Cementacion de pozos

5/11/2018 Cementacion de pozos - slidepdf.com

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C A P I T U L O

17Cementaciónde pozos

Contenido

Panorama general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-2

Aditivos de cementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-3

Aceleradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-3

Retardantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-5

Aditivos de control de pérdida de fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-6

Extendedores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7

Aditivos de control del agua libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7

Materiales densificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-8

Activadores de escorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-8Dispersantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-10

Preventores de retrogresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-10

Diseño y aplicaciones de las lechadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-11

Lechada de frente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-11

Lechada de cola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12

Lechada a presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12Tapones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12

Espaciadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13

Cálculos de volumen de los espaciadores . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13



Manual de fluidos Baroid

Revisado Agosto 1, 1997 17-2

Panorama general

Los principales materiales de cementación usados enaplicaciones petroleras son:

C Cemento Portland, clases API A, C, H y G

C Escoria de alto horno (blast furnace slag, o BFS)

C Puzolana (polvillo de cenizas), ASTM Tipos C y F

Cemento Portland es el nombre usado para todos los

materiales cementicios compuestos mayormente de

óxidos de calcio, sílice y aluminio. La escoria de altos

hornos (BFS) es un subproducto obtenido de la

fabricación de arrabio en un alto horno. Las puzolanas

son materiales de sílice o sílice/alúmina que reaccionan

con el hidróxido de calcio (cal) y agua para formar un

cemento estable. Las puzolanas pueden ser naturales o

sintéticas.

Los materiales cementadores se usan en operaciones de

perforación para:

C Aislar zonas

C

Sujetar la tubería de revestimiento en el pozoC Proteger la tubería de revestimiento contra colapso,

corrosión y sacudimientos de perforación

C Taponar pozos no productivos para su abandono

C Taponar una porción de un pozo para desviar la

perforación

Este capítulo explica el uso de aditivos para controlar las

propiedades de la lechada de cementación y provee laspautas guías para operación ideal con cada tipo de

aditivo. Se provee el diseño y aplicaciones para lechadas

de frente, cola y lechada a presión. También



Cementación de pozos

17-3

se provee diseño de tapones, pautas guías para

espaciadores, y cálculos de volumen de espaciadores.

Aditivos de cementación

Las lechadas preparadas con materiales de cementación

son tratadas con diversos aditivos para modificar el

tiempo de fraguado, las propiedades reológicas y

filtrantes, y la densidad. Estos aditivos se clasifican en:

C Aceleradores

C Retardantes

C Aditivos de control de pérdida de fluido

C Extendedores

C Aditivos de control del agua libre

C Agentes densificantes

C

Activadores de escoriasC Dispersantes

C Preventores de retrogresión de la resistencia

Aceleradores Los aceleradores acortan el tiempo de fraguado de una

lechada y permiten que la lechada adquiera la necesaria

resistencia a la compresión en un espacio de tiempo

práctico. En la Tabla 17-1 se dan las cantidades de

diversos aditivos usadas para regular los tiempos de

fraguado.





Aditivo Temp.,°F (°C) BFS Cemento%BWOW* gal/bbl L/m

Concentración

3

CaCl <120 (<49) 0.5-4.0 n/a n/a x2

NaCl <190 (<88) 1.0-10.0 n/a n/a x

KCl <190 (<88) 1.0-3.0 n/a n/a x

Alcoholes <150 (<66) n/a 0-1.0 0-3 x x

NaOH <190 (<88) según no disp. no disp. xneces.

Yeso <100 (<38) según no disp. no disp. xneces.

Silicato de <100 (<38) 1.0-3.0 2.0-12.0 6-36 xsodio

* %BWOW = porcentaje de agua por peso

Tabla 17-1: Aditivos aceleradores. Usar estos aditivos aceleradores para regular el tiempode fraguado de lechadas de cemento.




17-5

Retardantes Los retardantes prolongan el tiempo de fraguado de una

lechada. Este retardo permite la colocación del cemento

antes que se produzca endurecimiento. Estos aditivos

contrarrestan los efectos del aumento de temperaturasobre una lechada de cemento. En la Tabla 17-2 se dan

pautas guías de operación para aditivos retardantes.

Aditivo °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/m

Temp.,Concentración

3

Q-BROXIN <120 (<49) 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x x

Lignosulfato 100-160 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x xde calcio (38-71)

Gluconato 150-200 0.1-1.0 0.05-1.5 0.15-4 x xde sodio (66-93)

Heptogluco- 150-200 0.1-0.8 0.1-0.8 0.3-2.3 x xnato de sodio (66-93) gal/bbl gal/bbl gal/bbl

Citrato de 150-230 0.1-1.0 0.025- 0.07-1.1 x xsodio (66-110) 0.40

* %BWOC = porcentaje de cemento por peso

Tabla 17-2: Aditivos retardantes. Usar estos aditivos para prolongar el tiempo de fraguadode una lechada de cemento.





Aditivos de

control de

pérdida defiltrado

Las excesivas pérdidas de agua hacia la formación

pueden impedir que el cemento se endurezca

correctamente. Los aditivos de control de pérdida de

filtrado se usan para reducir las pérdidas excesivas deagua hacia la formación. Además, estos aditivos:

C Aumentan la viscosidad

C Retardan el tiempo de fraguado

C Controlan el agua libre de la lechada

La Tabla 17-3 detalla los aditivos comunes de control de

pérdida de filtrado para lechadas de cemento.

Aditivo °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/mTemp.,

Concentración

3

PAC <200 (<94) 0.125-1.25 0.25-5.0 0.7-14 x x

CMC <175 (<79) 0.125-1.50 0.25-6.0 0.7-17 x x

HEC <200 (<94) 0.125-1.75 0.25-7.0 0.7-20 x x

CMHEC 120-230 0.125-1.00 0.25-4.0 0.7-11 x x(49-110)

BARAZAN PLUS <160 (<71) 0.05-0.40 0.1-1.5 0.3-4 x x


Tabla 17-3: Aditivos de control de pérdida de filtrado. Estos aditivos controlan la cantidadde agua que se filtra hacia las formaciones.




17-7

Extendedores Los extendedores rebajan la densidad de la lechada para

cementar a través de formaciones débiles. Una lechada

más liviana reduce la presión hidrostática y contribuye a

evitar daños a la formación. La Tabla 17-4 da pautasguías operativas para aditivos extensores.

Aditivo °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/m

RangodeTemp.

Concentración

3

AQUAGEL 200 (94) 0.5-8.0 1.0-32.0 3-91 x

Ceniza volante, n/a Según Según Según xPuzolana neces. neces. neces.

Silicato de 250 (121) 1.0-3.0 2.0-12.0 6-34 x xsodio

* %BWOC = porcentaje de cemento por pesoTabla17-4: Aditivos extensores. Los aditivos extendedores reducen la densidad de lalechada y ayudan a evitar daños por presión a las formaciones débiles.

Aditivos de

control del agua

libre

Los aditivos de control de agua libre mantienen fija el

agua de lechadas de bajo peso o extendidas. Si esta agua

no estuviera controlada, las propiedades de la lechada

cambiarían al ser absorbida agua en las formacionescircundantes. Esta absorción afecta la circulación y el

posicionamiento de la lechada. La Tabla 17-5 da pautas

guías operacionales para estos aditivos.





Aditivo °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/mTemp.,

Concentración

3

AQUAGEL 200 (94) 0.5-8.0 2.0-32.0 6-91 x x

Clorhidrato 250 (121) 0.01-0.20 0.04-0.75 0.1-2.1 x xde aluminio


Tabla 17-5: Aditivos de control de agua libre. Usar estos aditivos para evitar absorción deagua por las formaciones.

Materialesdensificantes

Se pueden usar materiales densificantes para aumentar la

densidad del cemento o escoria y ayudar a controlar las

presiones de la formación. En la Tabla 17-6 se detallan

tres materiales densificantes.

Material densificante Peso específico

Barita 4.2

Hematita 4.8-5.0

Arena 2.6

Tabla 17-6: Material densificante. Usar aditivos de material densificante para controlarpresiones de la formación.

Activadores de

escorias

La escoria de alto horno (BFS) es un material de cemento

hidráulico latente que no reacciona directamente con el

agua. Es por ésto que el proceso de hidratación de la

escoria de alto horno es iniciada ya sea por activadores

químicos o bien por temperaturas elevadas. Los

activadores químicos se usan según sea necesario en

distintas proporciones y concentraciones, dependiendo de

las temperaturas que se espera encontrar (Tabla 17-7).




17-9

Activadores de escorias Escala de temperaturas, °F (°C)

Soda cáustica <180 (<82)

Carbonato de sodio <180 (<82)

Cal <180 (<82)

Hidróxido de magnesio 150-250 (66-121)

Carbonato de magnesio 150-250 (66-121)

Pirofosfato tetrasódico >100 (>38)

Pirofosfato ácido de sodio >100 (>38)Tabla 17-7: Activadores de escorias. Los activadores de escorias tienen por función iniciarel proceso de fraguado en las lechadas de escorias de alto horno.





Dispersantes Los dispersantes reducen la viscosidad de la lechada, lo

que es muy importante para la colocación y cohesión. La

correcta dispersión de una lechada da por resultado:

C Mayor y más temprana resistencia a la compresión.

C Mayor control sobre pérdida de filtrado

C Mayor control sobre el agua libre

La Tabla 17-8 da pautas guías para operación con

dispersantes.

Dispersantes °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/mTemp.,

Concentración

3

Sulfonato de <200 (<94) 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x xnaftaleno

Q-BROXIN 110-200 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x x(43-94)

Lignosulfonato <160 (<71) 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x xde calcio


Tabla 17-8: Dispersantes. Los dispersantes reducen la viscosidad de la lechada, lo que hacemás fácil su colocación y le da mayor cohesión.

Preventores de

retrogresión de

la resistencia

Las lechadas de cemento y escorias de alto horno que se

mantienen a temperaturas mayores de 200°F (94°C)

presentan con el tiempo una reducción de resistencia a la

compresión. Este fenómeno, denominado retrogresión de

la resistencia, se puede minimizar o evitar mediante el

agregado de otra fuente de sílice a la lechada, tal como

harina de sílice o arena de sílice. La harina de sílice

requiere mezclar con más agua que la arena de sílice para

adquirir la misma viscosidad. La




17-11

escala de temperaturas y las concentraciones se dan en la

Tabla 17-9.

Preventor deretrogresiónde la Temp.,resistencia °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/m

Concentración

3

Harina de sílice >200 (>94) 15-50 30-200 86-570 x xy arena desílice


Tabla 17-9: Preventores de retrogresión de la resistencia. Estos aditivos son necesariossi el cemento (o el BFS) estarán en una región en que la temperatura se mantiene por encimade 200°F (94°C).

Diseño y aplicaciones de lalechada

Las lechadas, sean de cemento o de BFS (escorias de alto

horno), deben ser concebidas especialmente para cada

aspecto diferente de la operación de perforación. Algunas

de las diferentes clasificaciones de lechadas incluyen:

C Lechada de frenteC Lechada de cola

C Lechada a presión

C Tapones

Lechada de

frente

Una lechada de frente tiene por objeto cubrir una porción

grande del espacio anular, ya sea pozo abierto o tuberíade revestimiento interior. Estas lechadas son de peso

ligero, y son lechadas extendidas que no





contribuyen mucho a la columna hidrostática de la

columna de cemento.

Lechada de cola Una lechada de cola tiene por objeto proveer la mayor

parte de la sustentación para la tubería de revestimiento o

el liner que se está cementando. Esta lechada se coloca

sobre la zona de interés para aislar esa zona de la

contaminación. La zona de interés puede ser una

formación productora, una zona de agua, o alguna otra

zona que requiera estar clausurada. Las característicasideales de una lechada de cola incluyen:

C Alta densidad

C Capacidad para desarrollar alta resistencia a la

compresión

C Buen control del tiempo de fraguado

C

No tener agua libre

Para una lechada de cola pueden ser necesarios aditivos

de control de pérdida de fluido.

Lechada a

presión

Las lechadas a presión tienen por objeto ser usadas para

cementación correctiva, o secundaria. Estas lechadas

deben tener buen control del tiempo de fraguado, buen

control de pérdida de fluido, y especialmente buen

desarrollo de la resistencia a la compresión.

Tapones Los tapones deben ser diseñados para llenar las

necesidades de la aplicación específica, ya sea tapón de

arranque, tapón de perdida de circulación, tapar y

abandonar, etc. Idealmente, los tapones deben tener:

C Desarrollo de alta resistencia a la compresión para

sellar la zona de taponamiento




17-13

C Corto tiempo de fraguado

Espaciadores

Las tres funciones principales de los espaciadores son:

C Servir de barrera entre el fluido de perforación y lalechada de cemento, eliminando así la contaminaciónentre los dos

C Limpiar la tubería de revestimiento y la formación defluido de perforación que pueda impedir una buena

adhesiónC Actuar como agente mojante que remoje la tubería de

revestimiento y las formaciones

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 debe ser

de 1 a 1.5 lb/gal en cada sentido. Esta diferencia le

permite al espaciador separar los dos fluidos (la lechada y

el lodo) e impedir que se contaminen uno al otro.

El espaciador necesita ser reológicamente compatible

tanto con el lodo como con el cemento. La viscosidad

ideal del espaciador debe estar entre la viscosidad del

lodo y la del cemento.

Cálculos devolumen de losespaciadores

Para calcular el volumen de espaciador requerido para un

tiempo de contacto específico, usar la siguiente ecuación:

V = (t )(q )(5.615)t c d

Donde

V = volumen de fluido, pies cúbicost

t = tiempo de contacto requerido, minc





q = régimen de desplazamiento, bbl/mind

5.615 = pies cúbicos/barril

En la mayoría de los casos, un tiempo de contacto de 10

minutos o más proporciona excelente remoción de lodo.

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