para evitarse
estos problemas, es que estas cañerías deben cementarse por etapas.
¨ Las cementaciones por etapas(todas son cementaciones primarias), se
efectúan en una 2da , 3era etapas , según sea las condiciones del pozo”
Las cementaciones se las realiza, cuando vamos a cementar largas cañerías
y/o cuando tenemos zonas con bajos gradientes de fractura, tenemos que
tener disponible por lo menos la siguiente información:
a) Información de los diámetros del pozo , cañerías anteriores , las
longitudes , desviación , temperatura y presión de F.P , los gradientes de
fractura , como también la litología del pozo, el diámetro promedio del pozo lo
conocemos luego de correr el registro del calapé , con esto vemos que
volumen de lechada necesitamos , que régimen podemos desplazar la lechada
durante la cementación , temperatura definirá que tipo de cemento se utilizara ,
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 177
la presión define la densidad de la lechada , con la desviación del pozo vemos
que podeos calcular la cantidad de centralizadores, siempre debe colocarse
centralizadores en :
- Entre la primera y segunda pieza
- En la cañería adyacente al intervalo donde el pegamiento diferencial es
probable.
- En la zonas donde tenemos curvas , incremento de desviación
- Antes de ingresar a la arena de interés, y al salir.
b) Tener suficiente información del lodo :
- Densidad máxima del lodo
- Valor del filtrado , iones en el filtrado
- Reologia y geles
- Tipo de lodo base agua , aceite
c) Tener datos de compatibilidad del lodo y de la lechada con los
colchones separadores.
8.2.- LOS ACCESORIOS PARA CEMENTAR POR ETAPAS
En forma resumida indicaremos los pasos para realizar una cementación
por etapas:
0.- Lodo del pozo acondicionado
1.- Preparar y colocar zapato guía según diseño en primera pieza de CSG -
7”
2.- Bajar dos piezas de cañería de 7”
3.- Armar y bajar el collar diferencial , con asiento para tapones
4.- Continuar bajando N piezas de cañería.( colocar centralizadores de
acuerdo al programa )
5.- Armar y colocar collar doble etapa (CDE) , profundidad definida
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Pet-219 Arturo López G. Página 178
6.- Continuar bajando N´ piezas de cañería para llegar a profundidad
programada
7.- Una vez que la cañería esta en F.P, largar bolilla para convertir collar
diferencia el collar flotador.
8.- Circula y acondicionar lodo para efectuar cementación de primera
etapa
9.- Termina la cementación de la primera etapa, largar torpedo para abrir
CDE, y circular lodo por CDE, acondicionar lodo.
10.- Realizar cementación de segunda etapa.
Veamos como se lo plantearía el ejercicio.
Ejercicio # 3
Cementar la cañería de producción de 7 “, en dos etapas.
Profundidad de pozo 4500 m
Diámetro de trepano 8.5 “
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Diámetro promedio 9.5 “
Cañería de 7” lbs/pie 26
Diámetro interno cañería 6.36”
Collar doble etapa en 2550m
Collar diferencia en 4475 m
Información de la lechada principal
Cemento clase G Loma negra
Densidad lb /gal 15.6
Filtrado , cc 70 Con aditivo
Resistencia la
compresión , 8 horas
1200 psi
Bombeabilidad , hrs: min 4: 20
Información de la lechada secundaria
Cemento clase G Loma negra
Densidad lb /gal 15.6
Filtrado , cc N/c
Resistencia la compresión ,
8 horas
900 psi Cloruro de
calcio
Bombeabilidad , hrs: min 4: 20 3:40
Preflujos :
- Como colchón químico utilizamos agua + pirofosfato de sodio
- Como Espaciador utilizamos Spacer -3000
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Accesorios a usar:
Zapato guía, collar diferencial, Tapones superior e inferior, collar doble etapa ,
con sus accesorios torpedo , centralizadores y cabeza de cementación.
8.3.-PREFLUJOS EFECTIVIDAD DE REMOCION DEL LODO
La eliminación efectiva del fluido de perforación es un requisito previo
para el éxito de la operación de cementación (Fig. 36a y 36b).
Cuando la lechada de cemento fragua, el lodo que queda en el pozo puede
impedir la formación de un sello hidráulico, lo cual a su vez puede
generar fenómenos adversos tales como:
Producción de fluidos no deseados,
Perdida de hidrocarburos a zonas de baja presión.
Existencia de presión detrás de la cañería de revestimiento.
Corrosión acelerada de la cañería de revestimiento.
La solución de estos problemas demanda gastos adicionales y
generalmente inesperados. Además del estado general y de la calidad del
pozo, entre estos factores que afectan la eliminación del lodo se
encuentra el acondicionamiento del mismo, los procedimientos de
desplazamiento, la geometría del pozo y la centralización de la cañería de
revestimiento.
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Fig. 36a: Deficiente Fig.37b: Eficiente
Desplazamiento del lodo desplazamiento del lodo
8.4 LIMPIEZA DEL POZO
Para tener un pozo limpio, se debe controlar y optimizar las propiedades
del lodo (viscosidad plástica, punto cedente, gel), se debe pensar en la
utilización de raspadores (escariadores) para poder remover la película
de lodo (revoque) que se forma en las paredes del pozo.
También se debe mantener más de un 95% del volumen del pozo en
movimiento, este porcentaje no se podrá obtener si la cañería se
encuentra apoyada hacia alguno de los lados del pozo, este factor se
conoce como Stand Off (Fig.37).
Si se tiene un Stand Off menor a 75% el desplazamiento del lodo del
anular no será eficiente, para esto se debe tener un eficiente desempeño
de los centralizadores, además es muy conveniente una vez bajado el
revestimiento, rotarlo y moverlo arriba hacia abajo (reciprocar) (Fig. 38), es
o facilitara la remoción del lodo así como el revoque del mismo.
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Pet-219 Arturo López G. Página 182
También se deberá tener un registro estricto del calibre del pozo, para
poder identificar posibles cavernas que imposibiliten una buena limpieza
del pozo, para calcular el volumen exacto de lechada necesaria para la
cementación.
Fig.37: Stand Off
4.1.2.- Acondicionamiento del lodo
Previo a la operación de cementación, se debe acondicionar las
propiedades del lodo, esto significa bajar la viscosidad plástica y punto
cedente sin comprometer la estabilidad del pozo.
Incompatibilidad entre lodo y lechada de cemento:
La incompatibilidad es cuando dos fluidos forman una mezcla y
experimentan indeseables reacciones químicas. Ejemplo de
incompatibilidad en la lechada de cemento y lodo (Fig. 39).
El cemento y el lodo son incompatibles porque existe abundante calcio en el
cemento y eso ocasiona la floculación de las arcillas de lodo.
Efectos de la incompatibilidad:
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Pet-219 Arturo López G. Página 183
- Altas presiones de desplazamiento.
- Llenado incompleto del anular.
- Baja resistencia a la compresión.
- Pobre adherencia del cemento.
- Pobre aislamiento zonal.
- Influjo de gas o fluido.
- Terminación de trabajo prematuro o fallado.
-
Fig. 39: Incompatibilidad entre lechada de cemento y fluido de
perforación (Lodo)
Número de Erodabilidad
Para obtener un exitoso trabajo en la cementación de un pozo, el fondo
del mismo debe estar apropiadamente acondicionado para romper los
esfuerzos de geles de los fluidos que están ubicados en el espacio anular,
para alcanzar una mayor facilidad en el desplazamiento de es e y
cualquier partícula de fluido deshidratado del anular.
Se debe remover al máximo el revoque del filtrado antes de desplazar la
lechada de cemento al espacio anular y así garantizar una buena adherencia
entre las interfaces cemento-formación y cemento-cañería.
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La Erodabilidad es la medida de cuán fácil o difícil es remover el fluido
de perforación parcialmente deshidratado y el revoque del mismo de las
paredes del pozo. (Fig. 40).
Fig. 40: Lodo difícil de ser removido
Matemáticamente, el número de erodabilidad es calculado por la siguiente
ecuación:
Ed = 600 / ly
Donde:
Ed = Numero de Erodabilidad
y = Mínima fuerza requerido para remover el fluido de perforación bajo las
condiciones de fondo de pozo (lb/100 ft)2.
Dependiendo del número de Erodabilidad, los sistemas de lodo pueden ser
clasificados de la siguiente manera.
- Sistemas de lodo difícil de ser removido, si: Ed 5
- Sistemas de lodo moderadamente difícil de ser removido, si: 5 Ed 10
- Sistemas de lodo moderadamente fácil de ser removido, si: 10 Ed 20
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- Sistemas de lodo fácil de ser removido, si 20 Ed 30
- Sistema de lodo bastante fácil de ser removido, si: Ed > 30
Los pre flujos funcionan como espaciadores, minimizan el mezclado
interfacial en el interior y anular de la cañería (Fig. 41) , tienen varias
características, dependiendo del sistema de lodo y de sus varias
funciones, algunos contiene aditivos para adelgazar el lodo, penetrar y
aflojar el revoque de fluido de perforación.
8.- COMO FUNCIONAN LOS PREFLUJOS
Fig. 41: Los pre flujos evitan el
mezclado de la lechada de
cemento con el lodo
Colchones químicos y mecánicos
Durante los pasos previos a la cementación de una cañería de
revestimiento, una cuadrilla de cementación bombea una serie de fluidos
por la cañería para desplazar el fluido de perforación del interior al
espacio anular existente (Fig.41).
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Pet-219 Arturo López G. Página 186
El primer fluido bombeado suele ser un colchón químico lavador seguido
por un colchón mecánico que separa el fluido de perforación de la echada
de cemento.
La densidad y viscosidad de los colchones químicos son similares a la del
agua o petróleo, se puede utilizar agua, diesel o petróleo como fluido
base para los lavadores químicos. Si se bombean delante de la lechada
de cemento, contribuyen a la eliminación del lodo porque lo diluyen,
reducen su densidad y lo dispersan.
Los colchones químicos pueden formularse de manera al que eliminen tanto
los fluidos de perforación base agua como los fluidos base aceite. Los
colchones químicos tienen baja viscosidad, se bombean en condiciones de flujo
turbulento.
Para lodos base aceite, los surfactantes utilizados en los colchones
químicos y mecánicos, modifican la mojabilidad de la cañería de
revestimiento y de la formación alrededor del pozo, que pasa de la
condición de mojada con petróleo a mojada con agua. Esto contribuye a
mejorar la adherencia del cemento.
Los espaciadores son químicamente compatibles tanto con el fluido de
perforación como con la lechada de cemento durante el desplazamiento.
El desplazamiento total del fluido de perforación por el espaciador es
crucial para el establecimiento del aislamiento zonal, un desplazamiento
incompleto puede conducir a la formación de un canal de lodo continuo en
la zona de interés, creando vías de comunicación entre las distintas
zonas. Esta comunicación conduce a la producción de fluidos no
deseados, la perdida de hidrocarburos e incluso la migración de los fluidos
hacia la superficie.
Las propiedades de los espaciadores para un trabajo en particular
siempre deben estudiarse de manera que resulte compatible con el lodo y
el cemento.
El grado de eliminación del lodo y la presencia de canales se vinculan
más comúnmente con la geometría, la rugosidad y las cavernas del
pozo, así como la viscosidad y la densidad de los fluidos contenidos en el
mismo.
Las funciones principales de los espaciadores son:
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- Servir de barrera entre el fluido de perforación y la lechada de
cemento, eliminando así la contaminación entre ambos.
- Limpiar el fluido de perforación de la cañería de revestimiento y de la
formación eliminando así cualquier impedimento de buena
adherencia.
- Actuar como agente mojante para dejar aquohumectado la cañería
de revestimiento y las formaciones.
- Mejoran la calidad de adherencia entre las interfases cañería-cemento y
cemento-formación.
Para que un espaciador sea efectivo, debe entrar dentro de ciertos
márgenes de densidad y compatibilidad. El espaciador debe ser más
denso que el lodo, pero no tan denso como la lechada de cemento. El
margen recomendado debe ser de 1 a 1.5 LPG en cada sentido. Esta
diferencia le permite al espaciador separar los dos fluidos (lechada y lodo) e
impedir que se contaminen uno al otro.
Tiempo de contacto:
Tiempo de contacto es el periodo de tiempo que el flujo de un
espaciador químico o mecánico atraviesa un punto en particular en el
espacio anular durante el desplazamiento, un tiempo de contacto de 10
minutos o mayor a es e proveerá una excelente remoción del lodo, el volumen
de fluido para proveer un específico tiempo de contacto es:
Vt = tc x qd x 5.615 , Vt = Pie 3
8.7.- Evaluación de la cementación:
La cementación exitosa de las cañerías de revestimiento es una
operación difícil que requiere de una planeación apropiada del trabajo en
función de las condiciones del pozo. Las causas de los malos trabajos de
cementación pueden ser clasificadas en dos categorías:
- Problemas de flujo de origen mecánico.
o Cañerías mal centralizadas.
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o Agujeros derrumbados.
o Pre flujos ineficientes.
o Régimen de flujo incorrecto.
Estas condiciones se caracterizan por una remoción incompleta del lodo
en el espacio anular del cemento.
- Degradación de la lechada de cemento durante la etapa de curado o
o Experimentos de laboratorio confirmados por pruebas de campo
han demostrado que la presión diferencial entre la presión de
poro del cemento y la presión de formación es la causa de muchas
fallas en las cementaciones. Este efecto se debe a la migración
de gas dentro de la lechada antes de completarse el curado, la
estructura de poros de la lechada es parcialmente destruida y el
gas genera una red de poros tubulares los cuales crean
permeabilidades al gas. Este cemento gaseoso, a pesar de soportar
la cañería, no es capaz de proporcionar un sello apropiado para
el gas de la formación.
Ya sea que la causa de la mala cementación sea de origen mecánico o de
presión, el resultado afectara el aislamiento hidráulico entre las
formaciones, la cual es la función principal de una cementación primaria.
Un programa de evaluación de la cementación deberá ser capaz de de
terminar no solo la calidad de la operación de cementación o la
necesidad de trabajos de reparación, sino analizar también las causas de las
fallas con el fin mejorar el programa de cementación de futuros pozos en
el mismo campo.
4.3.1.- Registro de adherencia de cemento “CBL”
Es denominado así por las siglas en ingles de Cement Bond Log, o en
español, Registro de Adherencia de Cemento, consiste en utilizar una curva
de amplitudes acústicas para valorar la integridad de la adherencia del
cemento. (Fig.43).
Un CBL mide la amplitud de la señal sónica pasando por una cañería,
esta señal se reduce donde la cañería está bien cementado, la amplitud
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es registrada en milivoltios, entre más grande sea el relleno de cemento en el
anular, más débil es la señal en el receptor.
- Amplitud atenuada: < que 10mV, indica buena adherencia cemento-
revestimiento.
- Amplitud alta: > que 10mV, indica mala adherencia.
Los siguientes puntos tienen una gran incidencia en resultado de un
registro de adherencia de cemento.
1.- Una buena adherencia hidráulica hacia la formación depende del
íntimo contacto entre el cemento y la formación.
2.- Una capa de lodo espeso en la interfase cemento/formación reducirá
considerablemente la adherencia hidráulica.
3.- Altas fuerzas de adherencia pueden ser espectadas en formaciones
muy permeables si el revoque del lodo tiene una uniforme extensión.
5.- El fracaso en remover lodo puede ser más perjudicial para la
adherencia a la formación que para la adherencia a la cañería.
4.3.2.- Registro de densidad variable “VDL”:
Es denominado así por las siglas en ingles de Variable Density Log, o
en español, Registro de densidad variable.
El principio del registro de densidad variable se expresa en la Fig.44:
El tren de onda completo es mostrado en la película como franjas claras
y oscuras, el contraste depende de la amplitud de los picos positivos.
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Pet-219 Arturo López G. Página 190
Fig. 44: Principio del registro VDL
La evidencia de una buena adherencia cañería –cemento será cuando E1 sea
pequeño, salto de ciclo en TT y VDL sin contraste.
Al contrario cuando la cañería este sin cemento será evidenciado cuando E1
sea grande lo que implicara un amplitud al a en el CBL., TT constante, franjas
de VDL bien contrastadas.
El registro de densidad variable es opcional y complementa la información
proporcionada por el CBL.
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TEMA IX REOLOGÍA –MODELOS REOLOGICOS
Competencia : El alumno analiza y determina si una
lechada puede ser representada por los modelos
reológicosde Bingham o el exponencial . Conoce de la
importancia de la reología en las perdidas de cargas y en
la selección de las unidades de bombeo que necesita.
VISCOSIDAD: RESISTENCIA INTERNA QUE UN FLUIDO OFRECE AL
FLUJO.
ESFUERZO DE CORTE: FUERZA DE FRICCION QUE SE EJERCE CUANDO
UNA LAMINA DE FLUIDO SE DESLIZA SOBRE
OTRA. (FUERZA POR UNIDAD DE AREA).
VELOCIDAD DE CORTE: VELOCIDAD RELATIVA DE DOS LAMINAS DE
FLUIDO DIVIDIDO POR LA DISTANCIA ENTRE
LAMINAS (VELOCIDAD POR UNIDAD DE
LONGITUD)
VISCOSIDAD SE DEFINE COMO: μ = ESFUERZO DE CORTE
VELOCIDAD DE CORTE
LA UNIDAD DE VISCOSIDAD NORMALMENTE ES EL CENTIPOISE
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TIPOS DE FLUIDOS
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MODELOS Y CURVAS DE FLUENCIA
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FLUIDOS NEWTONIANOS
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MODELO PLÁSTICOS DE BINGHAM
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MODELO LEY DE POTENCIA
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FLUJO TAPON
CARACTERÍSTICAS:
1. VELOCIDADES DE FLUJO MUY BAJAS.
2. PERFIL DE VELOCIDADES RECTO.
3. BAJOS ESFUERZOS SOBRE EL FLUIDO.
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FLUJO LAMINAR
CARACTERÍSTICAS:
1. VELOCIDADES DE FLUJO MODERADAS.
2. EL FLUIDO FLUYE EN UNA LINEA RECTA PARALELA AL CENTRO DE LA CAÑERÍA.
3. VELOCIDAD EN LAS PAREDES IGUAL A CERO.
4. VELOCIDAD MÁXIMA EN EL CENTRO.
5. GENERA MODERADO ESFUERZO SOBRE EL FLUIDO.
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FLUJO TURBULENTO
CARACTERÍSTICAS:
1.- VELOCIDADES DE FLUJO ALTAS.
2.- MOVIMIENTO DESORDENADO CON FORMACIÓN DE VORTICES.
3.- PUNTO DE VELOCIDAD MÁXIMA INDEFINIBLE.
4.- GENERA EL MÁXIMO ESFUERZO SOBRE EL FLUIDO.
NUMERO DE REYNOLDS
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FLUIDOS NEWTONIANOS
Nº DE REYNOLDS = ρ < v > D = FUERZAS DE INERCIA
μ FUERZAS VISCOSAS
ρ = DENSIDAD DEL FLUIDO
< v > = VELOCIDAD MEDIA DE DESPLAZAMIENTO = Q/A
D = DIÁMETRO DE LA SECCION TRANSVERSAL AL FLUJO
μ = VISCOSIDAD
Re<100 FLUJO TAPON
100< Re<2100 FLUJO LAMINAR
Re>3000 FLUJO TURBULENTO
(ENTRE Re 2100 y 3000 EXISTE UNA ZONA DE TRANSICIÓN DONDE NO
SE CONOCE EL COMPORTAMIENTO REAL DEL FLUIDO)
VELOCIDAD CRITICA = VELOCIDAD A PARTIR DE LA CUAL ENTRAMOS
EN TURBULENCIA
FLUIDOS NO NEWTONIANOS
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REYNOLDS MODIFICADO = Rem = 1,86 ρ . v2-n'
K' . (96/De)n'
VELOCIDAD CRITICA Y CAUDAL CRITICO
½-n'
Vc = 2100. (96/De)n' . K'
1,86 . ρ
Qc = Vc . De2 =
17,15
FLUJO EN CAÑERIA
Qmin = 0.05828 D2 (Nre.crit x K’ (96/D)n’ /1,86 .ρ )(1/2-n’ ) = bpm
FLUJO EN ANULAR
Qmin = 0.05828 (Dh2 – Dp2 ) (Nre.crit x K’ (96/Dh)n’ /1,86 .ρ )(1/2-n’ ) = bpm
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TEMA X CEMENTACION A PRESION (SQUEZZE)
Competencia: El estudiante conoce las dos técnicas de cementación a
presión, analiza y determina las ventajas y desventajas; interpreta la prueba de
inyectividad y programa la cantidad de cemento que utilizara, realiza el
balance de presiones en la operación del Squezze.
10.1- Tapones balanceados
10.2.- Aplicaciones de las cementaciones a presión - SQUEZZE
10.3.- Técnicas a baja y alta presión
10.4.- Deshidratación de la lechada
10.5.- Prueba de inyectividad
10.6.- Ejercicios de aplicación
10.1- Tapones balanceados
Un tapón de cemento es un pequeño volumen de cemento colocado en el pozo
por diversas razones. En la vida de un pozo de perforación de exploración de
petróleo, gas , agua , pozo de alivio , pozo seco ; un tapón de cemento va ser
requerido. Para pozos verticales y de poca desviación, normalmente se
utiliza la técnica de tapón balanceado , utilizando la tubería disponible n
pozo , un colchón lavador ,espaciador , ahora que sabe que es necesario
colocar por debajo del tapón un gel , para evitar que el tapón decante.
Para pozos con alta desviación se utilizan otras técnicas , como ser :
- METODO BOMBEAR Y EXTRAER
- METODO BOMBEAR Y EXTRAER MODIFICADO
Los tapones de cemento pueden colocarse en agujero abierto, o en
cañería. Veamos en agujero abierto.
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 205
10.1.1.- PARA CONTROLAR LAS PÉRDIDAS DE LODOS
Las pérdidas de circulación de lodo pueden ser restituidas con tapones
de cemento principalmente las lechadas tixotrópicas. Como sabemos
primero debemos tratar de controlar la perdida con las técnicas, que se
recomiendan en lodos ( Baches viscosos + obturantes )
10.1.2.1-1
10.1.2.- TAPONES PARA SIDE TRACK
La colocación de los tapones de cemento, son muy útiles en la perforación
direccional, hay veces resulta difícil conseguir el ángulo deseado para ingresar
al reservorio.
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Pet-219 Arturo López G. Página 206
También cuando por razones de inestabilidad de pozo, o por presión diferencial
la hta de perforación se queda aprisionada, entonces el tapón es necesario
para efectuar un Side Track , ver en la parte inferior.
Es necesario considerar y tener en cuenta que cuando el lodo en pozo sea
base aceite , tendremos problemas de adherencia entre el tapón de cemento y
la formación , es necesario que los pre flujos , adicionalmente a las funciones
que debe tener debe llevar un aditivo que cambie la mojabilidad de la formación
( de aceite a acuoso ) ; también debe ser aditivada para tener una
perforabilidad más lenta que la de la formación ( el tapón debe ser más difícil
de perforar , esto facilita que el trepano fácilmente ingrese a la formación para
hacer el nuevo agujero ).
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Pet-219 Arturo López G. Página 207
10.1.3.- PARA AISLAR ZONAS DEPLETADAS
En los pozos en producción, mucha veces hay que aislar las zonas que ya
están depletadas , o sin producción , esto para prevenir migraciones de
hidrocarburo de otro nivel.
10.1.4.- TAPONES PARA ABONDONAR LOS POZOS Veamos cómo se debe abandonar un pozo , todos los pozos tienen un tiempo
productivo luego deben ser abandonados de acuerdo al “REGLAMENTO DE
NORMAS TECNICAS Y SEGURIDAD PARA LAS ACTIVIDADES DE
EXPLORACION Y EXPLOTACION DE HIDROCARBUROS”
En Bolivia a la fecha hay más de 300 pozos para su abandono.
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Pet-219 Arturo López G. Página 208
10.2.- PROCEDIMIENTO DEL TAPON BALANCEADO NORMAL Se usa para pozos no muy profundos verticales con desviaciones de hasta 20º
, el éxito disminuye con la profundidad del pozo.
1.- Probar todas las líneas con presión desde el camión mezclador hasta la
cabeza de cementación con agua.
2.- Bajar el sondeo o tubería hasta la profundidad deseada.
3.-Bombear agua por delante ( 5 o 10 bbl )
4.- Mezclar y bombear la lechada de cemento
5.- Bombear agua por detrás
6.- Realizar el desplazamiento de la lechada (se recomienda dejar por lo menos
½ bbl sin desplazar para mejorar el escurrimiento de la lechada)
7.- Terminado de desplazar desfogar , abrir las líneas de retorno de fluido hacia
el camión , y observar.
8.- Sacar la cabeza de cementación, sacar el sondeo hasta estar por lo menos
100 m , por encima del tapón de cemento.
9.- Circular por inversa, si se puede, para limpieza del sondeo.
10.- Sacar tubería y esperar frague.
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Pet-219 Arturo López G. Página 209
COMENTARIOS Las líneas debemos probar para saber si tenemos alguna fuga. El agua que
envía por delante es para evitar la contaminación de la lechada con el fluido
que hay en el pozo, la cantidad la fijamos nosotros, el agua por detrás tiene el
mismo objetivo, pero además nos sirve para balacear el agua por delante,
como veremos.
Referente al volumen de lechada a preparar, tenemos que considerar dos
cosas:
Primero .- Que altura necesitamos del tapón de cemento
Conociendo la altura , y el diámetro del pozo , podemos calcular el volumen de
lechada.
Segundo.- La disponibilidad de cemento
Conocido los sacos de cemento disponibles en boca de pozo, se puede
calcular el volumen de lechada que es posible preparar.
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Pet-219 Arturo López G. Página 210
Ejercicio # 3
Deseamos colocar un tapón de cemento en un agujero abierto de Dp =7.5” , en
el tramo 2100 -2200 m. La tubería con la que colocaremos el tapón es de , OD
= 4.5 “ y ID = 3.782”.
La zona es permeable y por experiencia del campo vamos asumir un 20 % de
exceso de lechada. Bombearemos 5 bbl de agua por delante.
Dl = 15.6 lb /gal
Rl = 1.15 pie3 /sc
Cap.EA = ( 7.52 – 4.52 ) /314 = 0.1136 bbl /m
Cap. Tub = 3.7822 / 314 = 0.0445 bbl / m
Cap. Aguj = 7.52 / 314 = 0.179 bbl /m
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1.- Calcular el volumen de lechada que se necesita para colocar el tapón.
Vl = Cap. Agujero x Ltapon x % exceso = 0.179 bbl / m x 100 m x 1.2 = 21.5 bbl
2.- Conocido el volumen de lechada, calcular los sacos de cemento que
necesitamos:
# sacos = ( 21.5 bbl ) / ( (1.15 pie 3 /sc ) (bbl / 5.61 pie3) ) = 105 sacos
3.- Conociendo el agua por delante calculemos la altura de agua en el EA
h ( agua –dela) = 5 bbl / Cap EA = 5 bbl / 0.1136 bbl /m = 44 m
Ahora podemos conocer el agua que hay que bombear por detrás de la
lechada:
h ( agua – detrás) = h ( agua – dela) x Cap . Tub = 44 m x 0.0455bbl/m =
= 2.0 bbl
4.- Cual la altura de la lechada con la tubería en la lechada
H( Cto ) = Vl / ( Cap EA + Cap Tub ) = 21.5 bbl / ( 0.1136 bbl /m + 0.0455
bbl//m ) = 135 m
5.- Calcular que volumen de fluido va a utilizar para desplazar la lechada.
Vdesp = Cap . Tub x Ltope Cto = 0.0455 bbl/m x 2065 m = 94 bbl
Observamos los dibujos y vemos que :
Vdesp real = Vdesp - Agua por detras – 1 bbl (escurrimiento)
= 94 bbl – 2 bbl – 1 bbl = 91 bbl
6.- Dejar balancear.
Terminado de bombear los 91 bbl de fluido, dejar balancear. Sacar la tubería
hasta 1950 m.
7.- Circular por inversa por lo menos 184 bbl de fluido, para limpiar la tubería.
8.- Espera frague. Continuar operaciones.
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10.3.- CEMENTACIONES A PRESION SQUEZZE La tecnología de las cementaciones a presión a mejorado desde que se conoce
mejor la mecánica de fractura de las rocas, y de las propiedades de filtración de
las lechadas, cuando las estamos presurizando sobre un medio permeable
como las arenas. Las cementaciones a presión se usan para :
1.- Control de la relación gas /petróleo , aislando la zona productora de
líquidos de la zona adyacente de gas .
2.- Control de elevada relaciones de agua o gas. Las arenas acuíferas o
gasíferas pueden ser sometidas a presión por debajo de la zona petrolífera,
para ayudar a decrecer la relación agua / petróleo o gas.
3.- Para repara las perdidas en cañerías. Una perdida en una cañería puede
repararse forzando a una lechada a pasar atraves de la fisura de la cañería (
usamos un packer y se lo ancla encima de la fisura )
4.- Para controlar las pérdidas de circulación del lodo ( usar lechadas
tixotrópicas )
5.- Para evitar la migración de fluidos dentro de la zona productora ( Block –
Squezzing)
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Pet-219 Arturo López G. Página 213
6.- Para colocar tapones en los pozos de producción, para aislar zonas depletadas. 7.- Para corregir cementaciones primarias deficientes 8.- Para colocar tapones para abandonos de pozos 10.3.1.- TERMINOLOGIA
Las cementaciones a presión ( Squezze –Pressure ) generalmente están
definidas por la presión aplicada.
La técnica de alta presión involucra la rotura de la formación y el bombeo de
la lechada o el filtrado de la lechada en la formación hasta alcanzar en
superficie un valor determinado de presión que debe ser mantenido sin retorno
de fluido en superficie.
La técnica de baja presión, involucra colocar la lechada en el intervalo a
cementar, y en la aplicación de una presión suficiente para formar un revoque
de cemento deshidratándolo sobre los baleos realizados, las fisuras existentes
en la formación. No se fractura la formación.
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Pet-219 Arturo López G. Página 214
Alta presión Baja Presión Ps + PHt > Pf Ps + PHt < Pf Ps = Presión aplicada en superficie
PHs = Presión hidrostática dada por la salmuera
PHl = Presión hidrostática dada por la lechada
PHt = Presión hidrostática total en el punto A. PHt = PHl + PHs
Pf = Presión de fractura
Presión de fractura
Es la presión necesaria para facturar la formación en las operaciones de alta
presión, este valor hay que alcanzar antes de comenzar a inyectar la lechada.
Si la formación es permeable, el filtrado de la lechada ingresara hacia la
formación a cualquier valor mayor a la presión de formación.
Gradiente de fractura
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Pet-219 Arturo López G. Página 215
Generalmente referida como la presión por pie de profundidad para que se inicie la fractura, se necesita menos presión para extender una fractura que para iniciarla. Presión de fondo de pozo ( Bottom –Hole ) Es la presión ejercida en fondo del pozo durante la operación de Squezze. Es
la presión superficie más la presión hidrostática de los fluidos, menos la presión
perdida por fricción. Para fracturar debemos superar este valor
Existen dos técnicas para realizar un Squezze :
a) METODO DE BRADENHEAD O SONDEO LISO Fue el primer método usado, no usa packer , en este método la lechada de
cemento es bombeada atraves del sondeo liso , o tubería desplazando el fluido
al EA. Luego que la lechada se ha ubicado en el lugar requerido (calculada por
desplazamiento) , hay que levantar la tubería por encima del tapón de cemento,
se cierra la BOP y se continua con el bombeo de la lechada , esta o el filtrado
de la lechada ingresa por los baleos.
La operación -+ se la realiza de la siguiente manera:
1.- Prueba de inyectividad ( P.I)
1.1.- Bajar la tubería o el sondeo hasta el baleo inferior
1.2.- Si el fluido que hay en el pozo es con sólidos , cambiar por un fluido libre
de sólidos como son las salmueras ( ClNa , ClK , Cl2Ca , HCOONa, HCOOK ,
BrNa )
1.3.- Cerrar BOP , realizar la P.I. , registrar P , Q y t
1.4.- Si ve necesario terminada la operación circular por inversa
Este ensayo es muy importante para saber si la formación admite fluido,
adicionalmente nos permite estimar los sacos de cemento que se
requieren para la cementación.
2.- Cementación
2.1.- Con los sacos calculados luego de la P.I. , preparar la lechada y proceder
a balancear el tapón de cemento frente a los baleos( bombear agua por delante
y detrás)
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2.2.- Sacar los tiros de tubería hasta estar por encima del tapón de cemento
2.3.- Circular por inversa para limpiar la tubería, si es posible, si hacerlo Por
directa.
2.4.- Cierre la BOP y aplique por directa la presión necesaria para inyectar la
lechada o el filtrado de la lechada dentro de los baleos.
2.5.- Al alcanzar la presión final, se sugiere baja hasta la base del cemento y
circula por inversa , para eliminar la lechada en exceso, realmente esto no es
aconsejable dado que puede lavarse los baleos.
2.6.- Sacar la tubería del pozo, espera frague
2.7.- Bajar arreglo con trepano para re perforar el Cto por encima y entre los
baleos.
2.8.- Probar el Squezze
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Luego baja un arreglo con trepano para reperforar el cemento y probar el
squezze.
Ventajas de utilizar esta técnica.
Es bastante sencillo , no requiere de otra herramienta que no sea la
tubería.
La lechada siempre es posible colocarla frente al baleo.
Desventajas
No es posible utilizarla si tenemos otros baleos por encima de los que
tenemos que cementar.
Existe la posibilidad que el fluido se contamine con la salmuera o el
fluido que hay en el pozo.
La presión que aplica para inyectar actúa sobre toda la cañería.
La presión máxima a aplicar esta restringida y depende del estado de la
cañería.
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10.4.- DESHIDRATACION DE LA LECHADA
Durante la deshidratación del cemento. el agua contenida en el cemento es
inyectada a la formación y se forma un revoque ( torta del filtrado) de partículas
solidas en la cara de la formación. Si se ejerce una presión excesiva se
producirá fractura y algo de lechada se forzada a la fractura producida.
10.5.- PRUEBA DE INYECTIVIDAD
En toda operación de cementación a presión debemos conocer:
- La presión de fractura (Pf)
- La presión que se puede aplicar en superficie(Ps)
- La presión hidrostática total de los fluidos ( PHt )
- La presión perdida por fricción ( que es dificultoso su cálculo )
Siendo que la P.I , se la realiza a bajo caudales / ¼ , ½, ¾ , 1 bpm ) , se
acepta que este valor es despreciable.
Cuando realizamos la P.I, también se determina la presión de admisión (o
instantánea), es decir después de fracturar a la formación paramos las bombas
, en el tiempo tb , la presión caerá , pero se seguirá observando admisión a una
menor presión que la de fractura, hasta que la formación vuelva al equilibrio.
Con la formula anterior la presión de fractura calculada será menor que la real,
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Pre
sió
n, p
si
Caudal, bpm
Presión vs Caudal
A
B
Presión de fractura
Presión de admision
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Pet-219 Arturo López G. Página 219
en un valor igual a las pérdidas de cargas ΔP, esta diferencia es como un factor
de seguridad, que nos permite aplicar la máxima presión en superficie sin
fracturar la formación.
Hay que tener en cuenta que las rocas tienen una cierta elasticidad definida,
que cuando aplicamos presión los poros pueden dilatarse y comenzar a admitir
más fluido. Cuando ocurre la fractura real la roca admite fluido a esa presión,
pero al quitar la presión la roca sigue admitiendo.
Con la información obtenida en la P.I , podemos calcular los sacos de cemento
que necesitamos para la operación del Squezze.
Primer método
Es un método utilizado para la técnica de alta presión, donde es necesario
fracturar l formación para lograr admisión. La P.I la realizamos a ¼ ,1/2, ¾ y 1
bpm , hasta conseguir fracturar la formación y tener una presión de admisión
constante , ósea buscamos una presión de fractura superior y una de admisión
inferior.
# sacos = ( Pf – Padm ) / 1.5
Segundo método
Es usado en campos donde tenemos mucha experiencia (campos de
producción), se utiliza una formula empírica la cual depende de una constante
C, que es determinada de la experiencia en el área , es usada cuando vamos a
trabajar con baja presión.
La P.I la realizamos a ¼ ,1/2, ¾ y 1 bpm , el aumento e caudal es sin desfogar ,
los datos se los va tabulando.
Prueba Q , bpm Presion , Psi V , bbl t , tiempo
1 Q1 P1 V1 T1
2 Q2 P2 V2 T2
3 Q3 P3 V3 T3
4 Q4 P4 V4 T4
# sacos = C x ( P/Q) C = 80000 para campo Caranda
C = 99000 para campo La Peña
Lo que se hace es ir calculando los # de sacos para cada prueba, y luego :
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# sacos = ∑ # sacos / # pruebas
Tercer método
Es usado cuando una cementación primaria fue deficiente, con los registros de
CBL, se detecta canales, en los tramos del pozo; en estos casos mucha veces
se baja un retenedor de cemento, se lo ubica entre las profundidades que no
tienen cemento y se procede a cementar por circulación. El volumen de
cemento se calcula de acuerdo al área sin cemento detectado con el CBL
Algunas reglas de campo
1.- El volumen de lechada no debe exceder la capacidad de la tubería
2.- Usar dos sacos de cemento , por cada pie de punzados.
3.- El volumen mínimo puede ser preparado con 100 sacos, si la admisión es
de 2 bpm después de la fractura , otras veces puede usarse 50 sacos
4.- El volumen de lechada no debe ser tan grande que no pueda ser reversado
10.5.1.- Como Probamos un Squezze
Realizado el Squezze hay que reperforar el cemento que queda entre los
baleos, luego verificar que haya buen sello.
Prueba de Presión
Si no existen otros punzados en el pozo , se cierra la BOP , y procedemos a
presurizar la cañería hasta alcanzar la presión final del Squezze o mas
,tenemos que observar si la presión se mantiene. Esta prueba no es segura, ya
que por alguna razón algún baleo pudo quedar lleno de lodo el cual puede
soportar la presurización de la cañería, pero luego puede dejar pasar los fluidos
desde la formación al pozo.
Prueba Semiseca
Bajar un probador de formación, con la finalidad de eliminar la PH, por encima
de los baleos o zona a chequear, al abrir la válvula no debe ingresar fluido de
formación.
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También se puede bajar packer y pistonear para eliminar la PH afín de tener
una diferencial de presión a favor de la formación, si ingresa fluido el Squezze
no fue bueno.
Correr un CBL
CEMENTACIONES A PRESION CON PACKER
En este tipo de cementación además del sondeo, necesitamos un elemento
llamado packer , cuya función es delimitar el área de aplicación de presión.
Solo como información general indicaremos las partes más representativas de
los packer ( en la industria existen especialistas en packer , empresas de
servicios )
1.- Cuñas
Proporciona el agarre del packer con la pared de la cañería, de manera que
podamos aplicar peso, tensión a la sarta, para expandir las gomas del packer.
2.- Gomas
Se expanden contra la pared de la cañería y proporcionan un sello de manera
de aislar el pozo en una zona superior y otra inferior, referidas la packer.
3.- Mandril
Elemento que proporciona la conexión del packer a la tubería , además permite
enroscar otros elementos por debajo del packer, pescadores , tubería cola , etc.
4.- By – pass
Es un dispositivo que permite la comunicación de la parte superior e inferior
del packer cuando está abierto, esta posición es necesaria tanto cuando se
baja y se saca el packer del pozo, esto evita las contra presiones y los vacios
que podrían dañar a la formación. Además es importante que se lo cierre antes
de que las gomas formen un sello y se lo abra antes de mover el packer, para
igualar las presiones por encima y por debajo del packer, esto permite que las
gomas vuelvan a su posición original.
5.- Cuñas superiores
Están presentas en los packer de peso como el POSIETRIVE, la presión
aplicada por debajo del mismo tiende a levantar al packer, por eso vienen
provistos de unas cuñas superiores que actúan hidráulicamente afín de
conseguir mayor agarre contra la pared de la cañería ,cuando mayor es la
diferencia de presiones , se evita el desanclaje del packer.
Los packer pueden ser recuperables y no recuperables. Los recuperables
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se pueden bajar varias veces al pozo. POSIETRIVE , JHONSON,
RETRIVAMATIC.
Packer reperforables o retenedores de cemento.
Solo pueden anclarse una sola vez, aíslan el pozo en dos zonas, la
comunicación entre la parte inferior y superiores atraves de un Singer, el cual
se inserta en el packer y abre una válvula. Cuando el trabajo termina se saca el
Stinger y la válvula se cierra automáticamente reteniendo la presión por debajo
del mismo.
Tapones
Un tapón difiere de un packer en que ya no solo aísla el EA, entre la tubería y
la cañería, si no que separa completamente el pozo en dos partes, es decir
impide la comunicación entre la parte superior e inferior del tapón. Los tapones
pueden ser permanentes y recuperables, lo permanentes pueden bajarse con
caño o cable y se los deja hasta que son reperforables. En realidad son
prácticamente iguales a los retenedores de cemento, aunque en lugar de una
válvula tienen un tornillo tapón. Los tapones recuperables, se los recupera con
pescadores.
TEMA XI LECHADAS PARA CEMENTACION A PRESION
Programa de Cementros Petroleros PET-219
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Competencia : El estudiante conoce las propiedades de las lechadas y puede
programar una cementación a presión.
1.0.- Propiedades y características de las lechadas para el Squezze
2.0.- Temperatura de circulación y temperatura estática
3.0.- Teorías erróneas sobre cementación a presión
4.0.- Programa de cementación a presión
REQUERIMIENTO DE UNA CEMENTACION A PRESION
Muchos trabajos se definen por las presiones requeridas para obtener un sello.
La técnica de alta presión utiliza una salmuera para determinar la presión de
fractura de la formación. Para este objetivo no puede utilizar el lodo por que
dañaría a la formación. Después de la rotura la lechada de cemento se coloca
cerca de las formación y es bombeada a bajos caudales, a medida que
bombeo continua la presión de inyección empieza a subir hasta que la presión
en superficie, nos indica que ya se ha producido la deshidratación de la
lechada o el ingreso de la lechada. La presión es momentáneamente
mantenida para verificar las condiciones estáticas y luego liberada para
determinar si el cemento se mantiene en su lugar. El exceso de lechada por
afuera de los punzados debe ser reversado.
Si la presión deseada no se obtiene. Se emplea el método de hesitación, o
nuevas etapas. Ello involucra preparar baches con 30 o 100 sacos de cemento
colocarlos frente a la formación y esperar que estemos cercanos al frague y
repetir la operación tantas veces sea necesario. Ver grafica
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 224
La técnica a baja presión está considerada como el método más eficiente en
base al desarrollo de los aditivos de control de filtración y del uso de packer
recuperables. Con esta técnica se evita la fractura. Se usa la hesitación, la
lechada es colocada en una sola etapa, pero con periodos alternos de bombeo
y espera. El control de filtrado determina que se forme un revoque dentro de
los baleos, mientras que el cemento permanece fluido al interior de la tubería
Y cañería.
La perdida de filtrado de las lechadas puras sin aditivos es muy alta y se
produce una deshidratación instantánea antes que la lechada haya cubierta
toda la zona de trabajo. El resultado puede ser un tapón de cemento atraves de
las perforaciones abiertas en la parte superior , dejando las perforaciones
inferiores sin lechada
11.1.- DISEÑO DE LA LECHADA CONSIDERAR T y P
Como en las cementaciones primarias al T y P , tienen mucha importancia en la
determinación del Tb. En el caso de las presiones solo afecta a la
deshidratación de la lechada; las temperaturas encontradas en la
cementaciones a presión son mayores que las de la cementación primarias,
porque sabemos que el pozo no es circulado, por esto no hay disminución de la
temperatura. En la tabla inferior mostraremos como son diferentes la
temperatura estática de la de circulación
Tabla basada en simulaciones de API
TEMPERATURA DE CIRCULACION ºF
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 20 40 60 80 100
Tíempo en minutos
Presión Vs tiempo
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Profundidad pies
T estática de F.P ,ºF
Cañeria Squezze Liner
2000 110 91 98 91
6000 170 113 136 136
8000 200 125 159 125
12000 260 172 213 172
16000 320 248 271 248
Tiempo de bombeabilidad Prof = 8ooo pies Cañería = 125 ºF Squezze = 159 ºF Control de filtrado Tiempo de bombeabilidad , hrs : min % Cañería Squeeze 0:0 2:16 1:15 0:40 4:0 2:16 0:60 5:32 4:15 0:8 6:15 4:58 TIPOS DE CEMENTOS
Para la mayoría de las cementaciones a presión se pueden utilizar los
cementos clase A, G y H. los cuales pueden usarse hasta los 6000 pies y
donde las temperaturas estáticas no excedan a 170 ºF. Para pozos más
profundos los clase G y H deben ser utilizados con retardadores , en base a
nuestro tiempo estimado de trabajo.
11.2.- CONTROL DE FILTRADO DE LA LECHADA
La filtración es importante para el diseño de una lechada que se va a utilizar
para un Squeeze. Cuando la lechada es inyectada sobre un medio poroso , la
presión diferencial fuerza la agua separarse de las partículas solidas y formar
un revoque más o menos blando , que puede ser eliminado por un chorro de
agua , pero que no es bombeable , y se necesita altas presiones para forzarla a
que ingrese atraves de los pequeños orificios. El espesor del revoque
dependerá de la permeabilidad del revoque y de la formación.
La perdida de filtrado de una lechada sin aditivo es de 600 cc a 2500 c en 30
Programa de Cementros Petroleros PET-219
Pet-219 Arturo López G. Página 226
minutos. Algunas veces la deshidratación es tan rápida que no se puede medir.
El valor del filtrado debe ser reducido < 100 cc , con el agregado de aditivos
para controlar el filtrado.
11.3.- HOMOGENIZACION DE SU DENSIDAD
Siendo que para realizar un Squeeze necesitamos poco volumen de lechada,
por lo general la homogenización de la densidad de la lechada se consigue
fácilmente en un mezclador de 50 bbl.
11.4.- TEORIAS ERRONEAS SOBRE LOS SQUEZZE
Existen tres teorías predominantes con respecto a las cementaciones a
presión, que contribuyen a aplicaciones erróneas y procedimientos
inadecuados.
1.- Que todo el cemento ingresa a la formación, esta primera idea errónea en
primer lugar enfatiza la cantidad de lechada a bombear atrás del caño y la
cantidad de presión a aplicar, siendo que estos factores afectan muy poco los
resultados. La verdad es que en operaciones de baja presión es el filtrado de la
lechada y no el cemento el que ingresa a la formación. Cuando la formación es
fracturada por exceso de la presión de fractura, entonces si el cemento
penetra en la fractura producida.
2.- Que la presión aplicada durante la inyección automáticamente abre todos
los baleos. En realidad es raro encontrar todos los baleos abiertos y por lo
tanto receptoras de fluido. Alcanzar esta finalidad requiere un gran esfuerzo de
presión.
3.- Que se forma un aplastamiento o cuña horizontal (tabla) única de cemento
alrededor del agujero. Los resultados más bien indican que como todo el
cemento no entra en la formación, el filtrado de la lechada lo hace atraves de
las perforaciones. Cuando la formación es fracturada, la lechada puede
ingresar en una serie de cuñas irregulares. La orientación de estas fracturas
dependen de la fuerza de compresión en la zona a ser tratada, en mucha
veces es de NE a SE
11.5.- PROGRAMA DE TRABAJO
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Es la etapa más importante de la operación. Deben estudiarse las condiciones
del pozo y los objetivos cuidadosamente establecidos, por tanta la
cementación a presión puede ser complicada y cara, en el planteo hay que
tener en cuenta.
1.- ¿Por qué una cementación a presión ¿( estamos aislando una zona ,
reparando una cañería, llenado un anillo)
2.- Si no vamos a usar el método de sondeo liso. Que herramienta vamos a
usar
3.- ¿ Packer recuperable o tapón recuperable ¿
4.- ¿ A qué distancia debemos fijar el packer de la zona de interés?
5. Usaremos el método de alta o baja presión.
6.- ¿Como bombearemos la lechada?
7.- ¿ Qué clase de fluidos hay en el pozo , agua , acido , lodo , etc.?
8.- ¿ Qué tipo de lechada vamos a preparar , que propiedades son importantes
¿
9.- ¿ Que equipos adicionales necesitamos , que tiene de especial el pozo , hay
alguna restricción ¿
10.- ¿Cuales son las condiciones del pozo? , temperatura, presión.
11.- ¿Se fracturara la formación ¿Cual es el gradiente de fractura ¿
12.- ¿Cual es tiempo de WOC ¿
13.- ¿Es necesario ensayar el trabajo?
Debemos esforzarnos en mejorar las condiciones del pozo antes y durante las
operaciones. La cañería y la tubería deben estar limpias tanto como se a
posible (libre de parafinas, incrustaciones, residuos rebarbes de punzados).
Las válvulas de cabeza de pozo deben ser probadas y la BOP a las presiones
que se esperan durante el trabajo.
Si el Squeeze se efectúa atraves de la cañería es necesario probar la
resistencia interna y la resistencia de las uniones a menos que la cañería esta
cementada hasta superficie. Si la cañería no está cementada hasta superficie
deben hacer cálculos de los esfuerzos críticos en los puntos donde se aplicara
presión. Si la operación se hace atraves de la tubería estos cálculos hay que
realizarlos para la tubería y la cañería. Verificando las presiones de colapso.
CALCULO DE LAS PRESIONES DE INYECCION
La selección de la presión final a alcanzar en una operación a presión es muy
importante porque ello define cuando el trabajo ha finalizado. Hay muchas
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maneras de estimar la presión final, pero la experiencia en un determinado
yacimiento es la probablemente la mejor.
Si el cemento se deshidrata dentro la cañería, la presión aplicada solo se
ejerce en la cañería. Si la operación es exitosa y la presión aplicada es alta
para esa profundidad, hay una tendencia a considerar esa presión como la
mínima presión final requerida para un buen trabajo. Sin embargo, un trabajo
exitoso puede a menudo ser obtenido con una menor presión.
Por seguridad se asume que cualquier presión aplicada por debajo del packer
es aplicada también al exterior de la cañería, por cuanto puede existir un canal
que trasmita esa presión por arriba del packer, se debe considerar siempre la
máxima presión de colapso que soporta la cañería .
Para conseguir un buen trabajo de cementación debemos tener en cuenta :
1.- La mayoría de las cementaciones a presión usan control de filtrado, para
buscar reducir la deshidratación de la lechada de cemento.
2.- Las elevadas presiones de trabajo que antes eran consideradas para el
éxito de un trabajo, ahora son indeseables cuando se usa una lechada con
control de filtrado.
3.-Si se producen una fractura durante la operación, grandes volúmenes de
lechada deben bombearse antes de conseguir el cierre.
4.- La técnica de baja presión, reduce la cantidad de lechada necesaria para la
operación.
5.- Una manera efectiva de eliminar las partículas que están taponando los
punzados es circular una solución acida antes de realizar el Squeeze.
6.- El WOC , en las operaciones de Squeeze son menores a 24 horas.
Ejercicio # 4
Tenemos disponible 100 sacos de cemento clase A, mas aditivos para
controlar el filtrado. Por detrás bombeamos 2.5 bbl de agua. hay que cementar
50 pies de baleos de 4830 pies a 4880 pies. El gradiente de presión del tramo
de trabajo es de 0.70 psi /pie. El pozo tiene una salmuera de 10 lb /gal.
Datos :
Dl = 15.6 lb/gal
Rl = 1.15 pie3 / sc
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1.- Primero calculamos los barriles de lechada que podemos calcular con los 100 sacos de cemento. 100 sacos x 1.15 pie3 / sacos x 1bbl / 5.61 pie3 = 20.5 bbl = Vl 2.- Calcular la altura de la lechada en cañería sin tubería H( sin tubería ) = Vl / Cap. 7” = 20.5 bbl / 0.039 bbl/pie = 525.6 pies 3.- Calcular el volumen de lechada entre baleos Vlb = 0.039 bbl /pie x ( 4880 -4830 )pies = 1.17 bbl 4.- Calcular cual es volumen de lechada que se puede inyectar Vliny = Vl - Vlb - 1 = 20.5 bbl – 1.17 bbl – 1bbl (Vol. dejamos sobre baleos) Vliny = 18.33 bbl 5.- Calcular la altura de lechada con la tubería adentro. H( con tubería) = Vl /( cap. EA + cap. Tub) = 20.5 bbl /(0.035 + 0.00384)
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= 527.8 pies 5.1.- Calcular el volumen de agua que se bombeara por delante. Agua – delante (bbl) = Agua x detrás x Cap. EA /Cap. Tub = 2.5 bbl x 0.0335 / 0.0384 = 21.8 bbl Altura de agua en EA = 21.8 bbl / 0.0335 bbl/pie = 650.7 pies
6.- Con que volumen de salmuera desplazo la lechada Vdespz = Cap. Tub x Prof tope agua EA = 0.00384 bbl /pie x 3651.2 pies = 14.02 bbl 7.- Cual es el tope del tapón de cemento una vez se termine de inyectar Tope cto= (Vlb + 1 ) / Cap. 7” = ( 1.17 +1 )/ 0.039 = 55.6 pies Entonces tope cemento esta en : 4880 pies – 55.6 pies = 4824.4 pies
8.- Cual es la altura del agua en la cañería antes de comenzar a inyectar la lechada. Agua total = agua delante + agua detrás = 21.8 bbl + 2.5 bbl = 24.3 bbl H( agua total) = 24.3 bbl / 0.039 bbl /pies = 623 pies
Lechada
Tope agua EA 3651.5 pies
4830 pies
4880 pies
Cto a 4302.2 pies
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Cálculos de las presiones
a)La presión en 4880 pies antes de iniciar la inyección de la lechada.
Ph (4880´ ) = Phs + Phl + Phagua = 1940.3+ 426.4 + 269.8 = 2636.5 Psi
Phs = 0.052 x 10 lb/gal x Ls = 0.052 x 10 x 3731.4 = 1940.3 Psi
Ls = 4880 pies – altura lechada en csg 7” – Altura de gua total
Ls = 4880 pies – 525.6 bbl – 623 pies = 3731.4 pies
Phl = 0.052 x 15.6 lb/gal x 525.6 pies = 426.4 Psi
Phagua = 0.052x 8.33 lb/gal x 623 pies = 269.8 Psi
Ahora revisar la información que nos dieron el Gf = 0.79 psi/pie
Podemos calcular Pf = 079 psi /pie x 4880 pies = 3855,2 Psi
La técnica del sondeo liso solo se utiliza para baja presión, no tenemos que
fracturar la formación. Entonces se acepta que a la presión de fractura
podemos disminuir 300 psi para no fracturar. Tenemos entonces :
Pf = Psuperficie + P Htotal
Psuperficie = Pf – 300 - P Htotal
Psuperficie = 3855.2 -300 – 2636.5 = 918.7 Psi
b)La presión en 4880 pies terminada la inyección de la lechada.
Idem que para a)
Ph (4880´ ) = Phs + Phl + Phagua = 269.8 psi + 45.1 psi + 2184.7 =2499.6 Psi
La altura de agua es constante cambia la de la lechada y de la salmueras.
Phagua = 0.052x 8.33 lb/gal x 623 pies = 269.8 Psi
Phl = 0.052 x 15.6 lb/gal x 55.6 pies = 45.1 Psi
Phs = 0.052 x 10 lb/gal x Ls = 0.052 x 10 x 4201.4= 2184.7 Psi
Ahora presión en superficie:
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Psuperficie = 3855.2 -300 – 2499.6 = 1055.6Psi
Se puede ver que al terminar la operación, se tiene mayor presión
aplicada en superficie.
Ejercicio # 5
Veamos un ejercicio de una cementación con packer.
A.- ¿ Cuál será la presión que se va a requerir para sacar por reversa un
barril de lechada?
Para esto lo primero que tenemos que hacer, es ver cuál es la diferencia
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de presión que hay entre los dos fluidos que tenemos en el pozo.
Es necesario conocer la longitud que ocupa un barril de fluido en la
tubería.
= 1 bbl / Cap. Tub. = 1bbl / 0.00384 bbl /pie = 260.4 pies
Entonces
ΔP = factor ( Dl – Df ) xL = 0.052 ( 15.8 – 8.50)x 260.4 = 99 Psi
Significa que para reversar un barril de lechada necesitamos 99 psi.
B.- ¿Cuál es la presión mínima de la bomba para sacar por reversa la
lechada de cemento , cuando está ubicada en el baleo inferior , pero que
todavía no ha ingresado lechada a la formación.
Analizaremos los volúmenes de fluido que podemos tener en el pozo,
para esto consideremos, la tubería y la cámara.
Volumenes
En 1 (tubería) , = Cap. Tub x Lt = 0.00384 bbl/pie x 6100 pies = 23.4 bbl
En Cámara, = Cap. Csg 7” X Lc = 0.04.04 BBL/PIE X 160 pies = 6.5 bbl
El volumen de la cámara es importante porque nos indica cuanto de
lechada quedara en la cámara terminada la operación.
Nos permite conocer antes de inyectar la lechada atraves de los baleos
cuanto de lechada tenemos en tubería.
Vlt = Vl – Vlc = 20.5 bbl – 6.5 bbl = 14 bbl
Para responder a la pregunta tenemos que reversar 14 bbl de lechada.
La presión será = 14 bbl x 99 psi/bbl = 1386 psi
C.- ¿Cual es la presión hidrostática en el baleo inferior, teniendo en
cuenta que todavía no ingreso lechada a la formación¿
En base a la respuesta anterior averiguamos cuanto de altura tiene la
lechada en la tubería.
= 14 bbl / Cap.tub = 14 bbl / 0.00384 bbl / pie = 3646 pies
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El resto de la tubería estará con salmuera:
6100 pies = Ls + Ll = Ls + 3646 pies
Ls = 6100 pies – 3646 pies = 2460 pies
Ahora calculamos la presión hidrostática en 6260 pies.
Ph(6260 pies ) = Phtl +Phts +Phlc = 2996 + 1087.3 + 131.5 = 4214.8 psi
Phtl = Presión hidrostática en tubería dada por la lechada.
= 0.052 x 15.8 x 3646 = 2996 Psi
Phts = Presion hidrostática en tuebria dada por la salmuera
= 0.052 x 8.5 x 2460 pies = 1087.3 Psi
Phlc = Presion hidrostática en la cámara dada por la lechada
= 0.052 x 15.8 x 160 pies = 131.5 Psi
D.- ¿ Cuánto de lechada ingreso a la formación, si terminado de bombear
la lechada desplazo con 13 bbl de salmuera para alcanzar la presión final
y terminar la operación.
Empezamos a preguntarnos, ¿ qué volumen de lechada tengo al terminar
la operación en la tubería ¿
Cap. Tubería = Lechada (tubería ) + Salmuera tubería
Lechada tubería = Vlt= 23.4 bbl – 13 bbl = 10.4 bbl
Cuanto de lechada tenemos en la cámara = 6.5 bbl
Volumen lechada ingresada = Vl – Vlt – Vlc = 20.5 bbl – 10,4 bbl – 6.5 bbl
= 3.6 bbl
Ingresaron a formación 3.6 bbl de lechada
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TEMA XII CEMENTACION PARA POZOS HORIZONTALES
Competencia: El estudiante analiza y evalúa con criterio las propiedades de
las lechadas para cementar en pozos horizontales
1.0.- Cementación de pozos horizontales
2.0.- Las propiedades más importantes de la las lechadas
3.0.- problemas más comunes en cementación de pozos horizontales
12.1.- CEMENTACION EN POZOS HORIZONTALES
Las técnicas usadas en la cementación de pozos horizontales han generado
cambios notables con respecto a las normalmente utilizados en pozos
verticales , en lo referente a su diseño y desplazamiento.
En estos pozos debemos considerar la excentricidad del agujero, cañería (
Standoff) y los esfuerzos que se originan por la alta inclinación, lo que hace
critico la eficiencia en el desplazamiento de los fluidos del agujero , por lo tanto
los factores como : propiedades del lodo , régimen de desplazamiento ,
centralización y el diseño de la lechada son determinantes para lograr los
objetivos buscados.
Normalmente se utiliza una combinación de lechada de barrido de larga
longitud y baja densidad , seguida de una lechada principal con corta longitud
de,alta densidad y agua libre cero; si fuera posible desplazarlas a 25 bpm , se
necesitara un programa especial de centralización y de equipos de flotación.
12.2.- LAS PROPIEDADES MÁS IMPORTANTES
Factores críticos
Para tener éxito en la cementación de una cañería con alta inclinación u
horizontal, debemos tener claro las dificultades que tenemos:
1.- El desplazamiento o remoción del fluido de perforación antes de la
cementación es mucho más difícil que para los pozos verticales. Por
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consiguiente debemos trabajar mucho en los pre flujos.
Como observamos en el agujero y la cañería hay decantación de sólidos.
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En los pozos altamente desviados u horizontales, las fuerzas que actúen forzan a la cañería hacia el lado inferior del agujero como se muestra en la figura inferior.
La limpieza en estas condiciones se afecta principalmente por la tolerancia
entre la cañería y el agujero, ya que ocurrirá una canalización en esa zona será
dificultoso limpiar. La información de muchas operadoras indican que con una
tolerancia de 4 cm y Standoff del 75 % , se puede lograr una buena
cementación y evitar la canalización de la lechada.
12.3.- DISEÑO DE LA LECHADA DE CEMENTO
12-3-1.- PRUEBA DE AGUA LIBRE
El agua libre en una mezcla de cemento y su posterior acumulación en la parte
superior del EA, es considerado como una de las causas principales para las
fallas de la cementación en pozos horizontales.
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Lo anterior nos indica que las lechadas deben tener agua libre igual a cero.
Esto se consigue agregando aditivos, generalmente reductores de filtrado,
además el filtrado de estas lechadas debe ser menor de 75 cc.
12.3.2.- DECANTACION DE SOLIDOS
Tener agua libre igual a cero, no es la única solución para cementar una
cañería con alta desviación u horizontal. Tenemos que asegúranos que la
lechada no presente decantación de sólidos. Por esta razón en el ensayo de
agua libre debemos observar si cemento asentado en la probeta 8 si se
observa eso hay que aumentar el gel a la lechada con aditivos.
12.3.3.- CONTROL DE FILTRADO
El control de filtrado es crítico , dado que una lata perdida de filtrado en zonas
permeables , va a causar deshidratación de la lechada y aumento de su
viscosidad , formara un revoque grueso sobre la formación , el cual restringe el
flujo , esto puede ser critico especialmente en zonas donde tenemos baja
tolerancia entre la cañería y la formación –
12.3.4.- REGIMEN DE FLUJO
Debido a que estas lechadas tienen agua libre igual a cero, filtrado bajo, no hay
decantación de sólidos, llevan aditivos y por lo tanto tienen alta reologia, esto
hace que sea dificultosos por desplazarlas en flujo turbulento sin fracturar la
formación . Para estos trabajos es tratar de bombear al mayor caudal posible
sin que se fracture la formación.
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12.3.5.- SIMULACION DEL TRABAJO
Todas la compañías de servicios una vez definidas las propiedades de la
lechada , usan simuladores con las condiciones de P y T , esperadas en fondo
de pozo , además en los mismos prueban los pre flujos.
12.3.6.- ACCESORIOS DE CEMENTACION Equipos de flotación
También la compañías de servicios tienen centralizadores especiales ,
accesorios especiales.