ING. CEMENTACION
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ING. CEMENTACION Document Transcript

  • 1. OBJETIVOS DE UNA CEMENTACIÓNLa cementación es un proceso que consiste en colocar una lechada decemento en el espacio anular formado entre las formaciones que se hanperforado y la cañería (Casing) que se instala en un pozo para producirpetróleo, gas y/o agua. Desde 1903, el mayor y principal objetivo de unacementación primaria ha sido proveer una aislación de las zonas, expuestas enel borde de pozo que contienen los fluidos y separarlas efectivamente. Paraalcanzar este objetivo, un sello hidráulico (anillo de cemento) debe conseguirseentre las formaciones y el casing de manera de evitar la canalización y/omigración de los fluidos a través del mismo. Estos requerimientos hanproducido que la cementación sea la operación más importante que se realizadurante la terminación de un pozo.PROCESO DE CEMENTACIÓNLa cementación es un proceso que incluye:· Diseño y ensayo de una lechada de cemento· Mezclado y transporte de cemento y aditivos· Mezclado y bombeo en el pozoUna lechada de cemento se define como:· Un fluido que resulta de mezclar agua y aditivos al cemento seco, o bien, amezclas de cementos.RAZONES PARA CEMENTAR· Soportar la sarta de casing y que el cemento se adhiera perfectamente a laformación y al casing,(“sello hidráulico impermeable”).· Sellar zonas de pérdidas de circulación.· Proteger el casing de la corrosión producida por las aguas subterráneas.· Prevenir surgencias (blow-outs) de las formaciones que están expuestas.· Proteger el casing de las cargas y esfuerzos cuando se re-perfora paraprofundizar un pozo.· Prevenir el movimiento de fluidos entre zonas.CEMENTACIONES PRIMARIAS· De simple etapa· Conductor· Superficie· Intermedio· Producción
  • 2. · Liner de perforación· Liner de producción· Dos o más etapas· Superficie· Intermedio· Producción· LinerMisceláneas· Cemenación de casing desde superficie por espacio anular (“Top Out”, 1”, o“macaroni”)· Inner String· Scab* LinerCASING DE SUPERFICIE (GUÍA)· Características:· Requerido por Regulaciones, Leyes y/o Decretos de Gobierno en cada área ypaís.· 100´ a 5,000 pies (30 ~ 1500 m) o mayores.· O.D. desde 7.5/8” hasta 20” o mayores· Necesita fijarse en superficie (encadenado) mientras se cementa.· Se circula cemento hasta superficie¨ El pozo puede ser severamente erosionado¨ Las pérdidas de circulación pueden ser un gran problema· Objetivos:· Proteger las zonas de agua dulce.· Ofrecer una conexión para montaje de las BOP en superficie.· Tratar zonas de formaciones inconsolidadas.· Sellar zonas de pérdidas de circulación.· Soportar las sartas de Casing siguientes para profundizar el pozo· Cementos utilizados:· Lechada de cabeza (relleno) seguida por una lechada de cola de altaresistencia.· Cementos de elevada resistencia en pozos profundos.· Procedimientos para cementar:· Se deben utilizar tapones de goma (de limpieza) inferior y superior.· A veces se cementa a través de drill pipe· Centralizar el casing y fijar las juntas del zapato y de superficie.· A veces es seguido de una cementación desde superficie (por anular) “topout”
  • 3. CASING INTERMEDIO· Características:· 4,000 a 16,000 ft (1200 ~ 4800 m) o mayores profundidades (amplio rango)· O.D. 6.5/8” hasta 20”; 9.5/8” es muy común· A menudo con circulación hasta superficie¨ Algunas veces solamente dentro del casing de superficie¨ Raramente cementado solamente en la sección del fondo· Se puede terminar el pozo (completación) en este casing intermedio· Objetivos:· Casos de zonas críticas· Pérdidas de circulación· Zonas con altas presiones· Zonas con mantos salinos· Las B.O.P. siempre están instaladas· Soportar sartas que se instalarán posteriormente· Pueden realizarse como trabajos de cementación en una sola etapa o enmúltiples etapas (dos o más)· Procedimientos y cementos:· Lechadas muy variadas· Generalmente con lechadas de relleno y de alta resistencia (de cola)· Se deben utilizar tapones de goma (de limpieza) de inferior y superior.· A veces cementado a través de Drill pipe· A veces se cementan en etapasCASING DE PRODUCCIÓN· Características:· 1,700´ a 20,000 ft (510 ~ 6000 m), o más profundos· Diámetros más comunes:· 4.1/2” , 5.1/2” y 7”· Objetivos:· Completar el pozo para producción· Proveer control de presión· Cubrir agüjeros o una sarta de Casing intermedio dañado¨ Control del pozo cuando se perfora (punzado, baleo)· Cementos usados:· Lechada de relleno (de cabeza) seguida de una lechada de alta resistencia(de cola)
  • 4. · Cementos de alta resistencia frente a las zonas productivas· Procedimientos de cementación:· Normalmente se utilizan espaciadores de buena calidad· Es común desplazar con fluidos para perforar (cañonear, punzar, balear)· Desplazar y lavar bombas y líneas antes de cementar es una buena práctica· Usar tapones de goma de limpieza inferior y superior es una buena prácticaCEMENTACIONES EN ETAPAS· Objetivos· Prevenir la fractura de la formación (presión hidrostática muy alta en lacolumna de cemento)· Cubrir algunas zonas sin necesidad de llenar completamente una columna decemento· Cementar arriba de una zona de pérdida de circulación· Escaso chance por colapso de casing· Trabajar con mayores diferenciales de temperatura· Variedad de cementos utilizados, según los objetivos y el problema a resolver· Procedimietos de cementación: apertura del dispositivo de etapas tan rápidocomo se pueda (A.S.A.P.)Liner· Sarta de tubería que se baja en un pozo y se fija en el último casing instaladoy normalmente no llega hasta superfieLiner de perforación· Liner fijado antes de alcanzar la profundidad total del pozo (TD), en pozoabierto hasta el Casing intermedio para control de fluidos de perforación y elpozo (también llamado Liner de protección)Liner de Producción· Liner fijado a la profundidad total dentro del liner de perforación o dentro de uncasing intermedio, para producción de una zona de interésTie-Back Stub Liner· Sarta corta de casing desde el tope de un liner fijado anteriormente y haciaarriba dentro de un casing intermedio o un liner fijado anteriormenteTie-Back Casing· Sarta de casing desde el tope de un liner fijado previamente hacia arriba yhasta superficie
  • 5. Scab Liner· Sección corta de casing de menor diámetro que el diámetro interior del casinginstalado para tapar una rotura o agujero en el casing existente¿Porqué bajar un Liner?La principal razón para bajar un liner es proveer una solución de bajo costopara vida total del pozo, esto es durante la perforación, ensayos, terminación yproducción.Control de pozo· Cuando se perforan zonas de alta presión (anormales), los liners puedenprevenir las surgencias aislando estas zonas y permitiendo disponer de zonascon presiones normales hacia arriba del pozo. También los tie-back liners seutilizan para sellar casing dañados.Costo inicial más bajo· Se evalúa la zona potencial vía aislación total desde la superficie. Usar unliner en lugar de un casing hasta superficie es más económico· Instalación rápida· Es mucho más rápido bajar el liner con el drill pipeI que instalar una sartalarga de casing a la misma profundidad.CEMENTACIÓN DE SARTAS POR ANULARSe baja la tubería (caño, tubing, o línea) lo más profunda posible en el espacioanular entre el Casing y pozo abierto· Usualmente desde 100´ (30 m) hasta varios cientos de pies.¨ Algunas veces, sólamente de 20´a 60 ft¨ Se han efectuado trabajos hasta 3,400 ft (1030 m).· Cemento acelerado y mezclado a través de un caño de 1”· Cuando se tienen retornos en superficie, se detiene el mezclado, se retira ylava la tubería.El objetivo es llenar con cemento el espacio anular y alrededor de todo el topedel casing de superficie.· Se realiza cuando se han perdido retornos en superficie.· Se realiza cuando el cemento cae (desciende) en el espacio anular luego deun trabajo.· Se realiza, también, para reforzar alrededor del tope del casing en superficie yen cualquier caso.
  • 6. “TOP OUT JOB”Cuando se pierde circulación y no se han obtenido retornos durante lacementación. Al finalizar, generalmente se baja una tubería de 1” en el espacioanular entre el casing y el pozo abierto y se bombea el cemento a través de lamisma y se observan los retornos en superficie.CEMENTACIÓN “INNER STRING”· Casing de gran diámetro bajado a T.D.· Se baja Drill pipe dentro del casing -- el stinger ajusta en el collar· Se utiliza un collar o zapato especial que acepta el stinger· Tag-in (alguas veces llamado "stab-in")· Latch-in· Screw-in· Pueden o no utilizarse tapones· Se deben tomar precauciones con el colapso de casing· Se mezcla y bombea cemento hasta que circula en superficie· Se reduce el tiempo y volumen de desplazamientoTIPOS DE CEMENTO:_ Cemento Portland_ Cementos API_ Cementos fabricados de bajo peso_ Mezclas de cementos livianos_ Sistemas especiales de CementosMATERIALES A GRANEL:_ Calcáreos_ Calizas_ Sedimentarias_ Metamórficas_ Roca de cemento_ Sedimentos marinos (conchas, corales)_ Arcillosos_ Arcillas_ Lutitas_ Pizarras_ Piedra de barrosPROCESO DE FABRICACION:_ Proceso seco_ Económico_ Eficiente
  • 7. _ Proceso húmedo_ Se puede repetir_ Mejor calidadCEMENTO PORTLAND (COMPONENTES)Los cementos API son cementos portland, que es un tipo de cemento. Loscementos portland también son llamados cementos hidráulicos porque fraguanbajo agua._ C3S Silicato tricálcico_ C2S Silicato dicálcico_ C3A Aluminato tricálcico_ C4AF Ferroaluminato tetracálcico_ Oxidos de hierro (adicional)C3S Silicato tricálcico_ es el mayor componente del cemento portland (50%)_ contribuye al fragüe y rápido desarrollo de resistenciaC2S Silicato dicálcico_ 20 - 25% del clinker_ hidratación más lenta que el C3S_ contribuye a leve resistencia a largo tiempoC3A Aluminato tricálcico_ generalmente 0 - 8%_ regula la resistencia al ataque de los sulfatos_ promueve la hidratación rápida_ controla el tiempo de fragüe, reología y resistencia temprana delcemento_ Si está presente en < 3% se considera un cemento de alta resistencia alos sulfatosC4AF Ferroaluminato tetracálcico_ está en la fase intersticial, baja reactividad_ promueve el bajo calor de hidrataciónÓxidos de hierro (adicional)_ con incremento de C4AF_ con reducción de C3ACEMENTOS ESPECIALES & MEZCLAS DE CEMENTOSSISTEMAS DE CEMENTO ULTRAFINO
  • 8. _ Un cemento de partículas muy finas, de propiedades únicas en rápidodesarrollo de la resistencia y baja densidad_ Puede ayudar a sellar zonas en las cementaciones squeeze en áreas conproblemas tales como: zonas ladronas, zonas de agua, zonas de gas, parapérdidas o roturas de casing y en gravel packs_ Baja permeabilidad, desarrolla temprana (rápida) resistencia a la compresiónLIGHT WEIGHT CEMENT (CEMENTOS DE BAJA DENSIDAD)_ Los cementos manufacturas de baja densidad se fabrican de igual forma quelos cementos API, con una importante excepción:_ En algún punto del proceso de fabricación se agrega un material en granosde baja densidad a la mezcla de materia prima_ Esto produce un cemento del tipo portland con una gravedad específica de2.8 comparado con los cementos API que tienen una gravedad específica de3.14_ Características físicas_ Estables a altas temperaturas_ Hasta 3500 F sin el agregado de sílice_ Rangos de densidades de 11.5 a 13.7_ No se necesitan extendedores, sólo mezclarlo con agua para la densidaddeseada_ Buenas propiedades de lechadas_ Excelente resistencia a la compresión_ Resistentes a los sulfatos_ Compatibles con los aditivos para cementos API_ Descripción_ Fabricado con Lite Wate más un cemento API (usualmente A o H),mezclados a granel en el saco de cemento_ Relaciones más comunes 1:1, 1:2 or 2:1_ Aplicaciones (Efectos primarios de la lechada)_ Amplio rango de densidades - - 12.7 a 15.0 ppg_ Excelentes propiedades de resistencia a la compresión_ Efectos secundarios_ Muy compatible con todos los aditivos para cementos_ Lechadas de fácil mezclado_ Notas especiales_ Las relaciones siempre están escritas de la siguiente forma: “TLW:CementoPortland”
  • 9. _ Pueden modificarse para cubrir todas las condiciones de pozoCOLD SET_ Descripción_ Mezclas con cemento Clase G, Yeso y Cloruro de calcio_ Tres sistemas:_ Cold Set I a 15.3 ppg_ Cold Set II a 14.95 ppg_ Cold Set III a 12.2 ppgLECHADAS BFS (BLAST FURNACE SLAG)_ Un sub-producto no metálico obtenido de los hornos en el proceso defabricación de acero, utilizado para convertir el lodo de perforación en uncemento_ Con propiedades de adherencia y resistencia a la compresión excelentes_ No es aplicable en todos los pozos. Es una alternativa valiosa para minimizarlos costos de perforación, agua y cementaciones en algunas áreas._ No se requiere mezclado en seco, las lechadas slagmud se mezclan ybombean utilizando los equipos estándares._ Alta resistencia a los sulfatos y aguas corrosivas.SLAGMENT_ Una mezcla de BFS y cemento ASTM Tipo I_ Usado en áreas donde se disponen fuentes de BFS económicas_ Provee una alternativa al cemento portland donde la calidad del cementoportland es un problema_ Puede utilizarse en lugar de los cementos API Clases G o H._ Se disponen lechadas con propiedades similares a las obtenidas con uncemento portlandFOAMED CEMENT_ Puede formularse y utilizarse donde se requiere una adecuada resistencia ala compresión con lechadas de cemento de baja densidad_ Usado en cementaciones a través de zonas débiles donde no se obtienenlechadas extendidas (livianas) de determinada densidad y resistencia a lacompresión_ Para minimizar la pérdida de lechadas en casos donde se ha presentado unapérdida de circulación previamente_ La estabilidad de espuma de lechada se logra adicionando un surfactante oun estabilizador de espumaEFECTOS DE LOS ADITIVOSCada aditivo que se incluye en una lechada está agregado para cambiar algunapropiedad de la lechada. Esto puede denominarse el efecto primario o principal
  • 10. de cada aditivo. Por ejemplo, un acelerador se agrega para que el cementofragüe más rápido o desarrolle rápida resistencia a la compresión y unretardador para que extienda el tiempo de fragüe porque se necesita mayortiempo de espesamiento para colocar la lechada.Sin embargo, la mayoría de los aditivos tienen otros efectos, además de losprimarios, sobre las lechadas de cemento. Estos otros efectos son llamadosefectos secundarios. Algunas vecesestos efectos secundarios son muy útilessobre todas las propiedades de la mezcla de cemento, pero otras veces noofrecen ventajas. Cualquiera sea el efecto, ellos deben tenerse en cuenta aldiseñar una lechada.Otro efecto que tiene lugar y puede inducir complicaciones son los efectossinergéticos de los aditivos. Un efecto sinergético o sinergismo es un cambioen las propiedades de la lechada que resulta cuando dos aditivos se mezclanjuntos en la lechada, pero que ese cambio o propiedad no hubiese ocurrido sise hubieran mezclado de a uno sólo por vez. También pueden ocurrir efectossinergéticos con más de dos aditivos._ Recuerde, el primer parámetro a considerar cuando se diseña una lechada esla densidad de la mezcla._ También, el diseño de una lechada no es una ciencia exacta._ BHST_ Temperatura estática de fondo de pozo, °F_ PsUT_ Pseudo undisturbed Temperature, °F_ PBHCT_ Predicted bottom hole circulating temperature, °F_ BHSqT_ Temperatura de fondo de pozo para squeeze, °F_ BHLT_ Temperatura de fondo de pozo obtenida de los registros de pozos, °F_ PsTG_ Pseudo-gradiente de temperatura, °F/100 ft_ Similar al gradiente geotérmico del pozo_ MD_ Profundidad medida, ft_ TVD_ Profundidad vertical real, ftTEMPERATURA_ Es el factor más importante en el diseño de una lechada de cemento_ Altas temperaturas_ Rápida hidratación_ Reduce el tiempo de espesamiento
  • 11. _ Generalmente reduce la viscosidad de la lechada_ Generalmente incrementa la pérdida por filtrado, resistencia a la compresión,fluido libre y sedimentación de las partículas de cemento en la mezclaACELERADORES_ Mecanismo de acción_ Efectos sobre la hidratación_ El aditivo puede incrementar la permeabilidad durante el desarrollo del gel deC-S-H_ Efectos sobre el ión flux_ El aditivo puede incrementar la velocidad de reacción del ión OH- por difusiónde Cl- o aniones pequeños similares_ Aceleración de la nucleación_ El aditivo puede bajar el pH intersticial favoreciendo la precipitación delportland, estringita y yeso secundario Uso primario_ Reducir la hidratación inicial, y_ Fragüe del cemento portland Uso secundario_ Retardar la interacción de las moléculas_ Estabilizar la lechada_ Prevenir el daño de formaciónSales inorgánicas_ La aceleración se incrementa con el incremento de cargaEjemplos:_ Cloruro de calcio_ Cloruro de sodio_ Cloruro de potasio_ Silicato de sodio_ Aceleradores orgánicosEjemplos:_ Formato de calcio_ Acido oxálico_ Triethanolamina (TEA)RETARDADORES_ Definición_ Cualquier material que retarda el tiempo de fragüe de una lechada decemento
  • 12. Ejemplo_ Azúcares comunes (sacarosa, C12H22O11)_ Problema: el efecto de los retardadores base azúcar es que tiende a ser muydifícil de pronosticar sus efectos y difíciles de controlarLignosulfonatos_ Es una familia de productos químicos utilizados muy comúnmente comoretardadores_ En general, lignosulfonatos de sodio y de calcio o mezclas de ambos_ También tienden a adelgazar (fluidificar) o dispersar las lechadas de cemento_ Normalmente se pueden pronosticar los efectos sobre las lechadas decementoTipos de retardadores_ Para baja temperatura_ Para alta temperatura_ Entre 180° y 220° F pueden cambiar las propiedades de las lechadas_ Caen entre los de Baja y Alta temperatura_ Usualmente se requieren realizar más ensayos_ Los resultados son difíciles de pronosticarConcentraciones del retardador_ Usualmente de 0.1 % a alrededor de 1.5 % BWOC_ En aplicaciones de HTHP, se han utilizado concentraciones tan elevadascomo 9% BWOCObjetivos_ Para proveer un incremento (alargar) controlado del tiempo de espesamientode una lechada por la interferencia con las reacciones de hidratación delcemento_ Para prevenir una hidratación prematura del cemento portlandPropiedades deseadas_ Respuesta consistente con todos los cementos_ Respuesta lineal vs. concentración_ No interferir con otros aditivos_ Baja toxicidadRETARDADORES TIPOS_ Lignosulfonatos_ Acidos orgánicos_ Azúcares_ generalmente no usados en cementaciones_ Compuestos de celulosa_ Organofosfonatos_ Inorgánicos
  • 13. PERDIDA POR FILTRADO_ La pérdida por filtrado es el caudal de agua que sale por presión diferencialfuera de la lechada de cemento frente a una formación permeable y se expresaen ml/30 min, con BHCT y 1000 psiCOMO TRABAJAN LOS ADITIVOS REDUCTORES DE FILTRADO_ Un desarrollo de un revoque de filtrado puede verse durante el proceso defiltración_ Bajo presión diferencial, las partículas de cemento suspendidas en la lechadason filtradas en los estratos permeables_ Los sólidos depositados forman un revoque de filtrado cuya estructura estáinfluenciada por el tamaño de partícula, eficiencia del empaque de laspartículas y grado de compresión de las partículas_ Una vez construído este esqueleto de sólidos, la reducción posterior de lapermeabilidad del revoque de filtrado es dependiente de la acción de losaditivos reductores de filtrado tales como los polímerosDISPERSANTES_ Definición_ Ajustar la carga eléctrica en la superficie de las partículas de cemento paraobtener determinadas propiedades de flujo de la lechada_ Función_ Reducción del caudal crítico de bombeo_ Minimizar la presión de fricción_ Mejorar la mojabilidad_ Evitar gelificación_ Mejorar el control de pérdida por filtrado_ Mejorar la actividad del retardador_ Permitir densificar las lechadasMATERIALES DENSIFICANTES_ Baritina_ Hematita_ W-10_ ArenaFLUIDO LIBRE_ El fluido libre (agua libre) es aquel que se separa de la mezcla de cemento ycontribuye a la contracción de la lechada_ La contracción de la lechada puede afectar la adherencia y contribuir a lamigración de gas_ En pozos desviados, el fluido libre se irá ubicando en la parte superior delespacio anular y creará un canal conductivo
  • 14. ADITIVOS PARA EL CONTROL DEL FLUIDO_ Metasilicato de sodio_ Arcilla de atapulgita_ T-40L_ ASA-301 & ASA-301L_ Objetivos:_ Eliminar el fluido libre en las lechadas de cementoZAPATOS GUÍAS Bajados en el extremo inferior del Casing Se usan para guiar el Casing en el pozo Permiten que ingrese lodo dentro del Casing cuando se está bajando en elpozo No poseen dispositivo de flotaciónDispositivos de flotación Poseen algún tipo de dispositivo que actúa como una check valve paraprevenir que el cemento ingrese dentro del Casing debido a las presionesdiferenciales Zapato Flotador Además de la válvula, permite guiar el casing en el pozo cuando se estábajandoCollar Flotador Instalado generalmente a 1 ó 2 juntas arriba del zapato (40 a 80 ft).Shoe Track (“junta del zapato”) Es el área entre el zapato y el collar Se utiliza como factor de seguridad para disponer cemento de buena calidaden el espacio anular y alrededor del zapatoPREFLUJOS Y ESPACIADORESSistemas para ayudar en la remoción de lodo y la acuohumectación delrevestimiento y la formación, con el objeto de obtener una buena adherenciadel cementoLOS PREFLUJOS ATIENDEN A TRES PROPÓSITOS BÁSICOS Barrera Remoción del lodo Acuo-humectaciónMÁS DETALLADAMENTE, SE EMPLEAN PARA: Aumentar la eficiencia de desplazamiento del lodo. Limpiar el lodo adherido al casing y a la formación (revoque de lodo). Acuohumectar para obtener buena adherencia. Separar el lodo del cemento (dentro del revestimiento y en el espacio anular)y prevenir incompatibilidad.
  • 15. Minimizar la contaminación.Lavadores Químicos– Fáciles de preparar y bombear– Se alcanza turbulencia a bajo caudal, aún en espacios anulares grandes– Efectividad limitada frente a lodo envejecido y GelificadoEspaciadores– Fluidos densificados para mantener presión hidrostática (control de pozo)– Algunos pueden alcanzar flujo turbulento, con caudales altos– Efecto de flotación para remoción de lodo– Muy poca efectividad frente a lodo envejecido y gelificado (con algunasexcepciones)ESPACIADORES DE BJ Mud Clean MCS-W Spacer MCS-O Spacer Mudsweep TurboSolve Flowguard