Guía Práctica para Diseñar y Efectuar Cementaciones Primarias CONTENIDO 1. Introducción 2. Metodología de diseño 2.1. Información necesaria para la cementación 2.2. Cálculo del volumen de cemento 2.3. Cálculo del volumen para el desplazamiento 2.4. Cálculo de la presión diferencial durante el desplazamiento 2.5. Densidad equivalente de circulación
3. Diseño de la lechada de cemento . !aches la"ador # es$aciador %. Chec&'list en el $o(o ). C*lculos en el $o(o 6.1. eso de la tu!er"a de revestimiento flotada 6.2. #olumen de desplazamiento 6.3. $iempo de desplazamiento 6.4. %á&ima presión diferencial
+. ,ecuencia o$erati"a -. Cementación $or eta$as . Cementación de T/ corta 10. ccesorios $ara la cementación 1'.1. (ccesorios para una $) corrida 1'.2. (ccesorios para una $) corta
11. diti"os diti"os $ara la lechada de cemento 12. /ecomendaciones 13. Nomenclatura
$ndice . asto mínimo $ara 4lu5o tur6ulento.
*a cementación de pozos petroleros es el proceso mediante el cual se !om!ea una lec+ada de cemento al fondo del pozo a trav,s de la tu!er"a de revestimiento- con el propósito de o!tener una !uena ad+erencia entre las fases formacióncementotu!er"a / ase0urar el sello efectivo que aisle las capas 0eoló0icas / soporte la tu!er"a. sta 0u"a presenta una metodolo0"a práctica para el diseo adecuado de cementaciones primarias.
1. Introducción La cementación de pozos petroleros es el proceso mediante el cual se mezcla una lechada de cemento y agua para bombearla al fondo del pozo a través de la tubería de revestimiento. Esta operación conocida como cementación primaria, requiere una adecuada planeación para seleccionar los sistemas de cemento y fluidos lavadores y espaciadores que deberán emplearse, así como para definir las condiciones de desplazamiento de estos sistemas para obtener una buena adherencia entre las fases formacióncementotubería y asegurar un sello efectivo que aisle las diferentes capas geológicas y que soporte la tubería. La determinación inadecuada de estos sistemas y de las condiciones de desplazamiento para su colocación resulta en cementaciones con poca o mala adherencia, lo que se refle!a en pérdidas económicas para la empresa, pues se requieren traba!os adicionales para corregir la adherencia del cemento. El ob!etivo de esta guía es el de proporcionar una metodología práctica para dise"ar y e!ecutar cementaciones primarias de tuberías de revestimiento que reduzcan tiempos y costos en los cambios de etapa de perforación. #quí se se"alan los aspectos más relevantes por considerar en el dise"o de las lechadas, dise"o de la cementación, y en la secuencia operativa de las cementaciones primarias$ información necesaria para la cementación, dise"o de la lechada de cemento, selección de los baches lavador y espaciador, dise"o de la cementación, cálculos en el pozo, secuencia operativa, accesorios para la cementación, y aditivos empleados para la lechada.
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2.1 Información necesaria para la cementación
%atos del estado mecánico del pozo$ diámetro de agu!ero descubierto, profundidad, desviación, diámetro, peso, y grado de la &' a cementar y de la &' anterior. %atos de la formación$ temperatura de fondo estática y circulante, tipo de formación, presión de poro y presión de fractura. (e recomienda el uso de la guía práctica para la predicción de geopresiones para cuantificar estos dos )ltimos parámetros. %atos de fluidos involucrados en la cementación$ es indispensable conocer el tipo, reología, y densidad del lodo de perforación, de la lechada de cemento, y de los fluidos lavadores y espaciadores. (e recomienda efectuar pruebas de compatibilidad cementolodo, lodofluido espaciador, y fluido espaciadorcemento, para evitar reacciones indeseables entre los fluidos. 2.2 Cálculo del volumen de cemento. (e determina con el registro de calibración o similar, considerando la cima de cemento programada y el volumen de cemento entre zapata y cople. *uando no se cue nta con el registro de calibre del pozo, un e+ceso de volumen de cemento del - al - por ciento es recomendado para formaciones consolidadas y no consolidadas respectivamente.
2. Cálculo del volumen para el despla!amiento.
El volumen de desplazamiento /Vol 0 es igual al volumen dentro de la tubería de revestimiento desde la superficie hasta el cople de retención.
2." Cálculo de la presión diferencial durante el despla!amiento. %urante la e!ecución de una cementación primaria, inicialmente los fluidos en el pozo se desplazan al mismo ritmo de bombeo que en la superficie. (in embargo, cuando la diferencia de densidades entre el lodo y la lechada de cemento es significativa, esta diferencia de densidades causa, eventualmente, que el ritmo de flu!o de los fluidos en el espacio anular sea diferente al ritmo de flu!o dentro de la tubería de revestimiento. Este fenómeno es conocido como caída libre del cemento, y se detecta cuando la presión de bombeo superficial es cero.
La 1igura ilustra este fenómeno.
El entendimiento básico del fenómeno de caída libre es indispensable debido a que la eficiencia de la cementación es controlada principalmente por los fenómenos que ocurren en el espacio anular.
2nicialmente el ritmo de caída libre del cemento es alto, este ritmo disminuye paulatinamente a medida que el cemento da vuelta hacia el espacio anular. La condición más crítica ocurre cuando el gasto de desplazamiento no es suficiente, entonces el cemento puede alcanzar el equilibrio y detenerse completamente. En este caso, si el fenómeno de caída libre no es comprendido, esta condición puede ser erróneamente interpretada como una pérdida de circulación inducida durante la cementación. La cuantificación del ritmo de caída libre sólo es posible por métodos numéricos, por lo que la utilización de soft3are especializado es altamente recomendable para el dise"o óptimo de la cementación. 4tro aspecto importante es cuantificar la presión superficial / P 0 ba!o condiciones dinámicas. Esta diferencial de presión es dada por la siguiente E+presión$ S
La 1igura 5 muestra esquemáticamente la operación de cementación durante la etapa de desplazamiento.
2.# Densidad e$uivalente de circulación%
4tro parámetro de dise"o es la densidad equivalente de circulación / ECD0. Este parámetro es particularmente importante por dos razones. 6rimero, la E*% debe ser mayor que la presión de poro de la formación para evitar que esta se manifieste cuando los baches lavador y espaciador se encuentran en el espacio anular. (egundo, la E*% debe ser menor que la presión de fractura. 6articularmente al final de toda operación de cementación primaria, cuando la columna de lechada de cemento en el espacio anular e!erce la mayor presión hidráulica, se puede ocasionar pérdida de fluidos por e+ceder el gradiente de fractura de la formación. La densidad equivalente de circulación se calcula con la siguiente e+presión$
La 1igura 7 ilustra el comportamiento típico de la E*% calculada en el fondo del pozo durante una cementación primaria.
3. Diseño de la lechada de cemento Prue&as de 'a&oratorio ()orma *PI +PEC 1,iscosidad (e adecua la viscosidad necesaria para asegurar el desplazamiento más eficiente de lodo que deberá proporcionar buena adherencia en la formación y la &'. El #62 recomienda una viscosidad de lechada de - a 8c /unidades de consistencia usadas en pruebas a cementos0. */ua li&re Es el volumen de agua que se separa de la lechada. (e mide después de haber agitado la lechada 5- minutos en el consistómetro atmosférico y haberla de!ado en reposo dos horas. El má+imo valor de agua libre aceptado por el #62 es de .9 :. El agua libre se evita utilizando la cantidad de agua adecuada y mezclando la lechada correctamente. 0iempo &om&ea&le (e debe considerar el tiempo en preparar, bombear la lechada, soltar tapones, y desplazar e l cemento, más un tiempo adicional de una hora como factor de seguridad. esistencia a la compresión (e debe verificar el desarrollo de la resistencia a la compresión en ;, 5 y 59 horas de permanecer en reposo a condiciones de presión y temperatura de fondo de pozo. Es generalmente aceptado como resistencia mínima para soportar el peso de la &', -- psi /7
y para liners de - cm7=7- min utilizando una presión diferencial de --- psi a temperatura de circulación de fondo. 6ara evitar canalización de gas, este valor debe ser restringido a un má+imo de 5- cm7=7min a temperatura estática de fondo. Consideraciones especiales 6ara formaciones saladas, se deberá saturar con cloruro de sodio /5- a 7>:0.
En caso de que la temperatura e+ceda los -?* /57- ?10, se usará harina de sílice. En las pruebas se debe utilizar la misma agua de mezclado que se utilizará en el campo.
. !aches la"ador # es$aciador (e programan en función del tipo de cementación por efectuar, tipo de lodo, y características de la formación. @ormalmente se bombean un frente lavador y un frente espaciador con el propósito de lavar y acarrear los recortes de formación remanentes. El frente lavador es un fluido ne3toniano, normalmente agua con surfactante y densidad cercana a .- gr=cm. El frente espaciador es viscoso y se comporta como fluido no ne3toniano. La %ensidad de este frente espaciador debe estar entre la densidad del lodo y la del cemento. (i el gradiente de fractura de la formación lo permite, se recomienda que la densidad del fluido espaciador sea -.-A gr=cm7 mayor a la del lodo. El volumen recomendado de los baches lavador y espaciador /Vol 0 de acuerdo con el criterio de eficiencia de desplazamiento, se determina de la siguiente forma$
Estos dos vol)menes proporcionan los límites mínimo y má+imo de baches a emplear. La decisión final del volumen de cada bache deberá tomar en cuenta que la E*% sea mayor a la presión de poro de la formación en toda la operación. /imen de flu3o El régimen de flu!o que ha mostrado mayor eficiencia de desplazamiento en traba!os de cementación es el turbulento, y se ha observado en traba!os e+perimentales que cuando no se puede alcanzar por las condiciones del agu!ero, lo recomendable es desplazar el cemento al mayor gasto posible, cuidando de no rebasar la presión de fractura.
El #péndice # muestra los cálculos básicos para determinar el gasto mímino de desplazamiento para que la lechada de cemento alcance el flu!o turbulento.
%. Chec&'list en el $o(o. Berificar a!uste final y profundidad total de la tubería de revestimiento. Berificar el peso físico de la tubería de revestimiento. 'eciprocar la tubería para limpiar y me!orar el flu!o en el espacio anular de acuerdo con el programa. Berificar la cantidad de cemento y los baches de acuerdo con el programa. Berificar que el volumen de lodo sea el suficiente para el desplazamiento. Berificar que el volumen de agua sea el suficiente para la operación. Berificar e identificar los tapones de limpieza y desplazamiento para no meterlos invertidos. Berificar la cabeza de cementar, revisar que los machos funcionen correctamente, contando las vueltas para meter y sacar el vástago que soporta el tapón de desplazamiento y el buen funcionamiento del indicador del paso del tapón. Berificar la instalación y la prueba con presión del equipo de cementar. Berificar la circulación y la reología del fluido de control seg)n programa.
). C*lculos en el $o(o. 4.1 Peso de la tu&ería de revestimiento flotada (5trf-
4.2 olumen de despla!amiento (e calcula con la ecuación A. *uando el volumen de lechada es muy grande, se debe desplazar con la bomba del equipo para evitar un problema de fraguado prematuro. En caso contrario, desplazarcon la unidad cementadora haciendo la contabilidad con las ca!as de lodo. 4. 0iempo de despla!amiento
a0 *uando se desplaza con la bomba del equipo$
4." 6á7ima presión diferencial. Es la presión generada por la diferencia de densidades del fluido de control y el cemento, desde el cople de retención=diferencial hasta la cima de la columna de cemento en el E#.
+. ,ecuencia o$erati"a Efectuar una 3unta de se/uridad con el personal involucrado en la operación evisar la ca&e!a de cementación e instalar los tapones. Esto se debe hacer
durante la circulación. Instalar y pro&ar las líneas de cementar a#,,, psi. 8om&ear los &ac9es de lavado y espaciado. Los baches lavadores deben estar previamente preparados para ser bombeados sin ocasionar retrasos en la operación. Cna vez bombeado el bache lavador, se descarga la presión diferencial para probar el equipo de flotación y la integridad de la tubería de revestimiento. +oltar tapón limpiador. #l soltar el tapónde diafragma, se debe verificar el via!e del mismo por medio del indicador que se localiza en la cabeza de cementar. 6e!clar y &om&ear cemento. #l iniciodebe hacerse a ba!o gasto para romper el gel del lodo y establecer circulación, posteriormente se bombea al gasto programado. %urante el mezclado se debe mantener la lechada homogénea. Esto se logra con el uso de un recirculador y se controla por medio de lecturas del densistómetro, au+iliados con lecturas de la balanza de lodos presurizada. +oltar tapón de despla!amiento. #l liberarel tapón de desplazamiento se verifica que el n)mero de vueltas para sacar el vástago que soporta al tapón de desplazamiento coincida con las cuantificadas durante la revisión de la cabeza de cementación. #demás, la salida del tapón se detecta por medio del indicador de paso del tapón.
Despla!ar la lec9ada. El gasto de desplazamiento debe ser de acuerdo con el dise"o.
*uando el tapón de desplazamiento esté por llegar a su tope final de acuerdo a cálculos, disminuir el gasto de bombeo a la mitad para evitar un incremento brusco de presión interna en la &' por la s)bita llegada del tapón. (i el desplazamiento se efect)a con bomba del equipo, se recomienda disminuir el gasto cuando el >- por ciento del volumen de desplazamiento programado ha sido bombeado. o
(i el desplazamiento se efect)a con la unidad cementadora, se recomienda disminuir el gasto cuando falten - barriles del volumen de desplazamiento programado. Descar/ar presión y verificar e$uipo deflotación. La presión final se descarga en las ca!as de la unidad de alta presión, para cuantificar el volumen de fluido que regresa y al mismo tiempo verificar el funcionamiento del equipo de flotación. (i al descargar la presión se observa que no se suspende el flu!o del lodo, cerrar la válvula de descarga para verificar la presión diferencial, bombear nuevamente un volumen de lodo hasta observar un ligero incremento de presión y cerrar las válvulas para esperar el tiempo de fraguado total con el pozo represionado con presión diferencial. Colocar anillo de cemento superficial. 6or programa y cuidando el entorno ecológico, el cálculo de cemento para una tubería superficial se hace evitando que salga a la superficie, para que una vez terminada la operación, se proceda a colocar el anillo superficial de cemento. Espera de fra/uado. El tiempo de espera defraguado está en función de las pruebas deesfuerzo compresivo. 6ruebas de laboratoriohan demostrado que cuando el control de lacalidad de la cementación es oportuno, eltiempo en que el cemento alcanza unesfuerzo compresivo de -- psi /7
-. Cementación $or eta$as. Esta operación se efect)a en pozos donde se requiere cubrir con cemento una gran longitud, cementar una &' demasiado larga, o se tienen zonas de interés con separaciones muy grandes o con problemas de pérdida de circulación debido al ba!o gradiente de fractura. (e utiliza la herramienta Dcople de cementación m)ltiple /**F0, la cual tiene integrado un !uego de camisas deslizables. La secuencia operativa de la primera etapa es la misma que la previamente descrita. La segunda etapa consiste en lanzar un tapón llamado torpedo, que se utiliza para romper los tornillos de corte en el **F, deslizando la primera camisa, haciendo la apertura y estableciendo comunicación entre el interior de la &' y el E#. (e establece circulación y se procede a la operación de la segunda etapa como una ce mentación normal. #l arribar el tapón de desplazamiento al **F, la segunda camisa del cople se desliza sellando los orificios de comunicación, observándose un incremento de presión, se"al de que el sello es efectivo.
. Cementación de T/ corta *uando por razones técnicas o económicas se toma la decisión de introducir y cementar una &' corta o liner, el dise"o de la cementación previamente descrito es aplicable calculando los vol)menes de lechada y desplazamiento de acuerdo a la geometría del pozo. (e utilizan accesorios de &' adicionales, y las diferencias en la secuencia operativa son básicamente las siguientes$
evisar la ca&e!a de cementación einstalar los tapones.
(i el colgador del liner es hidráulico, soltar la canica antes de instalar la c abeza. Col/ar y soltar la 0 corta. #ntes decolgar el liner, se checa el peso de la sarta. El liner se cuelga y suelta de acuerdo con el tipo y especificaciones del con!unto colgador. 6ara comprobar que el liner fue soltado, se comprueba que el peso de la sarta en el indicador de peso del equipo de perforación sea el correspondiente al de la tubería de perforación flotada. 8om&ear &ac9es lavador y espaciador. 6e!clar y &om&ear cemento. +oltar tapón de despla!amiento. #l liberar el tapón de desplazamiento se verifica lasalida del tapón por medio del indicador del paso del tapón. Despla!ar la lec9ada. El gasto dedesplazamiento debe ser de acuerdo aldise"o. El dezplazamiento se efect)a con launidad cementadora. *uando se hayadesplazado la capacidad de la tubería de perforación &6 se detecta el acoplamientodel tapón de desplazamiento al tapónlimpiador alo!ado en la herramientasoltadora. (e contin)a el desplazamientorecomendándose disminuir el gasto faltando- bl del volumen de desplazamiento programado. Descar/ar presión y verificar e$uipo de flotación. +acar la 9erramienta soltadora.
10. ccesorios $ara la cementación. 1,.1 *ccesorios para una 0 corrida.
Gapata flotadora. El equipo de flotación se utiliza para reducir esfuerzos en el mástil del equipo de perforación. La zapata flotadora tiene integrada una válvula de contrapresión que evita la entrada de fluidos del pozo al interior de la &', pero permite el paso a través de ella. *uando no se requiere flotación o se utiliza un cople flotador, se usa una zap ata guía que sólo sirve como guía para la &'. *ople flotador. &iene integrada una válvula de contrapresión que evita la entrada de fluidos del pozo al interior de la &', pero permite el paso a través de ellaH sirve de retén de los tapones de limpieza y desplazamiento.
*ople de retención. (irve de retén de los tapones de limpieza y desplazamiento. *entradores. (irven para centrar la &' en el interior del pozo. (e colocan en la sección de la &' que está frente al agu!ero descubierto. *abeza de cementación. Es una herramienta tipo niple que se rosca en la parte superior de la &' para hacer la cone+ión con la línea de la unidad cementadora. La parte superior alo!a en su interior los tapones de cementación. &iene integrada una o más válvulas para el bombeo del cemento y del lodo a través de la &'. &apón limpiador. (e utiliza en la interfase lodocemento &apón sólido. (e utiliza en la interfase cemento lodo de desplazamiento.
La 1igura 9 muestra los accesorios normalmente empleados en las operaciones de cementación de las tuberías de revestimiento.
1,.2 *ccesorios para un a 0 corta. Gapata flotadora tipo DB. Es una zapata con orificios laterales para permitir circulación cuando la &' se asienta en el fondo del pozo. *ople de retención. Iay diferentes tipos, de acuerdo con el tipo de colgador utilizado /mecánico o hidráulico0. Cnión giratoria. 6ermite desenroscar la herramienta soltadora en caso d e no poder anclar el colgador.
*olgador de &'. Los hay también mecánicos e hidráulicos.
11. diti"os $ara la lechada de cemento #celeradores de fraguado. 'educen el tiempo de bombeabilidad de la lechada e incrementan la resistencia a la compresión. 'etardadores de fraguado. 2ncrementan el tiempo de bombeabilidad. 6ermiten que la lechada de cemento traba!e en amplios rangos de temperatura y presión, pero reducen la resistencia a la compresión. 'eductores de pérdida de presión por fricción. %ebido a que reducen la fricción, permiten alcanzar el régimen turbulento más fácilmente. 'eductores de pérdida de agua. &ienen como propósito evitar la deshidratación de la lechada de cemento durante el bombeo cuando pasa frente zonas permeables, donde se presenta el proceso de filtración. 'eductores de densidad. 2ncrementan el rendimiento de la lechada y reducen la densidad. (e utilizan cuando se colocan grandes tirantes de cemento para evitar rebasar el gradiente de fractura. %ensificantes. (on materiales químicos inertes de alto peso específico con poco requerimiento de agua que permiten densificar la lechada de cemento.
12. /ecomendaciones %ise"ar la lechada con base en la temperatura de fondo medida en el pozo. La lechada de cemento no debe tener agualibre, se debe controlar el filtrado y el
tiempo de bombeo necesario para la operación. El correcto centrado de la tubería derevestimiento me!ora el desplazamiento del
lodo y la distribución del cemento en el espacio anular. El me!or desplazamiento de lodo a gasto óptimo se logra con un claro anular de a . #decuar la reología del lodo para optimizar su movilidad y eliminación de recortes. #condicionar el lodo hasta obtener elequilibrio en parámetros de entrada y salida. Ctilizar frentes lavadores y espaciadores 'eciprocar la &' antes y durante la cementación favorece la eficiencia deldesplazamiento. Esta operación compensa un centrado pobre. 6rocurar una densidad uniforme mediante eluso de recirculador. Fa+imizar el gasto de desplazamiento.*uando no se logre obtener flu!o turbulento, desplazar al mayor gasto posible. Las me!ores cementaciones se logran cuando el sistema es bombeado a má+ima energía.
7. @4FE@*L#&C'#
