Gua Prctica para Disear yEfectuar Cementaciones Primarias

CONTENIDO 1. Introduccin

2. Metodologa de diseo

2.1. Informacin necesaria para la cementacin 2.2. Clculo del volumen de cemento 2.3. Clculo del volumen para el desplazamiento 2.4. Clculo de la presin diferencial durante el desplazamiento 2.5. Densidad equivalente de circulacin

3. Diseo de la lechada de cemento

4. Baches lavador y espaciador

5. Check-list en el pozo

6. Clculos en el pozo 6.1. Peso de la tubera de revestimiento flotada 6.2. Volumen de desplazamiento 6.3. Tiempo de desplazamiento 6.4. Mxima presin diferencial

7. Secuencia operativa

8. Cementacin por etapas

9. Cementacin de TR corta

10. Accesorios para la cementacin 10.1. Accesorios para una TR corrida10.2. Accesorios para una TR corta 11. Aditivos para la lechada de cemento

12. Recomendaciones

13. Nomenclatura

Apndice A. Gasto mnimo para flujo turbulento. La cementacin de pozos petroleros es el proceso mediante el cual se bombea una lechada de cemento al fondo del pozo a travs de la tubera de revestimiento, con el propsito de obtener una buena adherencia entre las fases formacin-cemento-tubera y asegurar el sello efectivo que aisle las capas geolgicas y soporte la tubera. Esta gua presenta una metodologa prctica para el diseo adecuado de cementaciones primarias.

1. Introduccin

La cementacin de pozos petroleros es el proceso mediante el cual se mezcla una lechada de cemento y agua para bombearla al fondo del pozo a travs de la tubera de revestimiento. Esta operacin conocida como cementacin primaria, requiere una adecuada planeacin para seleccionar los sistemas de cemento y fluidos lavadores y espaciadores que debern emplearse, as como para definir las condiciones de desplazamiento de estos sistemaspara obtener una buena adherencia entre las fases formacin-cemento-tubera y asegurar un sello efectivo que aisle las diferentes capas geolgicas y que soporte la tubera. La determinacin inadecuada de estos sistemas y de las condiciones dedesplazamiento para su colocacin resulta en cementaciones con poca o mala adherencia, lo que se refleja en prdidas econmicas para la empresa, pues se requieren trabajos adicionales para corregir la adherencia del cemento.

El objetivo de esta gua es el de proporcionar una metodologa prctica para disear y ejecutar cementaciones primarias de tuberas de revestimiento que reduzcan tiempos y costos en los cambios de etapa de perforacin.

Aqu se sealan los aspectos ms relevantes por considerar en el diseo de las lechadas, diseo de la cementacin, y en la secuencia operativa de las cementaciones primarias: informacin necesaria para la cementacin, diseo de la lechada de cemento, seleccin de los baches lavador y espaciador, diseo de la cementacin, clculos en el pozo, secuencia operativa, accesorios para la cementacin, y aditivos empleados para la lechada. GUIA PRCTICA PARA DISEAR Y EFECTUARCEMENTACIONES PRIMARIAS 2. Metodologa de diseo

El ingeniero encargado de disear la cementacin, adems de conocer el objetivo de la cementacin, requiere la siguiente informacin: datos del estado mecnico del pozo, datos de la formacin, y datos de los fluidos usados durante la cementacin.

2.1 Informacin necesaria para la cementacinDatos del estado mecnico del pozo: dimetro de agujero descubierto, profundidad, desviacin, dimetro, peso, y grado de la TR a cementar y de la TR anterior.

Datos de la formacin: temperatura de fondo esttica y circulante, tipo de formacin, presin de poro y presin de fractura. Se recomienda el uso de la gua prctica para la prediccin de geopresiones para cuantificar estos dos ltimos parmetros.

Datos de fluidos involucrados en la cementacin: es indispensable conocer el tipo, reologa, y densidad del lodo de perforacin, de la lechada de cemento, y de los fluidos lavadores y espaciadores. Se recomienda efectuar pruebas de compatibilidad cemento-lodo, lodo-fluido espaciador, y fluido espaciador-cemento, para evitar reacciones indeseables entre los fluidos.

2.2 Clculo del volumen de cemento.Se determina con el registro de calibracin o similar, considerando la cima de cementoprogramada y el volumen de cemento entre zapata y cople. Cuando no se cuenta con el registro de calibre del pozo, un exceso de volumen de cemento del 10 al 50 por ciento es recomendado para formaciones consolidadas y no consolidadas respectivamente.

2.3 Clculo del volumen para el desplazamiento.El volumen de desplazamiento (Vol) es igual al volumen dentro de la tubera de revestimiento desde la superficie hasta el cople de retencin.

2.4 Clculo de la presin diferencial durante eldesplazamiento.Durante la ejecucin de una cementacin primaria, inicialmente los fluidos en el pozo se desplazan al mismo ritmo de bombeo que en la superficie. Sin 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 flujo de los fluidos en el espacio anular sea diferente al ritmo de flujo dentro de la tubera de revestimiento. Este fenmeno es conocido como cada libre del cemento, y se detecta cuando la presin de bombeo superficial es cero.

La Figura 1 ilustra este fenmeno.

El entendimiento bsico del fenmeno de cada libre es indispensable debido a que la eficiencia de la cementacin es controlada principalmente por los fenmenos que ocurren en el espacio anular.Inicialmente el ritmo de cada libre del cemento es alto, este ritmo disminuye paulatinamente a medida que el cemento da vuelta hacia el espacio anular. Lacondicin ms crtica ocurre cuando el gasto de desplazamiento no es suficiente, entonces el cemento puede alcanzar el equilibrio y detenerse completamente. En este caso, si el fenmeno de cada libre no es comprendido, esta condicin puede ser errneamente interpretada como una prdida de circulacin inducida durante la cementacin.

La cuantificacin del ritmo de cada libre slo es posible por mtodos numricos, por lo que la utilizacin de software especializado es altamente recomendable para el diseo ptimo de la cementacin.

Otro aspecto importante es cuantificar la presinsuperficial (PS) bajo condiciones dinmicas. Esta diferencial de presin es dada por la siguiente Expresin:

La Figura 2 muestra esquemticamente la operacin de cementacin durante la etapa de desplazamiento.

2.5 Densidad equivalente de circulacin:

Otro parmetro de diseo es la densidad equivalente de circulacin (ECD). Este parmetro es particularmente importante por dos razones.Primero, la ECD debe ser mayor que la presin de poro de la formacin para evitar que esta se manifieste cuando los baches lavador y espaciador se encuentran en el espacio anular. Segundo, la ECD debe ser menor que la presin de fractura.Particularmente al final de toda operacin de cementacin primaria, cuando la columna de lechada de cemento en el espacio anular ejerce la mayor presin hidrulica, se puede ocasionar prdida de fluidos por exceder el gradiente de fractura de la formacin. La densidad equivalente de circulacin se calcula con la siguiente expresin:

La Figura 3 ilustra el comportamiento tpico de la ECD calculada en el fondo del pozo durante una cementacin primaria.

3. Diseo de la lechada de cemento

Pruebas de Laboratorio (Norma API SPEC 10)

ViscosidadSe adecua la viscosidad necesaria para asegurar el desplazamiento ms eficiente de lodo que deber proporcionar buena adherencia en la formacin y la TR. El API recomienda una viscosidad de lechada de 10 a 15 Bc (unidades de consistencia usadas en pruebas a cementos).

Agua libreEs el volumen de agua que se separa de la lechada. Se mide despus de haber agitado la lechada 20 minutos en el consistmetro atmosfrico y haberla dejado en reposo dos horas. El mximo valor de agua libre aceptado por el API es de 1.4 %. El agua libre se evita utilizando la cantidad de agua adecuada y mezclando la lechada correctamente.

Tiempo bombeableSe debe considerar el tiempo en preparar, bombear la lechada, soltar tapones, y desplazar el cemento, ms un tiempo adicional de una hora como factor de seguridad.

Resistencia a la compresinSe debe verificar el desarrollo de la resistencia a la compresin en 8, 12 y 24 horas de permanecer en reposo a condiciones de presin y temperatura de fondo de pozo. Es generalmente aceptado como resistencia mnima para soportar el peso de la TR, 500 psi (35kg/cm2) a las condiciones de 3000 psi y temperatura esttica de fondo del pozo.

DensidadLa densidad de la lechada debe ser igual o ligeramente superior a la del fluido de perforacin, considerando no rebasar el gradiente de fractura.

Control de filtradoLa prdida de fluido en lechadas para tuberas de revestimiento superficiales e intermedias deber tener valores mximos de 200 cm3/30 min, para complementos de 500 cm3/30 min, y para liners de 50 cm3/30 min utilizando una presin diferencial de 1000 psi a temperatura de circulacin de fondo.Para evitar canalizacin de gas, este valor debe ser restringido a un mximo de 20 cm3/30 min a temperatura esttica de fondo.

Consideraciones especialesPara formaciones saladas, se deber saturar con cloruro de sodio (20 a 37%).

En caso de que la temperatura exceda los 110C (230 F), se usar harina de slice. En las pruebas se debe utilizar la misma agua de mezclado que se utilizar en el campo.

4. Baches lavador y espaciador

Se programan en funcin del tipo de cementacin por efectuar, tipo de lodo, y caractersticas de la formacin. Normalmente se bombean un frente lavador y un frente espaciador con el propsito de lavar y acarrear los recortes de formacin remanentes. El frente lavador es un fluido newtoniano, normalmente agua con surfactante y densidad cercana a 1.0 gr/cm3. El frente espaciador es viscoso y se comporta como fluido no newtoniano.La Densidad de este frente espaciador debe estar entre la densidad del lodo y la del cemento. Si el gradiente de fractura de la formacin lo permite, se recomienda que la densidad del fluido espaciador sea 0.06 gr/cm3 mayor a la del lodo.El volumen recomendado de los baches lavador y espaciador (Vol) de acuerdo con el criterio de eficiencia de desplazamiento, se determina de la siguiente forma:

Estos dos volmenes proporcionan los lmites mnimo y mximo de baches a emplear. La decisin final del volumen de cada bache deber tomar en cuenta que la ECD sea mayor a la presin de poro de la formacin en toda la operacin. Rgimen de flujo El rgimen de flujo que ha mostrado mayor eficiencia de desplazamiento en trabajos decementacin es el turbulento, y se ha observado en trabajos experimentales que cuando no se puede alcanzar por las condiciones del agujero, lo recomendable es desplazar el cemento al mayor gasto posible, cuidando de no rebasar la presin de fractura.

El Apndice A muestra los clculos bsicos para determinar el gasto mmino de desplazamiento para que la lechada de cemento alcance el flujo turbulento.

5. Check-list en el pozo.

Verificar ajuste final y profundidad total de la tubera de revestimiento.

Verificar el peso fsico de la tubera de revestimiento.

Reciprocar la tubera para limpiar y mejorar el flujo en el espacio anular de acuerdo con el programa.

Verificar la cantidad de cemento y los baches de acuerdo con el programa.

Verificar que el volumen de lodo sea el suficiente para el desplazamiento.

Verificar que el volumen de agua sea el suficiente para la operacin.

Verificar e identificar los tapones de limpieza y desplazamiento para no meterlos invertidos.

Verificar la cabeza de cementar, revisar que los machos funcionen correctamente, contando las vueltas para meter y sacar el vstago que soporta el tapn de desplazamiento y el buen funcionamiento del indicador del paso del tapn.

Verificar la instalacin y la prueba con presin del equipo de cementar.

Verificar la circulacin y la reologa del fluido de control segn programa.

6. Clculos en el pozo. 6.1 Peso de la tubera de revestimiento flotada (Wtrf)

6.2 Volumen de desplazamiento Se calcula con la ecuacin 6. Cuando 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 cajas de lodo. 6.3 Tiempo de desplazamiento

a) Cuando se desplaza con la bomba del equipo:

6.4 Mxima presin diferencial. Es la presin generada por la diferencia de densidades del fluido de control y el cemento, desde el cople de retencin/diferencial hasta la cima de la columna de cemento en el EA.

7. Secuencia operativa

Efectuar una junta de seguridad con el personal involucrado en la operacin Revisar la cabeza de cementacin e instalar los tapones. Esto se debe hacerdurante la circulacin. Instalar y probar las lneas de cementar a5000 psi. Bombear los baches de lavado y espaciado. Los baches lavadores deben estar previamente preparados para ser bombeados sin ocasionar retrasos en la operacin. Unavez bombeado el bache lavador, se descarga la presin diferencial para probar el equipode flotacin y la integridad de la tubera de revestimiento. Soltar tapn limpiador. Al soltar el tapnde diafragma, se debe verificar el viaje delmismo por medio del indicador que se localiza en la cabeza de cementar. Mezclar y bombear cemento. Al iniciodebe hacerse a bajo gasto para romper el geldel lodo y establecer circulacin, posteriormente se bombea al gasto programado. Durante el mezclado se debe mantener la lechada homognea. Esto se logra con el uso de un recirculador y se controla por medio de lecturas del densistmetro, auxiliados con lecturas de la balanza de lodos presurizada. Soltar tapn de desplazamiento. Al liberarel tapn de desplazamiento se verifica que elnmero de vueltas para sacar el vstago que soporta al tapn de desplazamiento coincidacon las cuantificadas durante la revisin de la cabeza de cementacin. Adems, la salidadel tapn se detecta por medio del indicador de paso del tapn. Desplazar la lechada. El gasto de desplazamiento debe ser de acuerdo con el diseo. Cuando el tapn de desplazamiento est por llegar a su tope final de acuerdo a clculos, disminuir el gasto de bombeo a la mitad para evitar un incremento brusco de presin interna en la TR por la sbita llegada del tapn. o Si el desplazamiento se efecta con bomba del equipo, se recomienda disminuir el gastocuando el 70 por ciento del volumen de desplazamiento programado ha sido bombeado. o Si el desplazamiento se efecta con la unidad cementadora, se recomienda disminuir el gasto cuando falten 10 barriles del volumen de desplazamiento programado. Descargar presin y verificar equipo deflotacin. La presin final se descarga en las cajas de la unidad de alta presin, para cuantificar el volumen de fluido que regresa y al mismo tiempo verificar el funcionamiento del equipo de flotacin. Si al descargar la presin se observa que no se suspende el flujo del lodo, cerrar la vlvula de descarga para verificar la presin diferencial, bombear nuevamente un volumen de lodo hasta observar un ligero incremento de presin y cerrar las vlvulas para esperar el tiempo de fraguado total con el pozo represionado con presin diferencial. Colocar anillo de cemento superficial. Porprograma y cuidando el entorno ecolgico, el clculo de cemento para una tubera superficial se hace evitando que salga a la superficie, para que una vez terminada la operacin, se proceda a colocar el anillo superficial de cemento. Espera de fraguado. El tiempo de espera defraguado est en funcin de las pruebas deesfuerzo compresivo. Pruebas de laboratoriohan demostrado que cuando el control de lacalidad de la cementacin es oportuno, eltiempo en que el cemento alcanza unesfuerzo compresivo de 500 psi (35 kg/cm)a las condiciones de 3000 psi y temperaturaesttica de fondo del pozo es dentro de lasprimeras 8 a 12 hr de curado. Tiempo quese recomienda como espera de fraguado.

8. Cementacin por etapas.

Esta operacin se efecta en pozos donde se requiere cubrir con cemento una gran longitud, cementar una TR demasiado larga, o se tienen zonas de inters con separaciones muy grandes o con problemas de prdida de circulacin debido al bajo gradiente de fractura. Se utiliza la herramienta cople de cementacin mltiple (CCM), la cual tiene integrado un juego de camisas deslizables.

La secuencia operativa de la primera etapa es la misma que la previamente descrita. La segunda etapa consiste en lanzar un tapn llamado torpedo, que se utiliza para romper los tornillos de corte en el CCM, deslizando la primera camisa, haciendo la apertura y estableciendo comunicacin entre el interior de la TR y el EA. Se establece circulacin y se procede a la operacin de la segunda etapa como una cementacin normal. Al arribar el tapn de desplazamiento al CCM, la segunda camisa del cople se desliza sellando los orificios de comunicacin, observndose un incremento de presin, seal de que el sello es efectivo.

9. Cementacin de TR corta

Cuando por razones tcnicas o econmicas se toma la decisin de introducir y cementar una TR corta o liner, el diseo de la cementacin previamente descrito es aplicable calculando los volmenes de lechada y desplazamiento de acuerdo a la geometra del pozo. Se utilizan accesorios de TR adicionales, y las diferencias en la secuencia operativa son bsicamente las siguientes:

Revisar la cabeza de cementacin einstalar los tapones. Si el colgador del liner es hidrulico, soltar la canica antes de instalar la cabeza. Colgar y soltar la TR corta. Antes decolgar el liner, se checa el peso de la sarta.El liner se cuelga y suelta de acuerdo con el tipo y especificaciones del conjunto colgador. Para comprobar que el liner fue soltado, se comprueba que el peso de la sarta en el indicador de peso del equipo de perforacin sea el correspondiente al de la tubera de perforacin flotada. Bombear baches lavador y espaciador. Mezclar y bombear cemento. Soltar tapn de desplazamiento. Al liberarel tapn de desplazamiento se verifica lasalida del tapn por medio del indicador delpaso del tapn. Desplazar la lechada. El gasto dedesplazamiento debe ser de acuerdo aldiseo. El dezplazamiento se efecta con launidad cementadora. Cuando se hayadesplazado la capacidad de la tubera deperforacin TP se detecta el acoplamientodel tapn de desplazamiento al tapnlimpiador alojado en la herramientasoltadora. Se contina el desplazamientorecomendndose disminuir el gasto faltando10 bl del volumen de desplazamientoprogramado. Descargar presin y verificar equipo de flotacin. Sacar la herramienta soltadora.

10. Accesorios para la cementacin.

10.1 Accesorios para una TR corrida. Zapata flotadora. El equipo de flotacin se utiliza para reducir esfuerzos en el mstil del equipo de perforacin. La zapata flotadora tiene integrada una vlvula de contrapresin que evita la entrada de fluidos del pozo al interior de la TR, pero permite el paso a travs de ella. Cuando no se requiere flotacin o se utiliza un cople flotador, se usa una zapata gua que slo sirve como gua para la TR. Cople flotador. Tiene integrada una vlvula de contrapresin que evita la entrada de fluidos del pozo al interior de la TR, pero permite el paso a travs de ella; sirve de retn de los tapones de limpieza y desplazamiento.

Cople de retencin. Sirve de retn de los tapones de limpieza y desplazamiento. Centradores. Sirven para centrar la TR en el interior del pozo. Se colocan en la seccin de la TR que est frente al agujero descubierto. Cabeza de cementacin. Es una herramienta tipo niple que se rosca en la parte superior de la TR para hacer la conexin con la lnea de la unidad cementadora. La parte superior aloja en su interior los tapones de cementacin. Tiene integrada una o ms vlvulas para el bombeo del cemento y del lodo a travs de la TR.

Tapn limpiador. Se utiliza en la interfase lodo-cemento

Tapn slido. Se utiliza en la interfase cemento lodo de desplazamiento.

La Figura 4 muestra los accesorios normalmente empleados en las operaciones de cementacin de las tuberas de revestimiento.

10.2 Accesorios para un a TR corta. Zapata flotadora tipo V. Es una zapata con orificios laterales para permitir circulacin cuando la TR se asienta en el fondo del pozo.Cople de retencin. Hay diferentes tipos, de acuerdo con el tipo de colgador utilizado (mecnico o hidrulico).Unin giratoria. Permite desenroscar la herramienta soltadora en caso de no poder anclar el colgador.Colgador de TR. Los hay tambin mecnicos e hidrulicos. 11. Aditivos para la lechada de cemento

Aceleradores de fraguado. Reducen el tiempo de bombeabilidad de la lechada e incrementan la resistencia a la compresin.

Retardadores de fraguado. Incrementan el tiempo de bombeabilidad. Permiten que la lechada de cemento trabaje en amplios rangos de temperatura y presin, pero reducen la resistencia a la compresin.

Reductores de prdida de presin por friccin. Debido a que reducen la friccin, permiten alcanzar el rgimen turbulento ms fcilmente.

Reductores de prdida de agua. Tienen como propsito evitar la deshidratacin de la lechada de cemento durante el bombeo cuando pasa frente zonas permeables, donde se presenta el proceso de filtracin.

Reductores de densidad. Incrementan el rendimiento de la lechada y reducen la densidad. Se utilizan cuando se colocan grandes tirantes de cemento para evitar rebasar el gradiente de fractura.

Densificantes. Son materiales qumicos inertes de alto peso especfico con poco requerimiento de agua que permiten densificar la lechada de cemento. 12. Recomendaciones Disear 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 operacin.

El correcto centrado de la tubera derevestimiento mejora el desplazamiento dellodo y la distribucin del cemento en el espacio anular. El mejor desplazamiento de lodo a gasto ptimo se logra con un claro anular de 1 a 1.5 Adecuar la reologa del lodo para optimizarsu movilidad y eliminacin de recortes. Acondicionar el lodo hasta obtener elequilibrio en parmetros de entrada y salida. Utilizar frentes lavadores y espaciadoresReciprocar la TR antes y durante la cementacin favorece la eficiencia deldesplazamiento. Esta operacin compensa un centrado pobre. Procurar una densidad uniforme mediante eluso de recirculador. Maximizar el gasto de desplazamiento.Cuando no se logre obtener flujo turbulento,desplazar al mayor gasto posible. Las mejores cementaciones se logran cuando el sistema es bombeado a mxima energa.

13. NOMENCLATURA