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CEMENTACION PRIMARIA, CEMENTACION FORZADA, TAPONES DE CEMENTO, CEMENTACION EN POZOS DIRECCIONALESTRANSCRIPT
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Cemento
El cemento es una mezcla completa de caliza (u otros materiales con alto
contenido de carbonato de calcio), sílice, fierro y arcilla, molidos y calcinados, que al
entrar en contacto con el agua forman un cuerpo sólido. Esta mezcla de ingredientes
se muele, se calcina en hornos horizontales con corrientes de aire y se convierte en
clinker, el cual contiene todos los componentes del cemento, excepto el sulfato de
calcio, que se le agrega como ingrediente final.
Los componentes que forman el cemento son óxidos superiores de oxidación
lenta. Esto significa que terminan su grado de oxidación al estar en contacto con aire
al refrescarse. De todos los cementos, el Portland es el más importante en cuanto a
términos de calidad. Es el material idóneo para las operaciones de cementación de
pozos. Algunos elementos del Portland son de fabricación especial, debido a las
condiciones de los pozos difieren significativamente entre sí al variar su profundidad.
En la solución de algunos problemas específicos de pozos se utilizan cementos de
menor uso.
El cemento Portland es, además, el ejemplo típico de un cemento hidráulico:
fragua y desarrolla resistencia a la compresión como resultado de la hidratación, la
cual involucra reacciones químicas entre el agua y los componentes presentes en el
cemento. El cemento fraguado tiene baja permeabilidad y es insoluble al agua, de tal
forma que expuesto a esta no se destruyen sus propiedades. Tales atributos son
esenciales para que un cemento obtenga y mantenga el aislamiento entre las zonas del
subsuelo.
Fabricación
Los materiales crudos se muelen y mezclan vigorosamente, así se obtiene una
mezcla homogénea en las proporciones requeridas, para lograrlo existen dos
procesos: seco y húmedo.
Seco
Se preparan las materias primas y se pasan a un molino para homogenizar el tamaño
de las partículas y su cantidad. Se pasan por un separador de aire y se le lleva a silos
mezcladores para su almacenamiento antes de pasarse al horno rotatorio.
Húmedo
A diferencia del anterior, este proceso se efectúa una mezcla de las materias
primas con agua para mantener en forma más homogénea la mezcla. También se les
pasa por un molino para uniformar el tamaño de partícula y, posteriormente, se pasa a
unos contenedores que mantienen en movimiento la mezcla antes de pasarla al horno
rotatorio.
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Esta mezcla de materia cruda seca o húmeda, según el proceso de fabricación, se
alimenta en la parte más elevada de horno rotatorio inclinado, a un gasto uniforme, y
viaja lentamente por gravedad a la parte inferior del mismo. El horno se calienta con
gas a temperaturas de 1430 a 1540 ºC. Estas temperaturas originan reacciones
químicas entre los ingredientes de la mezcla cruda, resultando un material llamado
clinker. El clinker se deja enfriar a temperatura ambiente con corriente de aire, en un
área inmediata al horno, construida bajo diseño para controlar la velocidad de
enfriamiento. Una vez frío, se almacena y se muele posteriormente en molinos de
bolas, para darle tamaño deseado a las partículas. El clinker alimenta al molino de
cemento conjuntamente con una dosificación de sulfato de calcio dihidratado, con lo
que se obtiene el producto terminado de cemento Portland.
Principales Compuestos Del Cemento
1. Silicato tricálcico (3𝐶𝑎𝑂𝑆𝑖𝑂3) habitualmente como 𝐶3𝑆.
Es el componente más abundante en la mayoría de los cementos y, además, el
factor principal para producir la consistencia temprano o inmediata (1 a 28 días).
Generalmente, los cementos de alta consistencia inmediata contienen en mayor
concentración este compuesto; más que el portland común y los retardados.
2. Silicato dicálcico (2𝐶𝑎𝑂𝑆𝑖𝑂2) habitualmente como 𝐶2𝑆.
Compuesto de hidratación lenta que proporciona la ganancia gradual de
resistencia. Ocurre en un período largo: después de 28 días.
3. Aluminio tricálcico (3𝐶3𝑂. 𝐴𝑙2𝑂3) habitualmente conocido como 𝐶3𝐴
Tiene influencia en el tiempo de espesamiento de la lechada. Es responsable de la
susceptibilidad al ataque químico de los sulfatos sobre los cementos. Esta
susceptibilidad se clasifica en moderada y alta resistencia al ataque químico, cuando
contienen este compuesto en 8 y 3% respectivamente.
4. Aluminio ferrito tetracálcico (4𝐶4𝑂𝐴𝑙2𝑂3. 𝐹𝑒2𝑂3)
Habitualmente conocido como 𝐶4𝐴𝐹. Este compuesto es de bajo calor de
hidratación y no influye en el fraguado inicial.
Clasificación API Y ASTM De Los Cementos
Las normas API se refieren a la clase de cemento; las normas ASMT a tipo de
cemento.
1. Cemento clase A o tipo I
Está diseñado para emplearse a 1830 m de profundidad como máximo, con
temperatura de 77ºC, y donde no se requieren propiedades especiales.
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2. Cemento clase B o tipo II
Diseñado para emplearse hasta 1830 m de profundidad, con temperaturas de hasta
77ºC, y donde no se requiere moderadamente resistencia a los sulfatos.
3. Cemento clase C o tipo III
Está diseñado para emplearse hasta 1830 m de profundidad como máximo, con
temperatura de 77ºC, donde se requiere alta resistencia a la compresión temprana; se
fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos.
4. Cemento clase D
Este cemento se emplea de 1830 hasta 3050 m de profundidad con temperatura
hasta 110ºC y presión moderada. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los
sulfatos.
5. Cemento clase E
Este cemento se usa de 1830 hasta 4270 m de profundidad con temperatura de
143ºC y alta presión. Se fabrica e moderada y alta resistencia a los sulfatos.
6. Cemento clase F
Este cemento se usa de 3050 hasta 4880 m de profundidad con temperatura de
160ºC, en donde exista alta presión. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los
sulfatos.
7. Cementos clase G y H
Comúnmente conocidos como cementos petroleros, son básicos para emplearse
desde la superficie hasta 2240 m tal como se fabrican. Pueden modificarse con
aceleradores y retardadores para usarlos en un amplio rango de condiciones de
presión y temperatura. En cuanto a su composición química son similares al cemento
API Clase B. están fabricados con especificaciones más rigurosas tanto físicas como
químicas, por ellos son productos son más uniformes.
8. Cemento clase J
Se quedó en fase de experimentación y fue diseñado para usarse a temperatura
estática de 361ºF (177ºC) de 3660 a 4880 metros de profundidad, sin necesidad del
empleo de harina sílica, que evite la regresión de la resistencia a la compresión.
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Propiedades Físicas De Los Cementos
La clasificación API tiene propiedades físicas específicas para cada clase de
cemento, mismas que básicamente definen sus características; estas son:
Gravedad Específica (Ge)
Denota el peso por unidad de volumen, sin tomar en consideración otros
materiales, tales como el aire o el agua; es decir, el peso de los granos de cemento
específicamente; sus unidades 𝑔𝑟 𝑐𝑚3⁄ , 𝑘𝑔 𝑙𝑡⁄ y 𝑡𝑜𝑛 𝑚3⁄ .
Peso Volumétrico (PV)
Denota el volumen por unidad de masa. Se toma en consideración el aire
contenido entre los granos de cemento; sus unidades son: 𝑔𝑟
𝑐𝑚3⁄𝑘𝑔
𝑙𝑡⁄ 𝑡𝑜𝑛
𝑚3⁄
Blaine. Fineza de granos
Indica el tamaño de los granos de cemento. Su mayor influencia se da sobre el
requerimiento de agua para la preparación de la lechada. Esta característica es un
factor determinante, pero no único, para la clasificación de los cementos. Sus
unidades son 𝑐𝑚3
𝑔𝑟⁄ 𝑚3
𝑘𝑔⁄ . Representa el área expuesta al contacto con el agua y
se determina como una forma de permeabilidad al aire.
Distribución del tamaño de partícula.
Indica la eficiencia con lo que se llevó a cabo la selección, la molienda y el resto
del proceso de fabricación sobre la homogeneización de los materiales crudos
molidos.
Tamaño promedio de partículas
Es el tamaño de grano que agrupa el 50% de un peso determinado de cemento,
dentro de la gama de tamaños de grano que integran el cemento.
Requerimiento de agua normal
Es el agua necesaria para la lechada con cemento solo. Debe dar 11 Uc a los 20
minutos de agitarse en el consistómetro de presión atmosférica a temperatura
ambiente; se expresa en por ciento por peso de cemento.
Requerimiento de agua mínima
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Denota el agua necesaria para la lechada de cemento. Debe dar 30 Uc a los 20
minutos de agitarse el consistómetro de presión atmosférica a temperatura ambiente;
se expresa en por ciento por peso de cemento.
Densidad de la lechada
Es el peso de la mezcla de cemento con agua y está en función de la relación de
agua por emplear.
Ángulo de talud natural de cemento
Es el ángulo que forma el material granulado cuando se deposita en una superficie
plana horizontal; sirve para el diseño de la planta dosificadora de cemento y para
recipientes a presión.
Aditivos
Aceleradores
Son productos químicos que reduzcan el tiempo de fraguado de los sistemas de los
cementos. Incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva.
Retardadores.
Son productos químicos que prolongan el tiempo de fraguado de los sistemas de
cemento.
Extendedores
Son materiales que bajan la densidad de los sistemas de cemento y/o reducen la
cantidad de cemento por volumen del producto fraguado.
Densificante
Son materiales que incrementan la densidad de los sistemas de cemento.
Dispersantes
Son productos químicos que reducen la viscosidad de las lechadas de cemento.
Controladores de filtrado
Son materiales que controlan la perdida de loa fase acuosa de los sistemas de
cementos, frente a zonas permeables.
Controlador de pérdida de circulación
Son materiales que controlan la perdida de cemento hacia las zonas débiles de la
formación o fracturas.
Aditivos especiales
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Es la miscelánea de aditivos complementarios para la cementación, tales como
antiespumantes, controladores de regresión de la resistencia compresiva, etcétera.
Aceleradores
Estos aditivos químicos acortan el tiempo de bombeo e incrementan el
desarrollo de resistencia compresiva; disminuyendo al tiempo equipo de perforación.
Los aceleradores de mayor aplicación son:
- Cloruro de calcio (𝐶𝑎𝐶𝑙2)
Esta sal se dosifica del 2 al 4% por peso de cemento, dependiendo del tiempo
de bombeo que se desea obtener. Es el producto que exhibe mayor control en el
tiempo bombeable.
- Cloruro de sodio (𝑁𝑎𝐶𝑙)
Actúa como acelerador en concentraciones de hasta un 10% por peso de agua,
entre el 10 y 18% produce un tiempo de bombeo similar al obtenido con agua
dulce. A concentraciones mayores del 18% causa retardamiento. La típica
concentración de acelerador es del 2 al 5% por peso de agua.
- Sulfato de calcio (𝐶𝑎𝑆𝑂4)
Es un material que por sí mismo posee características cementantes y tiene
fuerte influencia en expandir el cemento fraguado; como acelerador se dosifica
basándose en el tiempo que se desea y a la temperatura a la cual se va a trabajar.
Su concentración varía del 50 al 100% por peso del cemento.
Retardadores
Son aditivos químicos que incrementan el tiempo de fraguado inicial y brindan la
posibilidad de trabajar el cemento en un amplio rango de temperatura y presión.
Como la aceleración, los mecanismos para retardar el fraguado del cemento.
Portland son aun materia de controversia. Así han surgido varias teorías que intentan
explicar el proceso retardante. Estas son: de la absorción, la precipitación, la
precipitación, la nucleación y la complejidad. Consideran dos factores: la naturaleza
química del retardador y la base del cemento (silicato o aluminato) sobre la cual actúa
el retardador.
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Los retardadores más conocidos son los lignosulfonatos de calcio y los
cromolignosulfonatos de calcio, así como otros que son mezclas químicas. Unos
trabajan a temperaturas bajas y otros a temperaturas altas. Su dosificación es de 0.1 a
2.5% por peso de cemento.
Los retardadores más empleados son:
- Lignosulfonatos
Se componen de sales de ácidos lignosulfónicos de sodio y calcio. Son
polímeros derivados de la pulpa de la madera. Usualmente son compuestos no
refinados y contienen varias cantidades de compuestos sacaroides con un peso
promedio molecular que varía de 20.000 a 30.000
- Ácidos hidroxilcarboxílicos
Los ácidos hidroxilcarboxílicos contienen grupos hidroxílicos (𝑂𝐻) y carboxílicos
(𝐶𝐻𝑛) en su estructura molecular. Son retardadores poderosos y se aplican en un
rango de temperatura de 200 ºF (93 ºC) a 300 ºF (149 ºC). Otro acido
hidroxilcarboxílico con un fuerte efecto retardante, es el acido cítrico. Este también es
efectivo como dispersarte de cemento y normalmente se usa en concentraciones de
0.1 a 0.3 % por peso de cemento. Los ácidos de hidroxilcarboxílicos de manera
similar que los lignosulfonatos actúan más eficientemente con cementos de bajo
contenido de 𝐶3𝐴.
- Compuestos sacáridos
Son excelentes retardadores del cemento Portland. Se usan ocasionalmente en la
cementación de pozos, por ser muy sensibles a pequeñas variaciones a sus
concentraciones.
- Derivados de la celulosa
Los polímeros de la celulosa son polisacáridos derivados de la madera o de otros
vegetales. Son estables a las condiciones alcalinas de la lechada de cemento. El
retardador celulósico más común es el carboximetil hidroxietil celulosa (CMHEC).
Es efectivo a temperaturas superiores de 250 º F (120 ºC). También la CMHEC se usa
como agente de control de pérdida de fluido; además incrementa significativamente la
viscosidad de la lechada.
- Organofosfonátos
Se aplican a temperaturas de circulación tan altas como 400ºF (204 ºC). Presentan
insensibilidad a variaciones sutiles en la composición del cemento, y tienden a bajar
la viscosidad de lechadas densificadas.
Reductores de fricción (Dispersantes)
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Son productos que ayudan a obtener con gastos bajos de bombeo el régimen
turbulento. Reducen la fricción entre granos, y entre estos y las paredes.
De acuerdo con varias investigaciones realizadas en diferentes países se ha
demostrado que la mayor eficiencia en la limpieza del lodo del espacio anular se
logra en régimen turbulento; es decir, cuando la lechada de cemento y los colchones
de limpieza se desplazan a una velocidad tal que corresponda a un numero de
Reynolds de 3000 a 4000 o mayor, en función de sus características reológicas n =
índice de comportamiento de flujo y k = índice de consistencia. Generalmente, son
sales de ácidos grasos y se dosifican del 0.2 al 2.5% por peso de cemento.
Reductores del filtrado
El control de filtrado es un factor de vital importancia en la cementación de
tuberías de revestimiento y en las cementaciones forzadas para colocar el cemento en
el lugar deseado, sin que sufra deshidratación fuerte al pasar por zonas permeables o
bien al estar forzando la lechada.
Generalmente, los reductores de filtrado son productos derivados de celulosa y se
dosifican del 0.3% al 15%, por peso de cemento.
Densificantes
Son materiales quimicos inertes, de alto peso especifico y que manejan poco
agua.
Los densificantes comunmente empleados son:
1. Barita
Tiene un peso especifico de 4.23 gr/𝑐𝑚3 y requiere 22% de agua de su propio
peso. No tiene influencia en el tiempo de bombeo, pero es recomendable correr
pruebas de tiempo de espesamiento en cada caso. Se dosifica del 20 al 40% por peso
de cemento, donde se desea usar una lechada de alta densidad.
2. Limadura De Fierro
Este producto tiene peso especifico de 5.02 𝑔𝑟𝑐𝑚3 y requiere el 3% de agua de
su propio peso. Se emplea hasta el 50% por peso de cemento, dependiendo del peso
que se desea obtener de lechada. Otro procedimiento que se emplea para aumentar la
densidad de la lechada es reducir el agua de la mezcla, adicionando un agente
reductor de friccion para disminuir el efecto de incremento de viscosidad.
Aditivos especiales
- Antiespumantes
- Agentes expandidores del cemento fraguado
Debido a la velocidad con que se maneja el cemennto en el campo cuando se esta
haciendo la lechada (aproximadamente 1 tonelada por minuto), el cemento tiende a
mantener gran cantidad de aire. Esto propicia que el control de densidad de la misma
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sea erroneo; asimismo, algunos de los productos quimicos ayudan a mantener el aire
dentro de la mezcla y dificultan el trabajo de las bombas de alta presion con que se
maneja esta para ser bombeada al pozo. El problema se minimiza mediante el uso de
los agentes antiespumantes, los que eliminan la mayor parte de burbujas de aire.
Generalmente, son sales organicas acidas de solubilidad media y se dosifican del 0.2
al 0.3% por peso de cemento.
Los antiespumantes son aditivos que dilatan el producto hidratado, sin que esto
sea originado por efecto de temperatura.
Los expandidores empleados comunmente son:
- Cloruro de sodio.
Su maxima dilatacion se obtiene al 18% por peso de agua y a concentraciones
mayores se obtiene ligera contraccion del cemento fraguado.
- Cloruro de Potasio.
Este producto, ademas de ser un eficiente estabilizador de arcillas, al 5% por peso
de agua de mezcla exhibe la misma dilatacion que al 18% de cloruro de sodio en el
cemento. Otra caracteristica positiva del cloruro de potasio es que al 2% por peso de
agua hace que el filtrado de las lechadas que lo cotienen sea compatible con la
mayoria de los aceites, porque reduce considerablemente la tension de la interface,
evitando la formacion de emulsiones estables y el hinchamiento de las arcillas de la
formacion. Todas las expansiones de cemento obtenidas con cloruro de sodio y con
cloruro de potasio son controladas. Asi no se presentan agrietamientos en el cuerpo
del cemento.
- Sulfato De Calcio Anhidro Solo O Combinado Con Cloruro De Sodio.
Se usa en la dilatacion del cemento fraguado del 3 al 5% por peso de cemento.
Estas mismas concentraciones complementadas von cloruro de sodio al 18% por peso
de agua, proporcionan maxima eficiencia en la expansion lineal.
Problemas mas frecuentes con las cementaciones
- Baja eficiencia en el desplazamiento, que conduce a una pobre calidad de las
cementaciones primarias.
- Diseños de lechadas demasiado complejas, que se tornan altamente costosos y
poco eficientes
- Bajo porcentaje de éxito en la colocacion de tapones balanceados
- Diversificacion de los cementos empleados, con pobre control de calidad
- Perdida de circulacion
- Migracion de gas
Lechadas De Cemento
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Las lechadas de cemento son suspensiones altamente concentradas de partículas
sólidas de agua. El contenido de sólidos de una lechada de cemento puede llegar hasta
70%.
La reología de la lechada de cemento está relacionada con la del líquido de
soporte, la fracción volumétrica de los sólidos (volumen de partículas/volumen total)
y la interacción entre las partículas.
En una lechada de cemento, el fluido intersticial es una solución acuosa de
varias clases de iones y aditivos orgánicos. Por lo tanto, la reología de la lechada
difiere de la del agua. Los sólidos en una lechada están en función directa a su
densidad.
Las interacciones de las partículas dependen principalmente de la distribución
de las cargas superficiales. Los Dispersantes del cemento, también conocidos como
“súper plastificadores”, ajustan las cargas superficiales de las partículas parea obtener
las propiedades reológicas deseadas de la lechada.
Unidades Cementadoras
Los sistemas de mezclado por volumen y el de medición de aditivos líquidos nhan
sido diseñados para resolver los problemas de proporción encontrados con los
materiales de cementación. Sin embargo, las propiedades de la lechada se ven
afectadas, no solo por la proporcion entre cemento, agua y aditivos, sino tambien por
el esfuerzo cortante que ocupa durante el mezclado.
La operación apropiada de la unidad de mezclado debe reolve los problemas de
proporcion entre la mezcla de cemento y el agua de mezcla: la proporcion correcta le
dara a la lechada la densidad especion corretcta le dara a la lechada la densidad
esperada y otras propiedades del diseño. La verificacion continua de la densidad de la
lechada es esencial sin embargo, algunas fluctuaciones de la densidad durante el
mezclado son inestables. Tiempos prolongados de mezclado y grandes volumenes de
lechada provocan lechada mas homogeneas.
Finalmente, la lechada debe ser hecha con la cantidad apropiada de esfuerzo
cortante, la cual es una funcion de la energia de mezclado y tiempo de mezclado.
Dado que la bomba centrifuga es un mecanismo cortante ideal, es recomendable
incrementar el volumen de lechada que se recircula. Los recirculadores de
mezcladores estan disponibles en una gran variedad de configuraciones, montado en
patines fijos, camiones y trailers, con maquinas diesel o electrica, con deferentes
demensiones la cementadora tiene cierta caracteristica comunes en sus sistemas de
mezclado.
Un tanque de surgecia que ayuda a mantener una alimentacion uniforme de la
mezcla seca del cemento, con un rango de capacidad de 1.5 a 4.0 m un recirculador
con mezclador de toberas de latas energias uno o dos tanque de homogenizacion con
rango de capacidad de 6.3 a50 lb. Las dimensiones de la unidades mas grandes estan
limitadas por su transportabilidad.
Dos bombas centrifugas de recirculación o solamente una en las unidades más
pequeñas, con un gasto máximo de desplazamiento de hasta 25 lbs/min. (4 m/min)
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ambas bombas pueden efectuar cualquiera de las dos actividades, recircular la
lechada para mejorar el esfuerzo cortante y homogeneizarla o alimentar la lechada a
la bomba de alta presión para enviarla al pozo un par de agitadores de paletas,
actuadas hidráulica o eléctricamente, para mantener la homogeneidad. Un múltiple
suficientemente versátil para usarse en una variedad de combinaciones.
En algunos casos particulares, como trabajo chicos, o cuando las proporciones de
aditivos y la densidad de la lechada son muy críticas, el volumen total de lechada
necesaria para terminar el trabajo incluyendo el exceso usual es preparado antes de
ser bombeado al pozo. Los aditivos líquidos no son adicionados de forma medida y
controlada computarizada, en su lugar son vertidos directamente dentro del tanque, o
adicionados a través del mezclador de tobera
Bombas De Alta Presión
Todas las bombas de alta presión son del tipo reciprocante con tres tapones
(triplex) o cinco tapones (quintuplex) y las válvulas de succión y descarga son
accionados por un resorte de carga. La transformación del movimiento rotacional de
la flecha de mando correspondientes al movimiento reciprocante, de los tapones
(pistones) es generalmente consumado por un cigüeñal conectado a un sistema de
bastón de mando o algunas veces por una placa motriz, conectado al sistema de
bastón de mando esta bomba incluye un reductor de relación de velocidad fijada
internamente. Dependiendo de lo fabricante y del modelo la longitud de los tapones
pueden variar de 5 a 10” (12.5 a 25 m).
La eficiencia global de las bombas no es mayor del 85 al 90 % si es presurizada
adecuadamente la eficiencia volumétrica pueden adquirir el 98 % con agua a un
80% de máxima velocidad las construcción es particularmente robusta, permitiendo a
la bomba el manejo de lechadas mas pesadas y abrasivas
Pre-Mezclado
En este proceso se mezcla el total de los ingredientes (cementos, agua y aditivos)
en un tanque que cuenta con mecanismo de agitación continua a los cuales imparten
energía de mezclado adicional y homogeneización de la lechada antes de bombearla
al pozo
Mezclado Continúo
En este se mezcla los aditivos de la lechada conforme se están bombeando al
pozo. Los métodos tradicionales de mezclado continuo son mezclados con jets, slurry
chief y tornado.
Mezclador Con Jets
Consiste básicamente de un recipiente cónico una tina de mezclado. Línea de
descarga y línea de alimentación de agua. En esta teoría de mezclado, el cemento y
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los aditivos secos alimentados por gravedad son succionados desde un recipiente de
mezclado por el efecto de vacio creado por el agua , que es bombeado a través de jets
(efectos venturi). Esta lechada pasa por un cuello de ganso que descarga en una tina
de mezcla para ser succionada por una bomba centrifuga y enviadas a las bombas de
desplazamiento positivo y estas, a su vez, bombea la lechada dentro del pozo
Slurry Chief
Este sistema es una versión modificada del anterior, pero con una cuchilla operada
hidráulicamente para controlar la entrada de cemento en el recipiente de mezclado
que permite un control más exacto del suministro de cemento, y una bomba
centrifuga que recircula la lechada por los jets a través de una línea adicional. Esto
ayuda al ajuste de la densidad y a su vez imparte mas energía de mezclado a la
lechada
Mezclador De Tornado
Este sistema utiliza una energía con el efecto de agitación con flujo tangencial
para mezclar sólidos y líquidos. El proceso se realiza cuando el agua se alimenta
circunferencialmente en un tubo vertical creado un flujo helicoidal hacia el recipiente
de mezclado. El cemento y aditivos secos son alimentados a través de pequeños tubos
concéntricos desde un silo introduciéndose con el agua. Mas abajo, otra tubería
concéntrica alimenta la lechada reciclada en el recipiente de mezclado. Toda la
lechada pasa a través de una bomba centrifuga para proporcionar mejor mezclado y
mayor energía de mezcla durante la recirculación y a su vez alimenta la succión de
la bomba triplex.
Actualmente las unidades de bombeo pueden estar montadas en las plataformas, patín
a barcos; pueden estar actuadas por motores eléctricos o de combustión interna y
tener controles manuales o automáticos. Comúnmente las unidades cementadoras de
hoy están equipadas con dos bombas de desplazamiento positivo capaces de bombear
en conjuntos de 0.25 a 17bpm, en función del diámetro del embolo y de las líneas
conectadas al pozo
Mezclador De Alta Energía De Mezclado
Es un mezclador mas avanzado, exacto y controlado por computadoras. Esta
unidad proporciona lechada de la densidad requerida a cualquier gasto de bombeo
deseado, para operaciones de calidad controlada en cementaciones de pozo. El
mezclador mantiene un control excelente de la densidad sin importar cambios en los
gastos de bombeo: mas aun realiza ajuste muy rápido cuando se cambia de un tipo de
lechada a otro.
Un panel de control remoto permite al operador controlar la unidad con solamente
apretar botones de comando, la pantalla muestra continuamente la densidad de la
lechada, el peso del silo vertical, la entrada de cemento (válvula), y la posición de la
lechada.
Unidades Transportadoras De Cementos A Granel
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Transferencia De Cemento
El uso de cemento a granel fue introducido por Halliburton en la décadas de los
40´s en sallen Illinois. Actualmente en la mayor parte del mundo el cemento para
pozo petrolero es manejado a granel. El manejo del material cementante a granel ha
benificado la economía y la tecnología de la cementación. Las lechadas compleja o
elaboradas pueden efectuarse primero en seco por medio de tanques presurizados para
luego ser trasportadas y preparadas en la localización típicamente estos sistemas están
diseñados para aperar a 40 psi como máximo y ello es suficientes siempre y cuando
se proporciones un flujo grande y constante de air para transportar suspendido el
cemento, Existen varios tamaños y configuraciones de tanques presurizado.
Normalmente varían en un rango de 8 pies de diámetro con altura de hasta 50 pies y
pueden ser verticales conificados en su parte inferior u horizontal.
El principio de funcionamiento es simple, una línea de aire fluidiza y presuriza el
interior del ataque y cuanto esta presión es liberada, arrastra consigo el material en
forma continua. El aire que se filtra entre el material aumenta el volumen de éste en
aproximadamente un 20%, lo cual beneficia grandemente para el transporte posterior
del mismo. La mayoría de los silos presurizados poseen alguno de los sistemas de
aireación:
- Sistema De Aireación Por Medio De Lonas
En este sistema de aireación, el aire a presión es introducido por la parte inferior
del silo, concretamente en la zona de cono trunco en lo silos verticales. El aire entra
por medio de manguera de airación, directamente al fondo de un bastidor, en el que se
crea una cámara de presión que se hace vibrar las lonas y forzar al aire a filtrarse
hacia arriba la función de la cámara de presión y las lonas es la de uniformar la
corriente inyectada y hacer que el aire sea mejor distribuido de otro modo parte del
material so seria movido y se correría el riesgo de formar puentes.
- Sistema De Airación Por Medio De Toberas (Jets)
A diferencia del sistema anterior, la inyección del aire al interior del silo involucra
ahora boquilla de inyección. Su finalidad es dispersar chorro continuo de aire
directamente en el interior del silo hasta que aumenta la presión al valor requerido
en forma general un múltiplo de aire de 4” se introduce por la parte superior de silo y
de el se ramifican conexiones de 1” en las que van instaladas boquillas de inyección
la dispersión de estas semejan raíces distribuidas en dos niveles y en ángulos de 45º y
90º respectivamente, medidos sobre un plano horizontal.
- Sistema de aireación dual o combinado
En algunos casos se combinan los sistemas de aireación por lonas y por toberas,
para obtener un rápido aumento de presión y una consiguiente descarga en menor
tiempo. En muchos casos los sistemas duales a los que se les hacen adaptaciones con
tubería roscada, que evitan los problemas que podrían derivarse de cortar o soldar el
silo.
Almacenaje Y Dósificación De Cemento
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Normalmente el cemento a granel se almacena en silos se almacena en silos
verticales u horizontales herméticos y pueden estar bajo cubierta o en intemperie a
prueba de humedad. Existen varios sistemas de dosificación y mezclado de cemento;
estos son:
- Sistema de aireación-presurización
Este sigue el principio descrito para el transporte de cemento a granel. Las
bondades de este sistema se manifiestan en el manejo de grandes volúmenes de
cemento, su transporte al punto de utilización y su facilidad de descarga. En la planta
de cemento, el manejo de materiales a granel tiene, entre muchas otras, las siguientes
ventajas:
- El cemento y/o aditivos están resguardados de las condiciones climáticas
mientras es almacenado, transportado y descargado.
- Los aditivos son uniformemente homogeneizados al mezclarse bajo un
procedimiento largamente probado.
- La mezcla se efectúa en forma más rápida y uniforme
- La preparación de grandes volúmenes de cemento para una operación es más
práctica.
Aunque existe gran variedad de diseños para plantas de cemento, adecuados a las
necesidades específicas de cada zona, una planta estacionaria para el manejo
neumático de materiales a granel consta, básicamente, de una serie de tanques para
almacenamiento, pesado y mezclado de cemento.
- Silos de almacenamiento. Tanques verticales con sección transversal cónica
en la parte inferior, lo que les permite operar para su descarga, hacía la
báscula de cemento, con el principio de alimentación gravitacional.
- Báscula de cemento. Báscula presurizada de sección transversal cónica, dentro
de la cual los materiales son cargados neumáticamente. El mezclado de
cemento y aditivos y la aireación inicial ocurren dentro de este tanque.
- Silo de mezclado. En este tanque se hace homogénea la mezcla del cemento y
aditivos, permitiendo, además, transferir neumáticamente, al menos dos veces,
los materiales de un tanque a otro, antes de pasarlos al tanque de
almacenamiento para su posterior cargado al silo móvil.
- Silo para suministro de aditivos. Como su nombre lo indica, a través de este
tanque son incorporados al cemento los aditivos que se van a utilizar.
- Sistema de vacío. De forma muy similar funciona en el sistema de
dosificación por vacío. Esta ingeniosa modificación del sistema anterior
utiliza un compresor que hace la función de bomba de vacío sobre el silo de la
báscula, para que éste sea llenado con el cemento o los aditivos almacenados
20
en otros dos silos. Una vez que se ha llenado el silo báscula a la capacidad
deseada, se invierte la operación del compresor a través de un arreglo de
válvulas electroneumáticas que lo devuelvan a su condición de compresor
para represionar y transportar el producto desde la báscula hasta el punto de
uso o almacenaje.
- Sistema dosificador de aditivos líquidos
Sin embargo, en localizaciones marinas existen restricciones de espacio que
limitan la cantidad de productos químicos almacenados a granel, así como
condiciones de humedad severas que afectan el desempeño de los aditivos en polvo.
En estas circunstancias, se prefiere el uso de un sistema de dosificación con aditivos
líquidos. En instalaciones marinas, este sistema se encuentra fijo en las plataformas y
está diseñado para controlar automáticamente la dosificación de aditivos líquidos para
lechadas de cemento a través de un controlador electrónico. Este sistema consta de un
conjunto de bombas acopladas a motores eléctricos a prueba de 5 HP, cuyos
elementos expuestos a fluidos han sido seleccionados de materiales resistentes a la
corrosión provocada por los mismos.
Está disponible con una o cuatro bombas con gastos variables de 25 y 50 gpm.
Este sistema también involucra al sistema de medición continua que consta de tres o
cuatro bombas electrónicas capaces de dosificar cualquier aditivo líquido al de la
mezcla. Cada bomba tiene controles de velocidad variables para suministrar la
cantidad exacta de aditivo.
El sistema es gobernado a través de un registrador de parámetros, que controla el
gasto de cada bomba de aditivo y permite efectuar cambios sobre la marcha, sin
afectar el gasto de las demás. Cada bomba puede montarse con un tanque de aditivos
con succión y descarga independiente, lo que facilita su remoción y mantenimiento
Diseño de una planta dosificadora de cemento Entre las consideraciones más importantes para el diseño e instalación de una
planta de cemento se tiene:
- Volumen de cemento que se va a manejar. Necesidades del cliente, capacidad de
procesamiento de las mezclas, proyección a mediano y largo plazo del mercado.
- Facilidad de acceso a las materias primas y/o aditivos.
- Distancia al o los puntos de utilización.
- Comunicaciones. Acceso por caminos por los que se puedan transitar equipo
pesado, facilidades para efectuar y recibir los pedidos urgentes con sus
proveedores.
- Leyes y reglamentos locales.
- Condiciones ambientales y de seguridad. Adecuada de disposición de residuos
tóxicos y nocivos.
Cementación
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Son las operaciones con cemento que se efectúan con fines específicos en los
pozos petroleros.
Se clasifican de acuerdo con los objetivos que se persiguen en:
Cementación Primaria
Cementación Forzada
Tapones de Cemento
Cementación Primaria
Es el proceso que consiste en colocar cemento en el espacio anular, entre la
tubería de revestimiento y la formación expuesta del agujero, asegurando un sello
completo y permanente.
Objetivos:
1. Proporcionar aislamiento entre las
zonas del pozo que contienen gas,
aceite y agua.
2. Soportar el peso de la propia
tubería de revestimiento.
3. Reducir el proceso corrosivo de la
tubería de revestimiento con los
fluidos del pozo y con los fluidos
inyectados de estimulación.
4. Evitar derrumbes en la pared de
formaciones no consolidadas.
El reto principal es obtener sellos
hidráulicos efectivos en las zonas que
manejan fluidos a presiones. Para lograrlo
es indispensable mejorar el desplazamiento del lodo de perforación del tramo del
espacio anular que se va a cementar consiguiendo así una buena adherencia sobre las
caras de la formación y la tubería de revestimiento, sin canalizaciones en la capa de
cemento y con un llenado completo.
Se ha vuelto práctica común para cumplir con el segundo y tercer objetivo, el
cemento debe desarrollar un efecto compresivo mínimo de 500 psi (35𝑘𝑔 𝑚2⁄ ) dentro
de las primeras 8 horas. Este valor es producto de la práctica.
Un buen desarrollo operativo en cada una de las etapas de la cementación
primaria se debe conocer conceptos básicos:
- Especificaciones de tuberías de revestimiento (TR)
- Diseño de TR por cargas máximas
- Accesorios y equipos de flotación para tuberías superficiales, intermedias,
explotación y complementos
- Apriete computarizado
- Anclaje de las tuberías
- Lechadas de cemento para las diferentes cementaciones
22
- Empacadoras recuperables y permanentes
- Manejo de 𝐻2𝑆 𝑦 𝐶𝑂2 en las cementaciones
- Uso de empacadores en tuberías de explotación.
La información del pozo se consigue de su expediente y es la base para diseñar la
sarta de la tubería de revestimiento por cementar. Con la información del diseño, el
ingeniero de campo verifica en el pozo que los materiales recibidos correspondan al
diseño. Aquí se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:
- Revisar especificaciones de los accesorios (tipo, marca, grado, peso y diámetro)
- Verificar circulaciones y geología del fluido de control
- Revisar probables resistencias con la barrena
- Verificar que el volumen de lodo sea suficiente para la operación de cementación,
tomando en cuenta probables perdidas
- Realizar entrevista con el ingeniero de proyecto, para verificar las condiciones del
pozo:
- Tiempo de circulación, presión y gasto
- Diámetro de combinaciones que se van a utilizar
- Densidad del lodo de entrada y salida (geología)
- Condiciones de las bombas de lodo (dimensiones, camisa, pistón y eficiencia)
- Debe asegurarse que las líneas superficiales queden limpias de sólidos para el
buen suministro de agua y lodo
Cementacion De Las Diferentes Tuberias De Revestimiento
Cementacion de tuberias de revestimiento superficiales
La funcion principal de la cementacion de estas tuberias es aislar formaciones no
consolidadas y evitar la contaminacion de mantos acuiferos que se encuentren a
profundidades someras; mantener el agujero integro y evitar la probable migracion de
aceite, agua y gas de alguna arena productora superficial, ademas de permitir la
continuacion de la etapa de perforacion. Es importante señalar que se incluye en las
tuberias de revestimiento superficiales a la tuberia conductora. Su funcion principal
es la de permitir la circulacion y evitar derrumbes de arenas poco consolidadas,
ademas de ser el primer medio de circulacion de lodo a la superficie. Esta tuberia de
revestimiento puede cementarse o hincarse según lo permita el terreno. Los rangos de
estas TR superficiales van de 9 58⁄ ” a 30”. El filtrado promedio (Q30) es de 150-
200cm a 3/30min.
En esta etapa se instalan los preventores para el control del pozo. Uno de los
problemas que frecuentemente se encuentra en esta estapa es el bajo gradiente de
fractura. Para esto hay que tener un buen diseño de circulacion; asi tambien hay que
evitar el colapso de la tuberia de revestimiento debido a la carga hidroestatica
generada por la lechada en el espacio anular.
23
Las bajas temperaturas de la formacion prolongan los tiempos de fraguado del
cemento; ademas, la irregularidad del aujero por condiciones del tipo de formacion
dificulta durante la operación obtener una eficiente remocion del lodo
Cementacion De Tuberias De Revestimiento Intermedias
Esta tuberia es necesaria para mantener la integridad del pozo al continuar la
perforacion para profundizarlo. Sus rangos de diametro varian de 6- 5/8´´ a 13 -3/8´´
y su profundidad de asentamiento varia de 300 a 4.600m. Normalmente es la seccion
mas larga de las tuberias en el pozo y van corridas hsta la superficie por lo cual los
preventores se instalan en estas tuberias para perforar las siguiente etapas. Estas sartas
generalmente se emplean para cubrir zonas debiles que pueden debiles que pueden
ser fracturadas con densidades de lodo mayores que son necesarias al profundizar el
pozo y asi evitar perdidas de circulacion. Tambien aislan zonas de presones
anormales y la cementacion se puede realozar con una sola lechada o con dos
dieseños si el pozo y el gradiente de fractura lo requieren. Su filtrado (Q30) es de
100- 150cm3/-30min.
Cementacion De Tuberias De Revestimiento De Explotacion
La sarta de explotacion es el propio pozo y la profundidad de sentamiento de esta
tuberia es uno de los principales objetivos. Esta tuberia sirve para aislar los
yacimientos de hidrocarburos de fluidos indeseables, pero deben conserar la
formacion productora aislada. Es tambien el revestimiento protector de la sarta de
produccion y otros equipos usados en el pozo
La cementacion de esta sarta de tuberia es objeto de cuidados minuciosos debido
a la calidad exigida y a los atriburos requeridos para considerarse como una operación
exitosa. El aislamiento eficiente de esta tuberia nos permite efectuar apropiadamente
tratamientos de estimulacion necesarios para mejorar la produccion del pozo.
Diseño de laboratorio y recomendaciones generales
Diseño de laboratorio
Todos los procedimiento de pruebas de laboratorio son establecidos por el
American Petroleum Institute (API) en sus especificaciones Spec 10, 10A y 10B y en
funcion de la normatividad de materiales que se van a emplear. El desarrollo de la
resistencia a la compresion a las 8 horas que debe ser minimo de 105 kg/cm2 en
condiciones ambientales de presion y temperatura. Cuando hablamos del tiempo
minimo necesario para la operación, consideramos el tiempo para hacer la lechada
bombeando al pozo, a una velocidad de mezclado de 0.5 a 0.75 ton/min mas el
tiempo de desplazamiento a un gasto moderado de 4 a 5bl/min y un factor de
seguridad de 1 hora adicional .
Como se puede observar, ambos parametros estan intimamente ligados pues si
controlamos el tiempo de bombeo, ajustado al minimo necesario para efectuar con
seguridad el trabajo, automaticamente estamos favoreciendoel desarrollo de la
24
resistencia a la compreson del cemento. Cuando se emplea cemento clase G o H es
posible que se requiera de un aditivo que acelere la velocidad de reaccion de
hidratacion del cemento acortando el tiempo de bombeo y favoreciendo el desarrollo
de la resistencia a la compresion, todo depende de la cantidad de cemento que se va a
emplear. En estas operaciones generalmente se usa cemento solo y agua, como se
menciono anteriormente, un aditivo acelerador para ayudar al desarrollo de
compresion. Tambien se puee adicionar un frente lavador de agua sola con
pirofosfato tetrasodico, o, en su caso, cualquier frente lavador disponible
comercialmente.
Tuberia Superficial
Para perforar la seccion del pozo donde se introducen las tuberias superficiales, se
emplean fluidos de control con desidades bajas, debido a que el agujero atraviesa
zonas poco consolidadas que no soportan carga hidrostatica mayores.
En la cementacion de esta tuberia de revestimiento se emplean generalmente dos
lechadas de cemento:
1. La mayor densidad posible sin perder de vista evitar fracturar la formacion
Los silicatos de baja gravedad especifica por naturaleza y con alto requierimiento
de agua, como: las puzolanas activadas, las esferelita, la kaolinita, la perlita, las
tierras diatomacias o, en su defecto, el metasilicato de sodio anhidro que es un
agente extendedor de lechada empleado para disminuir la densidad.
2. El diseño de esta lechada se ajusta a un valor de filtrado. Para lograrlo se emplea
un agente controlador de filtrado especial para lechadas extendidas, combinado
con un porcentaje bajo 0.2% de un agente fluidizante que ayude al agente de
control de filtrado. Se deben dispensar las particulas solidas para obtener una
mejor distribucion de estas en la lechada, y cuidar que no se origine asentamiento
de solidos y liberacion de agua. Se tiene preferencia por un valor de orden de 150
cm3/30 minutos o menor, a temperatura de circulacion de fondo.
3. La fluidez. Normalmente las lechadas extendidas emplean una relacion alta de
agua/cemento. Esto origina que la viscosidad tenga valores bajos y no requiera la
adicion de mas agente fluidizante que el empleado conjuntamente con el agente
de control de filtrado
4. El tiempo de bombeo se regula usando un agente retardador de fraguado para
temperaturas bajas o moderadas, con un tiempo de bombeo equivalente al tiempo
minimo necesario para la operación, es decir, el tiempo necesario para preparar y
bombear la lechada a una velocidad de mezclao de 1 ton/min.
5. El contenido de agua libre de la lechada debera tener, invariablemente, un valor
de 0 cm3, debido a que la liberacion de aguaeneralmente esa acompañada de
25
precipitacionde solidos. En otras palaras, el punto de cedencia de la lechada tiene
un valor numerico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser no-newtoniano para
convertirse en newtoniano. Cuando sucede este fenomeno con lechadas
extendidas, se debe aumentar el porcentaje del agente extendedor o cambiarlo por
otro que tenga mayor capacidad de manejo de agua.
6. Por otro lado, la resistencia a la compresion desarrollada por esta mezcla no debe
tener valores inferiores a los 35 kgs/cm2 a un tiempo de 12 Horas.
La segunda lechada con:
- Densidad normal, es decir, se emplea el requerimiento de agua normal de la
mezcla
- El diseño de esta lechada es similar al descrito anteriormente para tuberias
superficiales, correspondiente al cemente de densidad normal.
Con las caracteristicas reologicas del fluido a temperatura de circulacion de fondo
y la geometria del pozo, se calcula el valor de velocidad en el anular, el gasto, las
perdidas de presion por friccion y la presion de fondo de cementacion, que se debe
vigilar durante toda la operación, paraque no llegue a ser igual o mayor que la presion
de gractura de la formacion. En algunoças tuberias intermedias que se cementan a
temperaturas estaticas de fondo superior a los 100ºc . se debe emplear para este finm
un 35 % de harina de silice por peso de cemento.
Tuberia De Explotacion
En la mayoria de los pozos del sistema, la primera tuberia de revestimiento de
explotacion cementada es una tuberia corta de 7´´ de diametro y la segunda es una
tuberia corta de 5 -1/2 a 3-1/2 pg de diametro
En la cementacion de estas tuberias de revestimiento se emplean las siguientes
alternativas de lechada
Lechadas con densidad normal
Densidad: Debido a la profundidad de asentamiento de estas sartas, se requiere de la
adicion de harina sílica malla 325 para evitar la regresion de la resistencia a la
compresion. En este caso, la densidad es de 1.93gr/cm3 con cemento clase “H” y
52% de agua por peso de cemento
Control de filtrado: Se procede a moderar el filtrado empleando un agente de control
de filtrado para lechadas de densidad normal, combinado con un porcentaje bajo de
un agente fluidizante del orden de 0.3% por peso de cemento.
Fluidez: Con el filtrado controlado, se procede a mejorar la fluidez de la lechada,
aumentando un poco el porcentaje de fluidizante a manera de reducir al maxima las
perdidas de presion por friccion durante el desplazamiento en el espacio anular. Es
importante tomar en consideracion durante la ponderacion de este parametro, que de
acuerdo con las investigaciones en laboratorio de reologia, la eficiencia del
26
desplazamiento se mejora cuando el cemente viaja en el espacio anular a una
velocidad minima de 80m/min , 1.33m/seg, 4.37 pie/seg y a medida que se
incrementa esta velocidad, la eficiencia mejora.
Tiempo de bombeo: El siguiente paso es determinar el tiempo de bombeo mediante la
dosificacion de un retardador del fraguado para alta temperatura. Esto se hace,
generalmente, con base en la respouesta que el retardador muestre al cemento que se
uso en trabajos anteriores o por ensayos y error. El tiempo para preparar y bombear la
totalidad de la lechada a una velocidad e mezclado de 1 ton/min, mas el tiempo de
desplazamiento de la lechada al espacio anular al gasto maximo permisible, de
acuerdo con el gasto determinado por el sistema computarizado de analisis hidraulico.
Lechadas de alta densidad
Densidad: Debido a la profundidad de asentamiento de estas sartas, se requiere de la
adicion de harina silica, para evitar la regresion de la resistencia a la compresion. Asi
la densidad es ajustada tomando en consideracion la presencia del 35% de harina
silica o de arena de silice. En estos casos de incremento de densidad es preferible usar
arena malla 100, debido a que no requiere agua adicional y el valor de la densidad
estara en funcion de la densidad del fluido de control.
El incremento de la densidad se logra empleando un agente densificante de alto
peso especifico que no requiera de la adicion de agua, tal como la hematita y
limadura de fierro. Otro material densificante es la barita, sulfato de bario, el cual es
empleado comunmente en lodos de perforacion.
Control de filtrado: Ya que se tiene la densidad deseada, se procede a regular el
filtrado. Se emplea entonces un agente de control de filtrado para lechadas de
densidad normal a un porcentaje bajo del orden de 0.3 a 0.4% por peso de cemento,
combinado con un agente fluidizante que le ayude en su trabajo del orden del 0.3%
por peso de cemento. El valor aproximado es de 50cm3/30min bajo una presion
diferencial de 1000psi.
Fluidez: Con el filtrado controlado, se procede a mejorar la fluidez de la lechada,
aumentando el porcentaje de fluidizante a manera de reducir al maximo las perdidas
de presion por freccion durante el desplazamiento en el espacio anular. Es importante
considerar durante la ponderacion de este parametro, que de acuerdo con las
investigaciones en laboratorios de reologia, la eficiencia del desplazamiento se
mejora cuando el cemento viaja en el espacio anular a una velociada minima de
80m/min 1.33m/seg 4.37pie/seg , en este caso de lechadas densificadas, el porcentaje
de fluidizante empleado es mayor debido a la baja relacion agua solidos.
Tiempo de bombeo: El siguiente paso es determinar el tiempo de bombeo mediante
la dosificacion de un retardador del freguado para alta temperatura. Esto
generalmente se hace con base en la respuesta que muestre el retartador al cemento
que se este usando de acuerdo con trabajos anteriores, por el empleo de graficas
proporcionadas or la compañía de servicio, o por ensayo y error, en cuyo caso se
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recomienda iniciar las pruebas de tiepo de fraguado con porcentajes bajos y hacer
incrementos del orden de un decimo en la dosificacion del producto hasta lograr el
tiempo deseado.
Lechadas de baja densidad
Densidad: Debido a la profundidad de asentamiento de estas sartas, se requiere de la
adicion de harina de sílica para evitar la regresion de la resistencia a la compresion.
La densidad se debe ajustar entonces tomando en considerancion la presencia del
35% de harina de silica. En estos casos de disminucion de densidad es preferible usar
harina de silice malla 325, debido a que esta requiere del 40% de su propio peso de
agua adicional. El diseño completo de esta lechada es similar al procedimiento
descrito para las tuberias anteriores con lechadas de baja densidad.
El contenido de agua libre de la lechada debe tener invariablemente, un valor de
0 cm3, debido a que la liberacion de agua generalmente indica una inestabilidad del
diseñado; en otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor
numerico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser no-newtoniano para convertirse en
newtoniano.
En pozos direccionales y horizontales el factor de estabilidad de la lechada se
toma critico debido a que el agua libre puede formar un canal en la parte alta del
espacio anular a lo laro del intervalo cementado.
Informacion del gabinete
La planeacion del gabinete nos predecir el comportamiento mediante la
simulacion de la cementacion del pozo. La informacion que se requiere es la
siguiente:
- Definir el objetivo particular de la operación
- Recopilar informacion en el pozo_
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Estado mecánico
Historia de perforacion
Diseño de TR (memoria de cálculo)
Programa de introduccion de TR (accesorios, combinaciones, centradores)
- Registros:
Calibracion y desviacion con temperatura de fondo del agujero
Informacion litológica
- Calculos correspondientes
Informacion de laboratorio
La informacion basicas de laboratorio se refiere a los diseños de la lechada, en
funcion de la tuberia que se va a cementar.
Cemento.
Diseño de la lechada que va a utilizarse en el pozo. Para hacerlo se deben
considerara parametros reologicos en funcion del fluidos de control de la perforacion,
valor de filtrado, agua libre, tiempo de bombeo y resistencia a la comprencion, de
acuerdo con los diseños de laboratorio.
Frentes de limpieza.
Normalmente se bombean dos tipos: un frente laboral y un espaciador con la
finalidad de lavar y de acarrear los solidos que genera la barrena. El frente lavador
normalmente tiene densidad de 1.0gr/cm3 y el del frente espaciador dependera de la
densidad que tenga el fluido de control que se tenga en el pozo. De tal manera que los
frentes reunen requisitos como: tipos,volumen,densidad y compatibilidad con el
fluido de control y con la lechada(mas detalles en el diseños de gabinete).
Materiales
Los materiales utilizados en la cementacion de la tuberia de revestimientos son
similares a los empleados a las tuberias superficial,intermedia y de explotacion.Esto
depende de la tuberia q se va a cementar.Estos materiales se describen
posteriormente.
DISEÑO DE GABINETE
El diseño de gabinete de la cementacion inicial con el empleo del programa de
computo para efectuar el estudio reologico de las lechadas de cemento y de los demas
fluidos que formaran parte de la operación de cementacios.Esta parte del diseño es
muy ligada al trabajo de laboratorio y,si se combina,se obtiene las basez de las
altermativas de diseño que abra de seguirse.Para su aplicación en el pozo, un buen
diseño de lechada de cemento dara lectura del viscosimetro rotacional bajas y
aportara valores de los parametros reologicos mas apropiados.Asi se obtendran
numeros de Reynolds mayor al nunmero de Reynokis criticos.con gastos
relativamente bajos,posibles de ser efectuados con la bomba del equipo de
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cementacion durante el desplazaminetos, acorde a la geometria anular entre el
revestimiento, agujero y tuberia ya cerrada.
Cuando un diseño que se esta analizando presenta lecturas altas en el viscosimetro
rotacional, se debe modificar la proporcion de los aditivos; en especial, debe vigilarse
que el agente fluidizante no origine asentamiento de sólidos y la liberacion de agua.
La interrelacion del fluidizante con el agente de control juega, tambien, un papel
importante en el diseño y siempre se debe buscar un estado de equilibrio entre ambos
en funcion de la temperatura. Los agentes retardadores del fraguado basado basado en
lignosulfonato presentan un efecto dispersante en las lechadas de cemento, el cual
debe ser tomado en cuenta al dieñar. Todo esto nos indica la facilidad de cambio de
los pareametros reológicos y en general obtener el diseño que más favorezca a la
eficiencia del desplazamiento en el espacio anular. Debe tenerse en cuenta que el
gasto máximo que puede darse con una bomba del equipo de cementación que emplea
una línea de alta presión de 2 pulgadas de diámetro, es de aproximadamente
7 𝑏𝑙 𝑚𝑖𝑛⁄ y que cuando se requiere dar un gasto mayor se debe emplear una línea de
mayor diámetro o tender dos líneas o más hasta la cabeza de cementación.
El sistema indica cuando un gasto es tan alto que no es posible efectuar la
operación en esas condiciones. Esto suscede cuando se alcanza la presion de fractura
de la formación mediante una gráfica del comportamiento de la presion de fondo y la
presion de fractura en todo el tiempo que dura la operación. En este caso debe
disminuir el gasto, sacrificando eficiencia de desplazamiento de lodo del espacia
anular; pero compensandolo con movimientos de la tuberia, tanto rotacional como
reciprocantre, cuando sea posible. El análisis gráfico indica cuando es posible aplicar
un gasto mayor al critico obtenido en el estudio reológico, sin riesgo de fracturar la
formacion o abrir zonas de pérdida, manifestadas durante el proceso de perforacion
del pozo. El sistema establece un estado de esfuerzos en todo el pozo durante el
tiempo que dura la operación y presenta un parametro permanente de comparacion
del esfuerzo ejercido sobre las paredes del fondo del pozo y de la presion de fractura,
a fin de evitaren lo posible el llegar a fracturar y tener pérdidas de circulacion durante
la operación.
Toda la informacion que se le ssuministra al sistema y los datos reportados del
proceso, se pueden almacenar en un archivo binario o incluirlos en la base de datos,
según se estime. Para cada pozo es necesario efectuar el análisis del proceso de la
operación de cementacion primaria, variando los parametros factibles, como es el
caso del gasto, el diseño de la lechada, densidad de lechada, las caracteristicas
reológicas del lodo, etc. a manera de poder contar con las alternativas y seleccionar la
que favorezca más al pozo por cementar. La alternativa que se seleccione deberá
contar con el medio de diseño de lechada, la velocidad más baja del viaje de la
lechada en el espacio anular con el menor gasto de bomba posible y estar lo más
arriba de la zona de transición del régimen laminar a turbulento; es decir, se debe
tener la menor caida de presión originada por la friccion de los fluidos que se estan
manejando en el pozo durante la operación de cementacion primaria.
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El programa computarizado maneja de forma gráfica para mayor apreciacion, los
principales parámetros de control de operación, los principales parametros de control
de la opreracion con 24 gráficas. Muestra el comportamiento del tiempo de bombeo
contra: presión de superficie, presión de fondo o presión de cementación, presión
hidrostática anular, presión de fricción en el interior de la tuberia de revestimiento,
densidad equivalente, comparacion de presión hidrostática en el anular e interior de la
tuberia de revestimiento, gasto de entrada y salida, tirante de caida libre y la
velocidad de viaje de lechada en el espacio anular; por otro lado, estas mismas
gráficas se obtienen, pero relacionando estos mismos parámetros con el volumen
estos mismos parámetros con el volumen de bombeo en sustitución del tiempo de
bombeo. El sistema también obtiene una cedula de bombeo y análisis, detallando en
columnas, minuto a minuto, toda la operación.
De igual forma, el sistema de cómputo proporciona un reporte integrado de tres
secciones: la primera, contiene los datos del pozo, su ubicación y caracteristicas de la
operación de cementación que se va a efectuar; la segunda, contiene los principales
parámetros hidráulicos de la operación como son: presión máxima en superficie,
potencia hidráulica requerida, tiempo total de operación, presión de fractura de la
formación, gasto de desplazamiento o gasto de lechada al salir ésta del espacio anular.
La tercera seccion presenta un listado de los materiales que intervienen en la
operación de cementación, tales como el cemento y los aditivos según diseño,
volumen de lechada, volumen total de agua de mezcla, porcentaje de exceso de la
lechada, rendimiento de la lechada y el tiempo de bombeo de que se dispone. El
procedimiento de operación del sistema computarizado se detalla en el manual del
usario. Si se desa tener mayor información sobre cualquier parte del proceso de
operación el simulador de cementaciones primarias, se debera consultar el manual del
usuario.
Procedimientos de diseño de gabinete
Obtención del diámetro promedio del agujero
El promedio del agujero se define por medio de un registro de calibración reciente
del pozo que se va a cementar. Se consideran secciones en donde predomine cierto
diámetro dividiendo en secciones cortas de igual longitud, determinando en cada
sección un diámetro promedio o predominante.
Otro promedio es tomar el diámetro de la barrena y adicionar un porcentaje de
exceso que variará en función del tipo de formación del 10 al 50%, para rocas
compactas a poco consolidadas, respectivamente.
Cálculo del volumen de lechada necesario para la operación de cementación
primaria
El volumen de lechada es una función directa de la geometría del pozo, del
diámetro de la tuberia que se va a cementar y de la longitud de espacio anular por
cubrir.
31
Con el diámetro promedio del pozo, determinado de acuerdo al punto anterior, y el
diámetro externo de la tuberia que se va a cementar, se puede calcular la capacidad
del espacio anular por unidad de longitud, por medio de la fórmula:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 0.785 ∗ [𝐷𝑎𝑔𝑢𝑗𝑒𝑟𝑜2 − 𝐷𝑒𝑥𝑡.𝑡𝑢𝑏𝑜
2] ∗ ℎ
En el caso de otra tuberia cementada con anterioridad enla sección que se cubrirá
con cemento, se debe emplear para el cálculo del diámetro interno de la tuberia ya
cementada y el diámetro externo de la tuberia por acementar y así calcular el volumen
correspondiente a esta parte. La ecuacion dimensional está en función del sistema de
unidades que se esté trabajando.
Con la capacidad del espacio anular entre tuberia de revestimiento y agujero por
unidad de longitud (o cualquiera de las capacidades que a continuación se citan) se
aplica la siguiente formula para determinar el volumen en la longitud que se desea
cubrir con cemento:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐸. 𝐴𝑙𝑡
𝑚∗ 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑎 𝑐𝑢𝑏𝑟𝑖𝑟 𝑚
En los casos en donde se aplique un porcentaje de exceso de lechada para
compensar la falta de uniformidad del diámetro del pozo, el porcentaje se aplica
únicamente al volumen de lechada calculado del espacio anular entre tuberia a
cementar y el agujero descubierto.
Además se calcula el volumen de lechada que queda adentro de la tuberia de
revestimiento, del cople a la zapata, empleando la siguiente formula:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑇. 𝑅 𝑙𝑡
𝑚∗ 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑝𝑙𝑒 𝑦 𝑧𝑎𝑝𝑎𝑡𝑎
En muchos casos, el cemento cubre toda la longitud del agujero y un traslape entre
la tuberia por cementar y la última tuberia cementada, como es el caso de la
cementación de tuberias de revestimiento corta. Algunas tuberias superficiales e
intermedias se cementan haasta la superficie; otras superficiales e intermedias se
cementan en parte de la longitud entrae tuberias. En estos casos el volumen de
lechada entre tuberias, se debe calcular el diámetro interior de la tuberia cementada
con anterioridad y el diámetro exterior de la tuberia por cementar, con la siguiente
formula:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑙𝑡
𝑚∗ 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑎 𝑐𝑢𝑏𝑟𝑖𝑟 𝑚
El volumen de la lechada por emplear es la suma de los volúmenes calculados,
según el caso.
Definición de la densidad de la lechada
La densidad de la lechada debe ser, invariablemente, un poco mayor que la
densidad del fluido de perforación para mantener el control del pozo.
La densidad del fluido de perforación está directamente ligada a la presión de
fractura de la formación y a la existencia de zonas de presión anormal o existencias
de zonas débiles, por lo cual, la densidad de la lechada no puede diferir drásticamente
32
de este juego de presiones. La diferencia de densidades entre la lechada de cemento y
el fluido de perforación generalmente está en el orden de 0.1 a 0.4 (𝑔𝑟 𝑐𝑚3⁄ ).
Cálculo De Cemento, Agua Y Aditivos
La cantidad de cemento idónea para obtener el volumen de lechada necesario, se
calcula sobre la base del rendimiento que se obtiene de cada saco de cemento. Se
debe considerar el diseño por medio de un balance de materiales, como se presenta en
el ejemplo:
Si la densidad del fluido de perforación es igual a 1.70 (𝑔𝑟 𝑐𝑚3⁄ ) y la temperatura
estática del fondo, es mayor de 100ºC, se emplea una densidad de lechada de 1.93
(𝑔𝑟 𝑐𝑚3⁄ ).
MATERIAL PESO (Kg) AGUA (lt) RENDIMIENTO
(𝑙𝑡 𝑠𝑎𝑐𝑜⁄ )
CEMENTO CLASE H 1 50 38% 19 15.8
HARINA DE SÍLICE 35% 17.5 40% 7 6.6
SUMA DE AGUA 26.0 26 26.0
SUMA TOTAL 93.5 48.4
De esta balance de materiales se desprenden los siguientes parámetros:
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑃𝑒𝑠𝑜
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛=
93.5𝑘𝑔
48.4𝑙𝑡= 1.93 𝑔𝑟 𝑐𝑚3⁄
Rendimiento 48.4 𝑙𝑡 𝑠𝑎𝑐𝑜⁄
Agua = 26 𝑙𝑡 𝑠𝑐⁄
Cálculo del requerimiento de materiales
Suponiendo que deseara tener un volumen de lechada de 90,000 lt con
caracteristicas apropiadas para obtener un flujo turbulento o poder desplazar al mayor
gasto posible. Empleando los datos de la lechada a usar, determinados en el balance
de materiales se tiene:
𝑁ú𝑚. 𝑠𝑎𝑐𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑎 𝑙𝑡
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑙𝑡 𝑠𝑎𝑐𝑜⁄ )=
90,000𝑙𝑡
48.4 𝑙𝑡 𝑠𝑎𝑐𝑜⁄= 1,860 𝑠𝑎𝑐𝑜𝑠
Peso de cemento = 1,860 sacos * 50 kg/saco= 93,000 kg = 93 ton.
Harina sílica 1,860 sacos * 17.5 kg/saco = 32,550 kg = 32.55 ton.
Agua de mezcla =1,860 sacos * 26 lt/saco= 48.360 lt = 48.36 m3.
Asumiendo que del estudio de laboratorio se obtuvo el siguiente diseño: Los porcentajes son por peso de cemento
Agente de control de filtrado 0.6% 558 kg
Agente fluidizante 0.4% 372 kg
Antiespumante 0.2% 186 kg
Retardador de fraguado 0.4% 372 kg
Agente de control de migración de gas 1.0% 930 kg
Peso de mezcla sólida en seco 127.968 ton.
33
Cálculo del tiempo de mezclado
Suponiendo que unicamente se emplee una lechada, con dos frentes de 4 m3 cada
uno, lavador y separador, asumiendo una velocidad de mezclado normal de una
tonelada por minuto, se tiene un tiempo de mezclado de 128 minutosm para preparar
y bombear al pozo las 128 toneladas de producto seco, este tiempo de mezclado tan
prolongado, denota la necesidad de utilizar dos unidades de cementar con lo que el
tiempo de mezclado se reduce aproximadamentea una hora o mezclar con centrífuga
y destinar las dos bombas de desplazamiento positivo a mandar lechada al pozo
tendiendo doble línea de 2” de la unidad de cementar al pozo, o una sola línea de 3” ,
con esto también se reduce el tiempo de mezclado aproximadamente 2 ton/min., la
línea de alta presión de 2” de diámetro, es capaz de manejar aproximadamente hasta 7
bl/min.
Volumen de los frentes lavador y separador
El objetivo principal de utilizar un frente lavador es dispersarel lodo de
perforación del espacio anular. Para lo grarlo se incorpora al flujo el fluido floculado
que se encuentra depósitado en regiones del anular en donde no existía circulación. Si
no se centra la tuberia que se va a cementar, o si se desprende gran parte de la
película de lodo, generalmente ña densidad del frente lavador es igual a la del agua o
muy próxima.
Otros objetivos de emplear un frente separador es levantar el lodo dispersado por
el frente lavador eliminandolo del espacio anular por cubrir con cemento, en función
a su viscosidad; también separar el fluido de perforación de la lechada de cemento, ya
que su incompatibilidad normal puede originar alta viscosidad e, inclusive, un
problema de fraguado, dependiendo de la base del lodo, de las sales que contenga y
del porcentaje de contaminación.
Los frentes separadodres son diseñados cuidadosamente en cuanto a sus
propiedades relógicas, pérdida de filtrado y densidades. Su densidad siempre se
procura que sea un poco mayor que la densidad del fluido de perforación y menor de
la densidad de la lechada de cemento. Es práctica común de campo adecuada a la
aritmética de la diferencia de densidades de lodo y lechada.
Si el fluido de perforación es a base de aceite, ambos frentes deben ser diseñados
especialmente para que tengan una capacidad de eliminar la pelicula de aceite que
cubre las paredes de la formación y de la tubería que estará en contacto con el
cemento. Ambos frentes, separador y lavador, deben ser compatibles, tanto con el
fluido de perforación como con la lechada de cemento. Esto se prueba en el
laboratorio antes de emplearse en los pozos.
Cementación De Pozos Direccionales Y Horizontales En pozos horizontales, uno de los problemas que afectan la cementación es el
depósito de los recortes de lodo de perforación en la parte baja del pozo. Esto se
puede evitar haciendo un buen diseño del lodo, especialmente en el en el punto de
cedencia. El depósito de sólidos evita el desplazamiento y frustra el propósito. El
34
depósito de sólidos evita el desplazamiento y frustra el propósito de la cementación:
rodear completa y homogéneamente la tubería de revestimiento con una envoltura de
cemento y afianzarla a la formación. Otro aspecto muy importante es centrar la
tubería de revestimiento para mejorar el desplazamiento del lodo.
Para lograr una buena cementación es muy importante colocar uniformemente la
lechada de cementación en el espacio anular, y que en el diseño de la lechada de
cemento no hay agua libre y no se asienten partículas. Dentro de los pozos
horizontales existen las variantes de pozos de alcance extendido y pozos
multilaterales.
Clasificación de pozos horizontales
Los pozos horizontales son aquellos en los que en una parte del pozo está desviada
90º con respecto a la vertical. La técnica de perforación horizontal puede ser
subdividida en cuatro grupos, dependiendo del ángulo con el que se ha construido el
pozo, que pueden ser: de radio largo, medio, corto y ultracorto.
Procedimientos de Terminación
En la actualidad, varios agujeros horizontales son terminados sin ser cementados.
La sección horizontal generalmente se termina con tubería corta ranurada, o bien
perforada o, en algunos casos, con cedazos para el control de la arena. En tales pozos,
la roca de la formación debe ser lo suficientemente compacta como para impedir el
colapso, particularmente cuando se aproxima el agotamiento. Muy raramente los
pozos horizontales pueden ser terminados en agujero abierto, sin algún método de
revestimiento.
Las tuberías de revestimiento intermedias se encuentran, por lo general, en la
sección altamente desviada, por lo que deben tener un buen trabajo de cementación.
Esto es necesario para evitar filtración de fluidos y para proveer un aislamiento entre
el revestimiento de la parte superior y los intervalos productores de la parte inferior.
Sin embargo, frecuentemente existen ciertos aspectos de producción y terminación
de pozos horizontales que determinan en donde se deberá meter una tubería de
revestimiento y en algunos casos en forma aislada. Algunas son:
- Cuando en un yacimiento se planea un tratamiento de estimulación de
intervalos múltiples.
- Cuando hay problemas para controlar la conificación de gas y agua, las cuales
deben ser prevenidas durante la perforación del agujero. Esto da como
resultado la pérdida del control direccional pues esto causaría que el agujero
se perfore sin rumbo, o simplemente, perforar el casquete de gas antes de
entrar en la zona de aceite.
- Cuando un intervalo de producción requiera de una cementación de
reparación para impedir la producción de agua indeseada o el avance del gas.
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En el caso de los pozos horizontales, las propiedades más importantes de la
lechada de cemento son la estabilidad y la pérdida de filtrado. La estabilidad de la
lechada de cemento es siempre importante pero, aún más, en un pozo desviado. Hay
dos propiedades que la determinan: el agua libre y la sedimentación. El agua libre esa
importante debido a que puede migrar a la parte superior del agujero y crear un canal
abierto a través del cual los fluidos del pozo pueden viajar; la sedimentación puede
causar un cemento poroso de baja resistencia en la parte superior del pozo. Por
consiguiente, deben llevarse a cabo pruebas de laboratorio para asegurarse que lo
anterior no ocurrirá a medida que el ángulo aumenta. El agua libre debe mantenerse
en cero y puede prevenirse junto con la sedimentación por medios químicos tales
como la adición de agentes viscosificante y/o sales metálicas que forman hidróxilos
complejos.
El control de la pérdida de fluido es particularmente importante en pozos
horizontales, debido a que la lechada de cemento está expuesta a secciones
permeables más largas que en los pozos verticales. Los ritmos bajos de pérdida de
fluido son necesarios para preservar las propiedades reológicas cuidadosamente
diseñadas de la lechada de cemento. El ritmo de pérdida de fluido siempre debe ser
menor a 50 ml/30 min.
Otras propiedades en la lechada de cemento son el control de la densidad y las
concentraciones uniformes de aditivos, las cuales son particularmente importantes
para asegurar que las propiedades del cemento sean consistentes en todas partes del
intervalo cementado. La lechada de cemento deberá ser mezclada en su totalidad,
antes de ser bombeada, siempre que esto sea posible.
Una vez que la lechada, los gastos de flujo deberán ser verificados en un
simulador. Esto es importante para poder verificar que no se excedan las presiones de
fractura de la formación.
Basados en investigaciones y en la experiencia de campo, las principales claves para
el éxito en la cementación horizontal pueden resumirse como:
- Prevenir el asentamiento de los sólidos del fluido de perforación
- Optimizar las propiedades de la lechada
- Optimar el claro entre la tubería y las paredes del pozo
- Circular el lodo, al menos, en un volumen del agujero
- Mover la tubería tanto en rotación como reciprocante
- Mezclar en recirculador y control automático de densidad
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- Maximizar la limpieza del espacio anular
- Centrar la tubería de revestimiento
- Bombear baches compatibles
- Diseñar gastos de desplazamiento para flujo turbulento o velocidad anular
mínima de 80m/min (sin llegar al límite de la presión de poro y presión de
fractura)
Tapones De Cemento
Descripcion
Es la tecnica balanceada de colocacion de un volumen relativamente pequeño
de cemento a traves de una tuberia de perforacion, de produccion, o con auxilio de
herramientasespeciales, en una zona determinada, en agujero descubierto o tuberia de
revestimiento. Su finalidad es proveer un sello contra el flujo vertical de los fluidos o
proporcionar una plataforma o soporte para el desvio de la trayectoria del pozo.
Objetivos
- Los tapones colocados dentro de agujeros entubados se utilizan para:
- Abandonar intervalos depresionados
- Proteger temporalmente el pozo
- Establecer un sello y abandonar el pozo
- Proveer un punto de desvio en ventanas
- Los tampones en agujero descubierto se colocan para:
- Abandonar la parte inferior del pozo
- Aislar una zona para prueba de formaciones
- Abandonar capas de formación indeseables
- Sellar zonas de pérdida de circulación
- Iniciar perforacion direccional ( ej. Desviacion por pescado).
- Como obtener informacion del pozo que se va a intervenir
- Los datos necesarios para el diseño de un tapon por circulacion son los siguientes:
- Geometria del agujero abierto
- Diametro de la barrena
- Registro de calibracion del agujero
- Porcentaje de exceso considerado
- Profundidad
- Datos del agujero
- Presion de poro
- Presion de la fractura
- Litologia
- Zonas de flujo o perdidas
- Temperatura de fondo estatica
- Temperatura de fondo circulante
- Zonas problema
- Perdida de circulacion
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- Deslavadas
- Flujo de agua
- Alta presion de gas
- Datos de la tuberia de revestimiento
- Diametro
- Peso
- Profundidad
- Tuberia anterior
- Datos de desviacion
- Profundidad vertical real
- Profundidad medida
- Puntos de desvió
- Orientación
- Fluidos
- Tipo de lodo
- Densidad
Tipos De Tapón
Tapón de desvío
Durante las operaciones de perforación direccional puede ser difícil alcanzar el
ángulo y dirección correctos cuando se perfora a través de una formación suave. Es
común colocar un tapón de desvió en la zona para alcanzar el objetivo y curso
deseado.
Además, cuando una operación de pesca no se puede llevar a cabo por motivos
económicos, la única solución disponible para alcanzar el objetivo del pozo es el
desvió por arriba del pez. El éxito de un buen tapón de desvió es su alto esfuerzo
compresivo. Las lechadas de agua reducida con Dispersantes alcanzan densidades de
hasta 2.16 cm3 y proveen los mejores resultados. Son cementos muy duros, densos,
de baja permeabilidad. Esta lechada desarrolla altos esfuerzos compresivos que
alcanzan los periodos cortos por lo que se puede reducir el tiempo de espera de
fraguado de cemento. La perdida de filtrado es reducida y tienen mejor resistencia a
la contaminación con los fluidos del pozo.
Hay criterios técnicos que aseguran tener mejor esfuerzo compresivo a través del
uso de la arena sílica. Esta comprobado que la arena no ayuda a mejorar el esfuerzo
compresivo. Si por costumbre se insiste en agregar arena, esta debe ser limitada a 4.5
kg/saco. Cuando se colocan varios tapones antes de obtener alguno lo
suficientemente fuerte para desviar, la falla se debe, entonces, a la inestabilidad de
una lechada de alta densidad colocada sobre un lodo de baja densidad. La incidencia
de fallas de tapones se puede reducir utilizando los métodos correctos de colocación.
En tampones de desvió, después de varios intentos de pesca es común que el agujero
se haya lavado y haya creado una caverna en donde los registros geofísicos no puedan
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tocar las paredes de esa caverna; por lo tanto, será difícil estimar correctamente el
volumen de cemento requerido para balancear el tapón el éxito del tapón, en estos
casos, se debe más a la experiencia que a la técnica. La profundidad de la colocación
también es importante. La cima del tapón o de inicio de desviación debe colocarse
frente a una formación fácilmente perforable, en donde la barrena pueda ser orientada
en una nueva dirección sin caer en el agujero original. Una consideración muy
importante en la colocación de tapones de desvió, por camino de rumbo o pescado, es
que el tapón debe tener la longitud necesaria para asegurar que la barrena este lejos
del agujero original en el momento que sobrepase la longitud del tapón.
Abandono
Cuando se requiere abandonar un pozo y prevenir la comunicación entre zonas y
la migración de fluidos que pueden contaminar los mantos acuíferos, se colocan
varios tapones de cemento a diferentes profundidades. Los pozos productores
depresionados también se abandonan con tapones de cemento. En muchos países,
como México entre otros, el gobierno regula el abandono de los pozos petroleros con
procedimientos específicos.
Los tapones de abandono de pozos se colocan generalmente frente a zonas
potenciales de alta presión. Se pone un tapón en la zapata de la tubería de
revestimiento anterior (algunas veces con algún tapón puente mecánico) y se colocan
todos los necesarios hasta la superficie.
Si se plantea abandonar intervalos grandes de agujero descubierto, entonces se
requiere la colocación de varios tapones de cemento dentro del agujero. Se debe
utilizar harina sílica cuando la temperatura estática d fondo exceda de los 100 ºC
para prevenir la regresión de la resistencia del cemento (incremento en la
permeabilidad y pérdida de esfuerzo compresivo). Los aditivos de cemento deben ser
mínimos, las lechadas extendidas tienen relativamente baja viscosidad y bajo esfuerzo
compresivo son usadas pocas veces como tapón abandono
Perdida de circulacion
La perdida de fluido de perforacion puede ser detenida si se coloca correctamente
un tapon de cemento frente a la zona perdida. Aunque la lechada se puede perder,
tambien puede endurecer y consolidad la formacion. Un tapon de cemento tambien se
puede colocar encima de una zona para prevenir su fractura debido a presiones
hidrostaticas que pueden desarrollarse durante la cementacion de una tuberia de
revestimiento.
Las lechadas de cemento puro son efectivas para solucionar perdidas menores y
brindan esfuerzos compresivos muy altos. Para cementos mas ligeros con mejores
propiedades mecanicas se utilizan cementos espumados o microesferas. Estos tienen
la ventaja natural de la tixotropia por lo que es menos probable que se pierdan.
Tapones Para Prueba De Formacion
Cuando se programa una prueba de formacion, y bajo el intervalo por probar
existe una formacion suave o debil, o que pueda aportar a la prueba fluidos
indeseables, se colocan tapones de cementos para aislar la formacion por probar,
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siempre y cuando sea impractico o imposible colocar un ancla de pared. Esto permite
evitar el fracturamiento de la zona debil.
Diseño De La Lechada De Cemento
El diseño de la lechada de cemento para los tapones por circulación, y sus
propiedades, dependen de la aplicación del tapón así como de la densidad requerida.
Generalmente se utilizan volúmenes pequeños de lechada y se deben mezclar un
volumen siempre que sea posible. Es muy importante considerar que el diseño de la
lechada revista más de 50% del éxito del tapón.
Reologia
Para tapones de control de perdida de circulacion se requieren lechadas viscosas
con fuerte gelificacion para restringir el flujo a fracturas o poros. Las lechadas
tixotropicas o de baja densidad y los materiales para perdida de circulacion son muy
utilizados para tapones de desvio. Se requiere que la lechada sea de alta densidad,
pero con la fluidez necesaria para que el cemento salga de la sarta de perforacion al
extraer la tuberia.
Filtrado
La pérdida de agua de la lechada durante su colocación modifica sus condiciones
de diseño originales. Esto trae como consecuencia el fracaso del trabajo al no
alcanzar el objetivo planeado. Se puede requerir, entonces, el control de filtrado para
mantener una buena calidad de la lechada cuando se hacen movimientos con la
tubería. Si una lechada se somete a periodos de condición estática mientras está
siendo colocada, se desarrollan esfuerzos de gelificación que puedan conducir al
atrapamiento de la tubería. Es muy importante, por lo tanto, mantener el valor de
filtrado de diseño durante el trabajo.
Tiempo de espesamiento
Los tiempos de espesamiento deben diseñarse de acuerdo con las condiciones del
pozo, los procedimientos de colocación y un factor de seguridad razonable. Para
pozos profundos de alta temperatura, el tiempo de espesamiento debe ser
considerablemente mayor. Como una medida más de seguridad, en México los
tiempos de espesamiento para pozos, con temperaturas menores de 140ºC, se calculan
considerando el tiempo de la colocación mas una hora adicional y la prueba se realiza
en el laboratorio con temperatura circulante. Para pozos arriba de esta temperatura,
hasta 175ºC, se toma el mismo criterio respecto al tiempo; solamente que las pruebas
de laboratorio se consideran a una temperatura intermedia entre la circulante y la
estática con excelentes resultados. En todos los casos, es muy importante la selección
de los retardadores adecuados. En la minimización de la gelificación de la lechada, y
la finalidad de evitar costos innecesarios, se consideran tiempos de espera de
fraguado de acuerdo con el objetivo del tapón, que no serán mayores a 24:00 horas.
Resistecia a la compresion
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La resistencia a la compresion para tapones de desvio es primordial. Se requiere el
desarrollo de alto esfuerzo compresivo en cortos periodos de tiempo. Las mejores
lechadas para esta aplicación son las de agua reducida y alta densidad (por arriba de
2.16gr/𝑐𝑚3; se pueden obtener esfuerzos compresivos de hasta 8,500 psi, en contraste
con las 5,000 psi de una lechada de 1.95 gr/𝑐𝑚3. La adiccion de arena o agentes
densificantes no mejora el esfuerzo compresivo de una lechada con bajo contenido de
agua; ademas de dispersantes y retardadores se requieren muy pocos aditivos. Para
tapones de abandono colocados a profundidades con temperaturas mayores de 100º C
es necesario agregar harina o arena silica, dependiendo de la densidad requerida, para
evitar la regresion de la resistencia compresiva del cemento. Sin que esto implique
que agragando harina silica o arena silica aumente el esfuerzo compresivo del
cemento, lo cual no debe confundirnos.
Cementación Forzada
Las operaciones de la cementación forzada pueden ser desarrolladas durante la
perforación o la terminación de un pozo o para su reparación o intervención posterior.
La cementación forzada es necesaria por muchas razones, pero probablemente el uso
más importante es el de aislar la producción de hidrocarburos de aquellas
formaciones que producen otros fluidos. El elemento clave de una cementación
forzada es una colocación del cemento en el punto deseado o en puntos necesarios
para lograr el propósito. Puede ser descrita como proceso de forzar la lechada de
cemento dentro de los agujeros en la tubería de revestimiento y las cavidades detrás
del mismo. Los problemas que soluciona una cementación forzada se relacionan con
el objetivo de aislar las zonas productoras.
A menudo es difícil determina por que algunos pozos pueden ser forzados
exitosamente con una sola operación, mientras que otros en el mismo campo,
requieren varias operaciones. Existen ciertos fundamentos para la apropiada
compresión y aplicación de los principios de cementación forzada. las cementaciones
de pozos forzados son ampliamente usadas en pozos, con los siguientes propositos:
Propositos
Corregir por medio de la inyeccion de cemento a presio, posibles fallas de
cementaciones primarias, rupturas de tuberias de revestimiento, abandono de
intervalos explotados, etcetera.
Definicion
Los trabajos de cementacion a presion estan definidos, como el proceso de
inyectar una lechada de cemento a base de presion, a traves de los agujeros o ranuras
que existen en el revestidor y comunican al espacio anular del pozo.
Descripcion
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Cuando la lechada es forzada contra un area permeable, las particulas solidas
filtradas sobre las caras de formacion, asi como la fase acuosa, entran a la matriz de
esta.
Un trabajo de cementacion forzada, diseñada aproximadamente, tiene como
resultado la construccion de un enjarre sobre agjeros abiertos entre la formacion y la
tuberia de revestimiento; dicho enjarre forma un solido casi impermeable.
En los casos que la lechada es colocada dentro de un intervalo fracturado, los
solidos del cemento deben desarrollar un enjarre sobre las caras de la fractura y o
puntear la fractura.
Para llevar a cabo los trabajos de cementacion a presion casi siempre se requiere
del empleo de un empacador recuperable o permanente,según el caso para aisalar el
espacio anular del pozo.
Teoría de la cementación forzada
No obstante la técnica usada durante un trabajo de cementación forzada, la
lechada de cemento sujeta a presión diferencial contra una roca permeable. Los
fenómenos resultantes son la filtración, que se haga un enjarre y, en algunos casos, el
fracturamiento de la información. La lechada que se sujeta a presión diferencial
pierde parte de su agua en el medio poroso y se forma el enjarre de cemento
parcialmente deshidratado.
El enjarre de cemento formado contra una formación permeable tiene una
permeabilidad inicial alta, pero a medida que las partículas de cemento se acumulan,
el espesor del enjarre y la resistencia hidráulica se incrementan. Como resultado, la
velocidad de filtración decrece y la presión requerida para deshidratar la lechada de
cemento se incrementa.
La velocidad de construcción del enjarre es una función de cuatro parámetros:
permeabilidad de la formación, diferente presión aplicada, el tiempo y la capacidad
de la lechada para perder fluido a condiciones de fondo.
Tipos de cementación a presión
- Cementación a presión con bombeo continúo o bombeo o bombeo intermitente
- Cementación a presión con rompimiento de formación e inyección de la lechada
en el interior de la fractura provocada.
- Cementación a presión sin romper formación, formando depositaciones de
cemento con base en la construcción de enjarre de baja permeabilidad en las
zonas de inyección.
La técnica que se va a emplear se selecciona de acuerdo con el objetivo de la
operación.
Diseño de la lechada de cemento
El diseño de la echada varía en función de la técnica que se emplea para la
ejecución del trabajo. De tal forma que la lechada se puede diseñar con alto valor de
filtrado más de 100 cm3/30 min, filtrado moderado de 50 a 100 cm3/30min, bajo valor
de filtrado de 20 a 50 cm3/30 min
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Diseño de gabinete
Mediante el empleo de su simulador, se reproduce el proceso de cementación
forzada y se estudia el fenómeno hidráulico. Se debe trabajar el pozo mediante los
límites permisibles de seguridad de presión para tuberías y materiales usados.
Accesorios Para Tuberías De Revestimiento
Zapatas
La parte inferior de la tubería de revestimiento es protegida por una zapata guía.
Coples
Un cople flotador o cople de auto-llenado es colocado en uno o dos tramos de
tubería arriba de la zapata para proporcionar, entre otras funciones, un asiento para
los tapones de cementación y para finalizar el trabajo de colocación del cemento,
cuando llega a este lugar el tapón de desplazamiento.
La sección corta de la tubería que separa a la zapata y al cople flotador es
proporcionada como un amortiguador dentro de la tubería para retener la parte final
de la lechada, con posible contaminación. Esta sección puede ser mayor de dos
tramos de tubería para asegurar la colocación de buena calidad de cemento en la parte
exterior de la zapata.
Tapones
Los tapones actúan como barreras de separación entre las lechadas de cemento, y
entre el fluido de perforación y fluidos de desplazamiento.
Centradores
Los centradores son colocados en las secciones críticas de interés para centrar la
tubería y obtener una mejor distribución del cemento alrededor de ésta, mejorando de
esta manera la calidad de la cementación primaria.
Equipo De Flotación
A medida que se van incrementando las profundidades de perforación de los
pozos, las estructuras de los mástiles del equipo de perforación se ven sometidas a
mayores esfuerzos y fatigas por incremento de las longitudes y pesos de las tuberías
de revestimiento. El uso de equipo de flotación, reduce estos esfuerzos y fatigas,
aprovechando el efecto de flotación aplicado a la tubería.
El equipo de flotación consiste en zapatas y coples especiales con válvulas de
contrapresión que impiden la entrada de fluidos del pozo. Conforme la tubería es
bajada, la carga al gancho es reducida en la misma magnitud dada por el peso del
fluido desplazada por la sarta. La tubería es llenada desde la superficie y se controla
su peso monitoreándolo con un indicador en donde se observa el peso sobre la polea
viajera. La secuencia del llenado es generalmente cada 5 a10 tubos, sin embargo,
43
algunas tuberías con diámetros mayores o tuberías con pared delgada pueden requerir
un llenado más frecuente para impedir el colapso de la tubería debe bajarse en forma
lenta y continua para evitar la presión de irrupción o de pistón y daño a la formación.
Una vez que la tubería de revestimiento llega al fondo, se llena y la circulación es
establecida para empezar el acondicionamiento del pozo, para lo cual se circula, por
lo menos, un volumen equivalente a la capacidad del agujero.
Los volúmenes grandes, además del bombeo y desplazamiento del cemento,
tienden a causar desgastes excesivos e incrementan la frecuencia en las fallas del
equipo de flotación.
Después de que el cemento es desplazado, la válvula de flotación debe evitar el
flujo de regreso a la tubería de revestimiento. La falla de la válvula de flotación se
manifiesta en la presión de superficie y necesariamente debe ser contenida. Por otra
parte, la aplicación de presión en la superficie es indeseable debido a que esta
expande a la tubería de revestimiento en el período de endurecimiento del cemento.
Cuando la presión es descargada, la tubería se contrae a sus condiciones normales de
diámetro causando una microseparación anular entre la tubería y el cemento. Aunque
pequeña, la separación anular compromete el aislamiento de la zona.
Razones para seleccionar una válvula de flotación:
- Son más simples, no requieren viajes adicionales `para iniciar la función de la
válvula de contrapresión.
- Debido a que todos los fluidos desplazados deben circular por el anular hasta
la superficie. El lodo puede ser agitado y acondicionado más continuamente.
- Los pozos desviados pueden ser más claramente indicados y controlados.
- La tubería de revestimiento puede ser llenada con un lodo limpio bien
acondicionado para la cementación.
Equipo De Llenado Automático
Las zapatas y coples de llenado automático contienen válvulas de contrapresión
similares a las usadas en el equipo de flotación; sin embargo, las válvulas de
contrapresión se modifican en una posición de abierto para permitir el llenado y la
circulación inversa. El llenado continuo de la tubería de revestimiento ahorra tiempo
y reduce la presión de irrupción asociada con el equipo de flotación. Las válvulas son
usualmente diseñadas para reducir el sobre flujo del fluido de control en la tubería de
revestimiento mediante la regulación de la velocidad de llenado para una velocidad
de introducción.
A una velocidad promedio de introducción de la tubería de un tubo por minuto, el
nivel de fluido en el interior de la tubería de revestimiento debe permanecer uno o dos
tubos abajo del nivel anular. Los sobre flujos aún pueden ocurrir si se excede la
resistencia del fuljo anular y la resistencia interna al flujo de la válvula. Esta
condición es más probable que ocurre en condiciones de agujero esbelto, o cuando los
agujeros presentan cavidades punteadas y restricciones a flujo anular. Para remover o
para desprender materiales adheridos, la válvula permite la circulación en cualquier
dirección.
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El equipo de auto llenado debe bajarse para que funcione como una válvula de
contrapresión direccional o válvula flotadora. La conversión generalmente es
ejecutada después de que la tubería de revestimiento se coloca a la profundidad
programada; pero también puede ser convertida mientras se está corriendo para
prevenir o controlar la carga del gancho de la polea viajera. Para prevenir la
introducción sin control, la máxima velocidad del flujo de entrada a la tubería puede
ser limitada por el gasto de admisión de ciertas válvulas.
Válvulas De Charnela U Orificio De Llenado
Estas válvulas son convertidas por la expulsión del tubo de orificio, permitiendo
al resorte de carga cerrar la charnela de la válvula. Esta operación normalmente
requiere del uso de pequeñas bolas metálicas que viajan al fondo. Para ahorrar
tiempo, la bola es generalmente lanzada dentro de la tubería revestimiento,
permitiendo que caiga libremente, mientras se conectan e introducen los últimos
cinco tramos de la tubería de revestimiento.
La bola puede ser bombeada al fondo: sin embargo, debe posicionarse mientras se
bombea; la conversión puede ocurrir sin ninguna indicación en el manómetro. De otra
manera, con la bola situada apropiadamente, el tubo de orificio puede ser descargado
por la aplicación de 300 a 800 psi, dependiendo del fabricante de la válvula. Algunos
fabricantes indican un gasto de flujo opcional, para convertir la válvula sin empleo de
la bola. Esta opción es de mayor aplicación cuando la desviación del agujero es
superior de 30º, debido a que se presenta la dificultas de posicionar la bola
apropiadamente.
Válvulas De Acción Vertical O Válvula De Tapón
El resorte de carga que actúa sobre el tapón para sostenerlo en posición el la
tubería de revestimiento. El tapón es liberado para impedir el flujo en sentido inverso,
y establecer un mínimo de gasto a través de la válvula. Los coples de válvula de
acción vertical están diseñados para retener el mecanismo de viaje. Así dos unidades
de válvulas de acción vertical (zapata y cople) pueden ser usados para proporcionar
un seguro de sello adicional. El equipo de auto llenado es recomendado, cuando la
carga del gancho de la polea viajera no sea de importancia, o cuando las condiciones
del agujero puedan estar deterioradas. Se requiere entonces de la circulación en
sentido inverso y de la habilidad para correr la tubería de revestimiento tan rápido
como sea posible. Las válvulas de charnela y la de acción vertical no se recomiendan
para usarse con fluidos de perforación que contienen grandes concentraciones de
materiales obturantes para controlar para controlar pérdidas de circulación. El uso de
muchos raspadores reciprocantes y otros adicionantes externos pueden incrementar la
resistencia al flujo en el anular y causar sobre flujo.
Otro fenómeno es el súbito paro durante la introducción de la tubería; estos paros
deben evitar la conversión prematura de la válvula.
Equipo De Llenado Diferencial
Las zapatas y coples de llenado diferencial combinan los beneficios del equipo de
flotación y el de auto llenado. Estos equipos están diseñados para llenarse
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automáticamente y regular el nivel del fluido dentro del fluido anular. Cuando ambos,
zapato y cople, son usados, la tubería de revestimiento debe permanecer
aproximadamente a 81% de su llenado.
El equipo de llenado diferencial a menudo es usado sobre estas sartas largas para
reducir la presión de irrupción y la posibilidad de daño a la formación, lo cual
normalmente está asociado con el equipo de flotación. Este equipo ahorra tiempo de
introducción, lo que disminuye la posibilidad de pegaduras. Regula el nivel de fluido,
reduce la función de carga al gancho y evita el sobre flujo, dado que el anular no está
restringido. La circulación debe establecerse en cualquier dirección sin daño a la
válvula. La válvula resumirá la operación cuando el nivel del fluido dentro de la
tubería de revestimiento y en el espacio anular adquiera la diferencial de diseño. La
válvula diferencial típica regula el llenado a través de la acción de un pistón de
flotación diferencial. El pistón se desliza hacia arriba para abrir y hacia abajo para
cerrar. Está diseñado de tal forma que el área superior presurizada es
aproximadamente un 10 % mayor que el área inferior. Las fuerzas que actúan para
operar el pistón son producidas por la presión hidrostática, que actúa sobre las áreas
superior e inferior. Debido a que el área superior es más grande, se requiere de menor
presión para balancear las fuerzas a través del pistón. Cuando la presión de arriba
(hidrostática de la tubería de revestimiento) excede el 90% de la presión de abajo,
(hidrostática anular), el pistón se deslizará hacia abajo para parar el llenado.
Igualmente, cuando la presión de abajo excede el 90% de la presión de arriba el
llenado se reanuda. Este ciclo se repite continuamente a medida que baja la tubería.
Sin embargo, el ciclo no puede empezar hasta que la presión hidrostática es suficiente
para superar las pérdidas de presión por fricción. Cuando se emplean dos válvulas, la
superior interpreta la presión regulada por la válvula inferior y el efecto combinado
debe resultar en un 81% de llenado.
La válvula de charnela inoperante puede ser convertida para empezar a funcionar
como válvula flotadora en cualquier momento. La conversión de la mayoría de las
válvulas requiere del viaje de una bola, y opera en la forma descrita para el equipo de
orificio de llenado. La circulación previa al lanzamiento de la bola puede ayudar a
limpiar el asiento de la válvula de desechos sólidos. Para verificar la presión de
actuación apropiada, la bola debe caer y posicionarse en su asiento antes de iniciar el
bombeo. La presión requerida de activación de la mayoría de las válvulas está
generalmente entre 500 y 800 psi. Debido a que la bola es eliminada, una zapata y un
cople pueden ser accionados con una sola bola. Una zapata de orificio, también
puede ser usada debajo de un cople diferencial, siempre que la bola activadora sea
compatible con ambas unidades, o el orificio pueda ser abierto con flujo.
Orientaciones y Precauciones adicionales:
Para reducir el desgaste de la válvula flotadora durante largos períodos de
circulación, y de acondicionamiento, la operación de conversión puede ser demorada
hasta justo antes de bombear el cemento.
- A casusa de las restricciones en las vías de llenado, la tubería de revestimiento
debe bajarse a velocidad moderada (generalmente 2 pies/segundos) para
reducir la presión de irrupción.
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- Los materiales para pérdida de circulación pueden tender a un llenado lento o
a evitarlo, lo cual puede incrementar la irrupción o a conducir el colapso.
Puede ser necesario el monitoreo del indicador de peso y circulación
periódica.
- La desviación de los agujeros y tamaños de las tuberías de revestimiento
pueden imposibilitar el uso de bolas activadoras pesadas.
- Equipo de cementación denominado Inner String o Sarta Interior
Es una técnica típicamente usada con tuberías de revestimiento de diámetro
grande, en donde la sarta de la tubería de perforación es colocada dentro de la sarta de
la tubería de revestimiento como un conductor para bombear fluidos de superficie al
anular entre las dos sartas (anular con la tubería de revestimiento). El equipo de
cementación con sarta interior proporciona un medio para recibir y sellar la tubería de
perforación pozo abajo. Este equipo es también conocido como “Stab-in”, y está
generalmente disponible con receptáculo de candado y sin este. Las zapatas y coples
son básicamente versiones grandes de los tipos previamente discutidos, con la adición
de un receptáculo de sello y superficie biselada.
En las operaciones de introducción de la tubería de revestimiento, la velocidad
con la que se baje debe ser acorde al tipo de válvula empleada. La velocidad de
bajada debe ser lo suficientemente lenta para evitar la presión de irrupción. El equipo
de flotación puede requerir un llenado más frecuente para evitar el colapso de la
tubería de revestimiento.
Una vez que la tubería ha alcanzado la profundidad deseada, la unidad de sello y
centradores de Stab-in, se conectan a la tubería de perforación y se introducen en la
tubería de revestimiento. La tubería de perforación se baja hasta la unidad de sello
empotrada en el receptáculo. Se debe aplicar peso adicional, al equipo que no
contenga candado para controlar fuerzas que tratan de desconectarlo mientras se está
cementando la tubería de revestimiento. La máxima fuerza de desunión puede
estimarse multiplicando la máxima fuerza de presión de bombeo esperada, por el área
de unidad de sello. Las unidades de sello con candado, incluyen un mecanismo de
sello con candado adicional, para contrarrestar la fuerza de liberación, por lo que no
se requiere de peso adicional; sin embargo, generalmente se requiere de rotación para
salirse del candado.
La sarta de perforación está aislada en el interior de la tubería de revestimiento,
del bombeo y la presión hidrostática generada mientras se cementa. Se debe tener
cuidado de no generar presiones diferenciales que pueden exceder la resistencia de
colapso de la tubería revestidora, para lo cual debe aplicarse presión al interior del
revestidor mediante el uso de una cabeza de empacamiento.
Beneficios para el equipo de Stab-in:
- Principalmente se reduce el volumen y tiempo de desplazamiento.
- Evita el derrame de lechada en exceso durante el desplazamiento
- Reduce el tiempo de operación de la cementación.
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- Ocurre menor contaminación debido al área reducida y régimen turbulento en
la tubería de perforación.
Centradores
Una de las grandes necesidades de la tecnología de las cementaciones es el
centrado de las tuberías de revestimiento que se van a cementar, debido a la falta de
eficiencia en el desplazamiento del fluido de control obtenido cuando no se tiene un
centrado aceptable de las tuberías, respecto a la geometría del pozo. En tuberías no
centradas se presentan en áreas restringidas al flujo, que se conservan en estas bolsas
de lodo de alto grado de gelificación y con alto contenido de recortes. Cuando se
coloca la lechada de cemento en estas áreas, las bolsas de lodo no son removidas,
aunque el cemento en estas áreas, las bolsas de lodo no son removidas, aunque el
cemento viaje en régimen turbulento. Esto se manifiesta en la evaluación de las
cementaciones como canalizaciones de lodo en el cuerpo del cemento. La eficiencia
del desplazamiento es la relación del fluido que está en movimiento mientras se
circula, con respecto al volumen total de fluido en el pozo. Hay varios factores que
afectan la eficiencia del desplazamiento durante el proceso de la cementación
primaria.
Entre éstos se puede citar la falta de acondicionamiento del pozo y del fluido de
control, el acondicionamiento de la lechada y de el frente lavador y espaciador,
tendientes a entrar en turbulencia a gastos de bombeo bajos o moderados, debido a
que en turbulencia se efectúa un barrido más eficiente del lodo durante el proceso de
colocación del cemento en el anular, y si no se logra la turbulencia a gastos
moderados, mejorar la eficiencia de colocación.
En loa agujeros direccionales y horizontales el centrado de la sarta se torna más
crítico debido a que, por efecto de la gravedad, la tubería tiende a recargarse en la
parte baja del agujero y si no se cuenta con equipo eficiente de centrado, la calidad de
la cementación será baja, hasta llegar a los coples. En estos pozos deben emplearse
centradores sólidos que soporten perfectamente bien el peso de la tubería, sin
deformaciones ni cambio de posición, los centradores sólidos van integrados a la sarta
de la tubería de revestimiento y no restringen el área de flujo anular. Por otra parte,
propician una distribución apropiada de la lechada alrededor de la tubería, sobre todo
en las zonas de interés.
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No debe perderse de vista que el costo de los centradores sólidos es alto, por lo
que se recomienda su aplicación al centrado de la tubería en las zonas de interés.
Cabeza De Cementación.
Las cabezas de cementación son contenedores de acero de alta resistencia a la
presión interna y a la tensión, que albergan uno o los dos tapones inferior y superior,
un sistema mecánico o hidráulico para soltar los tapones durante la operación de
cementación, en el momento que se requiera, sin para la operación. Así no se da la
oportunidad a la construcción de desarrollo de la fuerza de gel en lodo, que afecta la
eficiencia de la remoción, pues este es el principal inconveniente del empleo de las
cabezas de un solo tapón, y por lo cual se desecharon.
Con la cabeza de doble tapón únicamente se suspende la operación un instante
para cambio de la línea de bombeo de la misma cabeza, lo cual no representa ningún
problema. El sistema de liberación en las cabezas de un solo tapón.
La cementación de etapa múltiple puede ser necesaria por una gran diversidad de
razones:
- Formaciones incapaces de soportar altas presiones hidrostáticas, ejercidas por
columnas largas de cemento.
- Zonas superiores que requieren ser cementadas con cemento de alta
densidad, alta resistencia compresiva y sin contaminación.
- Intervalos separados ampliamente, sin requerir cemento entre ellos.
La mayor parte de las razones para cementar por etapas se reducen al primer caso.
Actualmente no es rara la cementación de sartas largas corridas hasta la superficie
para proteger las tuberías de la corrosión. Alternamente, zonas de pérdida de
circulación pobremente taponadas, debajo de la zapata de la última tubería
cementada, a menudo requieren ser cubiertas con cemento hasta la superficie. La
cementación dedos etapas, con la cima de la primera etapa cubriendo las zonas
débiles, ofrece seguridad, pero implica el llenado completo del espacio anular
total.
Tres técnicas de cementación multietapa son comúnmente empleadas:
1. La cementación normal de dos etapas, en donde la cementación de cada etapa es
una operación separada y distinta.
2. La cementación continúa de dos etapas, con ambas etapas cementadas en una
sola operación continua.
3. La cementación de tres etapas, donde cada etapa es cementada como una operación
distinta.
El tiempo de ejecución de la cementación por etapas, incrementa el tiempo-
equipo. Como consecuencia de que en la mayoría de las cabezas de cementación no
se puede acomodar la precarga de los tapones y la secuencia operacional del bombeo
requerido, la cabeza de cementación debe ser abierta para liberar el torpedo,
asumiendo que el tapón de la primera etapa fue precargado. El tapón en
desplazamiento pudo ser cargado después de liberar el torpedo, pero la precaución
debe ser extrema con los tipos de tapones y su compatibilidad con la cabeza de
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cementar. El arreglo de los tapones debe ser siempre cuidadosamente verificado,
antes del trabajo de cementación, para asegurar la correcta instalación de los tapones
en la cabeza.
Los coples de cementación por etapas, están integrados por juegos de camisas
deslizables concéntricas, montadas en un mandril, con sellos seccionales mediante O’
Rings, lo cual torna al cople sensible a manejos inadecuados, sobre todo al enroscarlo
cuando se instala en la tubería de revestimiento que se va a cementar y para su
apriete, se sujeta con llaves de cadena sobre la sección de camisas deslizables.
Accesorios para tuberías cortas (liner)
Cople de retención anti-rotacional
Herramienta utilizada en combinación con un colgador hidráulico. Es considerado
como parte del equipo de flotación. Presenta una combinación de asientos para canica
de anclaje del colgador hidráulico y para el tapón limpiador. Su diseño anti-rotacional
facilita la operación de molienda. Todas sus partes son fabricadas con materiales
fácilmente perforables.
Cabeza De Cementación
Esta herramienta está diseñada para soportar grandes cargas de tensión provocadas
por el peso de la tubería de perforación y de la tubería de revestimiento corta. Aloja al
tapón desplazador en una cámara superior durante las operaciones de circulación-
acondicionamiento y mezclado de cemento.
También tiene unión giratoria para operaciones de rotación y reciprocación y un
sustituto para alojar la bola para operar colgadores hidráulicos y herramientas que así
lo requieran.
Colgador hidráulico de 6 cuñas
El diseño de este colgador es integral, o sea que es de un cuerpo sólido sin
soldaduras ni conexiones internas, con lo que se elimina la posibilidad de fugas. La
distribución de los conos en forma alternada otorgan el beneficio de una mayor área
de circulación en posición de anclado.
Se opera aplicando presión a la tubería de perforación, soltando una canica de
asentamiento que se deja gravitar hasta el asiento de la misma localizado en el cople
de retención.
Colgador hidráulico sencillo
El diseño de este colgador es integral, o sea que es de un cuerpo sólido sin
soldaduras ni conexiones internas, con lo que se elimina la posibilidad de fugas.
Permite un máximo de capacidades, tanto a presión interna como de carga. Está
disponible con conos sencillos (3). Su capacidad de carga depende de el grado y peso
de las tuberías que van a utilizarse. Por su diseño, el área de flujo permite efectuar las
operaciones de circulación y cementación sin problemas. Se opera aplicando presión
a la tubería de perforación, soltando una canica de asentamiento que se deja gravitar
hasta el asiento de la misma localizado en el cople de retención.
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Colgador mecánico con 6 cuñas “J” derecha
El diseño de este colgador es integral, ósea que es un cuerpo sólido sin
soldaduras ni conexiones internas, con lo que se elimina la posibilidad de fugas.
Permite un máximo de capacidades, tanto a presión interna como de carga. Este tipo
se recomienda para utilizarse en profundidades de medias a mayores; tiene un
sistema tipo “J” derecha para la operación de anclaje.
La distribución de los conos (6) en forma alterada otorgada el beneficio de una
mayor área de circulación en posición de anclado y da una capacidad de carga mucho
mayor que el sistema sencillo. Su capacidad depende de el grado y peso de las
tuberías que van a utilizarse.
Conjunto De Rimas
Este ensamble consiste de las siguientes piezas:
- Molino de cuchillas (blade mill):
Su función es conformar y biselar la boca del liner para evitar dañar a los sellos
del niple de sellos (Tie Back) al introducirlo en la extensión del cople soltador o
empacador de boca de la tubería de revestimiento corta. Se coloca en la parte superior
del ensamble, de tal manera que cuando la rima está limpiando en la parte inferior del
receptáculo, simultáneamente se está conformando la boca de la tubería.
- Sustituto de extensión:
Se coloca entre el Blade Mill y la rima; sirve para dar longitud adecuada entre los
dos.
- Rima:
Tiene la función de limpiar tanto de impurezas como residuos de cemento o
sólidos, que se encuentren dentro de la oca de la tubería de revestimiento corta. El
diámetro exterior es de 1/32” menor que el diámetro interior de la extensión y está
fabricada de un material de menor dureza que el de la extensión para no dañarla.
Cople flotador y de retención
En un equipo integral, esta herramienta es utilizada en combinación con un
colgador mecánico. El empleo de los coples flotadores y de retención es opcional y
son utilizados para proveer la seguridad de una válvula de contra presión extra. La
selección del cople flotador debe ser compatible con la zapata flotadora. Su diseño
anti-rotacional facilita la operación de molienda, y todas sus partes interiores son
fabricadas con materiales fácilmente perforables.
Cople flotador
La selección del equipo de flotación para un trabajo de tubería corta es mucho
más crítica para que una cementación de tubería convencional. Fallas en el equipo de
flotación pueden resultar en costosos trabajos de reparación. El empleo de los coples
flotadores es opcional y son utilizados para proveer la seguridad de una válvula de
contra presión extra. La selección del cople flotador debe ser compatible con la
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zapata flotadora. Se instala normalmente uno o dos tramos arriba de la zapata
flotadora; todas sus partes son fabricadas con materiales fácilmente perforables.
Cople Soltador Con Perfil Unidad De Sellos Recuperable
Herramienta que combina varas funciones:
1. Soltar la tubería corta después de haber operado el colgador.
2. Cuenta con una extensión o receptáculo para una futura extensión de tubería
3. Cuenta con un receso donde se alojará la unidad de sellos recuperable, para
formar un sello hermético y asegurar que la operación sea por la parte inferior
del sistema.
Cople Soltador Con Embrague Y Perfil Para Alojar Unidad De Sellos Recuperable
Herramienta que combina varias funciones:
1. Soltar la tubería de revestimiento después de haber operado el colgador. Presenta
una extensión o receptáculo para una futura extensión de tubería
2. Tiene un perfil especial, que en combinación con la herramienta soltadora
adecuada y soltadora y colgador hidráulico, permite que la tubería de
revestimiento corta pueda ser rotada durante su introducción, para alcanzar la
profundidad deseada. También se utiliza con un colgador mecánico “J” a la
derecha.
3. También se utiliza en combinación con otro tipo de herramienta soltadora y con
un colgador rotatorio, para rotar después de anclado el colgador.
Tiene un receso en donde se alojará la unidad de sellos recuperable, para formar
un sello hermético y asegurar que la operación se hará por la parte inferior del
sistema.
Tapón desplazador anti-rotacional
Diseñado para limpiar el interior de la tubería de perforación puede trabajar en
diferentes diámetro de la misma tubería sigue el cemento durante el desplazamiento,
lo separa del lodo y se aloja en el tapón limpiador; se ancla y se sella para formar
juntos un tapón solido su diseño anti-rotacional facilita la operación de molienda.
Tapón limpiador anti-rotacional
Diseñado para limpiar el interior de la tubería de revestimiento corta. Se instala en
el extremo inferior del aguijón pulido de la herramienta soltadora en su interior recibe
el tapón desplazador, que juntos forma un tapón solido que viaja por toda la tubería
de revestimiento limpia su interior y separa el cemento del lodo hasta alojarse en el
copie de retención, en donde forma un sella de contra-presión mientras termina de
fraguar el cemento. Su diseño anti-rotacional facilita la operación de molienda unidad
de sello recuperable provee de un sello positivo entre la herramienta soltadora y la
tubería de revestimiento corta durante las operaciones de circulación y de
cementación. Los sellos resisten alta temperatura y presiones deferenciales.
Este tipo de unidades se utilizan con coples soltadores con perfiles adecuados,
cuando se instalan la unidades recuperables, en el niple pulido los candados que tiene
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no permiten que se salgan de su posición, solo hasta que se levante el soltador al
terminar la operación de cementación ya que niple tiene un diámetro menor en su
parte inferior en donde los candados se liberan, permitiendo sacar la herramienta
Zapata flotadora con doble válvula
La selección del equipo de flotación para un trabajo de tubería de revestimiento
corta es mucho mas critica que para una cementación de tubería de revestimiento falla
en el equipo de flotación provocan costosos trabajos de reparación, la guía de la
zapata dirige a la tubería a través de la irregularidades del agujero y esta diseñada
para apoyarse en el fondo en caso de tener que asentar la tubería de revestimiento
corta en esas condiciones, pues se puede circular por sus orificios laterales.
Cuenta con dos válvulas de contrapresión, permitiendo una seguridad extra
durante las operaciones la parte inferior de la zapata cuenta con aletas para facilitar su
introducción, también se puede proporcionar sin ellas si así lo requieren las
condiciones del pozo. Todas su pares internas son fabricadas con materiales
fácilmente perforables.