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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE HUIMANGUILLO INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA

“CEMENTACIÓN DE POZOS” REALIZADO EN: INSTITUTO TECNOLÓGICO DE HUMANGUILLO CARRERA: INGENIERÍA PETROLERA ESPECIALIDAD: PERFORACION DIRECCIONAL PRESENTA: LORENA HERNANDEZ AGUILAR CECILIA MARQUEZ GARCIA CATEDRATICO ING. JOSÉ ALBERTO MÉNDEZ MONTIEL

HUIMANGUILLO, TABASCO, ABRIL DE 2018

Índice Introducción. ...................................................................................................................................... 1 Objetivo general ............................................................................................................................. 2 Objetivos específicos .................................................................................................................. 2 Capítulo I generalidades ..................................................................................................................... 3 1.1. Definición ................................................................................................................................ 3 1.2. Clasificación ............................................................................................................................ 4 1.2.1. Cementación primaria. ...................................................................................................... 4 1.2.2. Cementación secundarias correctivas o forzada. .............................................................. 4 1.2.3. Cementación Tapón. ......................................................................................................... 4 1.3. Objetivos de la cementación de pozos ..................................................................................... 7 1.3.1. Objetivo de Cementación Primaria. .................................................................................. 7 1.3.2. Objetivo de Cementación Secundaria. .............................................................................. 7 1.3.3. Objetivos de la cementación de tapones. .......................................................................... 7 Capítulo II. Cementación de tuberías y revestimiento. ...................................................................... 8 2.1. Cementación de las diferentes tuberías de revestimiento. ....................................................... 8 2.1.1. Cementación de tubería de revestimiento conductora. ..................................................... 9 2.1.2. Cementación de tubería de revestimiento superficial. ...................................................... 9 2.1.3. Cementación de tubería de revestimiento intermedia. .................................................... 10 2.1.4. Cementación de tubería de revestimiento de explotación............................................... 10 Capítulo III. Equipos para la cementación ....................................................................................... 11 3.1. Accesorios para tubería de revestimiento .............................................................................. 11 3.1.1. Zapatas. ........................................................................................................................... 12 3.1.2. Coples. ............................................................................................................................ 12 3.1.3. Tapones. .......................................................................................................................... 12 3.1.4. Centradores. .................................................................................................................... 12 i

3.1.5. Zapata guía. ..................................................................................................................... 12 3.1.6. Equipo de flotación.......................................................................................................... 13 3.1.7. Equipo de llenado automático. ........................................................................................ 14 3.1.8. Válvulas de charnela. ...................................................................................................... 15 3.1.9. La válvula de acción vertical o válvula de tapón. ............................................................. 16 3.1.10. Centradores. .................................................................................................................. 17 3.1.11. Cabeza de cementación. ................................................................................................ 18 3.2. Accesorios para tuberías cortas (liner) .................................................................................. 19 3.2.1. Cople de retención anti-rotacional. ................................................................................. 19 3.2.2. Cabeza de Cementación. ................................................................................................. 19 3.2.3. Cabeza de Cementación. ............................................................................................... 20 3.2.4. Colgador hidráulico con 6 cuñas..................................................................................... 20 3.2.5. Colgador hidráulico sencillo. .......................................................................................... 20 3.2.6. Colgador mecánico con 6 cuñas y "J" derecha. .............................................................. 21 3.2.7. Conjunto de rimas. .......................................................................................................... 22 3.2.8. Cople flotador y de retención. ......................................................................................... 22 3.2.9. Cople flotador. ................................................................................................................ 23 3.2.10. Cople soltador con perfil para alojar unidad de sellos recuperable. ............................. 23 3.2.11. Empacador para boca de tubería de revestimiento corta para Instalarse después de cementado ................................................................................................................................. 24 3.2.12. Herramienta para activar el empacador de BL. ............................................................ 25 3.2.13. Soltadora para colgadores y empacadores que no requieren conjunto de "perros. ....... 25 3.2.14. Herramienta soltadora para operar con un colgador mecánico o hidráulico rotando durante su introducción. ............................................................................................................ 26 3.2.15. Tapón desplazador anti-rotacional. ............................................................................... 26 3.2.16. Tapón limpiador anti-rotacional. .................................................................................. 26 ii

3.2.17. Unidad de sellosrecuperable. ........................................................................................ 27 3.2.18. Zapata flotadora con doble válvula. ............................................................................... 27 3.2.19. Unidades cementadoras. ............................................................................................... 28 Capítulo VI. Aditivos de cementación ............................................................................................. 29 4.1. Aditivos ................................................................................................................................. 29 4.2. Factores que afectan el diseño de una lechada ...................................................................... 31 4.2.1. El rendimiento. ................................................................................................................ 31 4.2.2. La densidad. .................................................................................................................... 31 4.2.3. Tiempo de bombeo. ........................................................................................................ 32 4.2.4. Temperatura. ................................................................................................................... 32 4.2.5. La resistencia a la compresión. ....................................................................................... 32 4.2.6. El agua para mezcla. ....................................................................................................... 32 4.2.7. El filtrado. ....................................................................................................................... 33 4.2.8. El lodo de perforación. .................................................................................................... 33 Capítulo V. Pruebas de laboratorio para cementación ..................................................................... 34 5.1. Definiciones ........................................................................................................................... 34 5.2. Prueba de tiempo de bombeo................................................................................................. 35 5.3. Prueba de esfuerzo compresivo. ............................................................................................ 35 5.4. Suspensión de sólidos y esfuerzo estático de gel. ................................................................. 35 5.5. Prueba de pérdida de fluido ................................................................................................... 36 5.6. Ejemplo de prueba de un sistema lavador ............................................................................. 36 Capítulo VI. Ejercicios de aplicación de cementación ..................................................................... 39 6.1. Ejecución de la cementación. ................................................................................................ 39 6.2. Información para la operación de cementación ..................................................................... 40 6.3. Ejemplos de ejercicios de aplicación de cementación ........................................................... 41

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Conclusión........................................................................................................................................ 45 Bibliografía....................................................................................................................................... 46

Índice de figuras Figura 1. Colocación de tapón de cemento por columnas balanceadas. ............................................ 5 Figura 2. Colocación de tapón de cemento con cubeta de vaciado. ................................................... 6 Figura 3. Programa de entubación habitual. ....................................................................................... 8 Figura 4. Tuberías Superficiales......................................................................................................... 9 Figura 5. Tubería Intermedia. ........................................................................................................... 10 Figura 6. Equipos para la cementación. ........................................................................................... 11 Figura 7. Zapata guía. ....................................................................................................................... 13 Figura 8. Equipo de flotación. .......................................................................................................... 14 Figura 9. Válvulas de acción vertical o válvula de tapón................................................................. 16 Figura 10. Centradores. .................................................................................................................... 17 Figura 11. Cabeza de cementación. .................................................................................................. 18 Figura 12. Cabeza de Cementación. ................................................................................................. 19 Figura 13. Colgador hidráulico con 6 cuñas. ................................................................................... 20 Figura 14. Colgador hidráulico sencillo y Colgador mecánico con 6 cuñas y "J" derecha.............. 21 Figura 15. Cople flotador y de retención.......................................................................................... 22 Figura 16. Cople flotador. ................................................................................................................ 23 Figura 17. Cople soltador con perfil para alojar unidad de sellos recuperable. ............................... 24 Figura 18. Empacador para boca de tubería de revestimiento corta para Instalarse después de cementado......................................................................................................................................... 24 Figura 19. Herramienta para activar el empacador de BL. .............................................................. 25 Figura 20. Herramienta soltadora para operar con un colgador mecánico o hidráulico rotando durante su introducción. ................................................................................................................... 25 Figura 21. Tapón desplazador anti-rotacional. ................................................................................. 26 Figura 22. Tapón limpiador anti-rotacional. .................................................................................... 26 Figura 23. Zapata flotadora con doble válvula. ................................................................................ 27 Figura 24. Unidades cementadoras. ................................................................................................. 28 iv

Figura 25. Aditivos de cementación. ................................................................................................ 30 Figura 26.Rendimiento según la Clase de Cemento. ....................................................................... 31 Figura 27. Función del tiempo de bombeo. ..................................................................................... 32 Figura 28.Ejemplo de prueba 1 ........................................................................................................ 36 Figura 29. Ejemplo de prueba 2. ...................................................................................................... 37 Figura 30. Ejemplo de prueba 3. ...................................................................................................... 37 Figura 31. Lectura de prueba............................................................................................................ 38 Figura 32. Ejemplo de prueba 4. ...................................................................................................... 38 Figura 33. Operación de cementación habitual. ............................................................................... 41 Figura 34. Ejercicios de aplicación de cementación 1. .................................................................... 42 Figura 35. Ejercicios de aplicación de cementación 2. .................................................................... 43 Figura 36. Ejercicios de aplicación de cementación 3. .................................................................... 44

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Introducción. En la industria petrolera, una buena cementación en la construcción de los pozos petroleros juega un papel muy importante que va desde aislar las zonas de acuíferos, mantener fijas y estables cada una de las tuberías de revestimiento del pozo, proteger a la mismas tuberías de los fluidos presentes en la formación y formar un sello capaz de proteger la zona productiva de hidrocarburos. Para poder lograr un trabajo de cementación es importante tener una caracterización de la roca presente en la formación, además de la experiencia dejada por los trabajos de perforación. Algunos puntos importantes para lograr lo anterior es conocer las presiones que presenta la formación, tanto presiones anormalmente altas como subnormales (bajas), como también los gradientes de fractura y de poro de la misma formación. Dicha información ayuda en el diseño para el lodo de perforación y posteriormente en el tipo de lechada de cemento que será ocupado para cementar cada una de las tuberías empleadas en el pozo petrolero. Uno de los principales problemas que se llegan a presentar durante las operaciones de cementación es la pérdida de fluido durante la circulación en el proceso de bombeo de la lechada. La pérdida de fluido da como resultado un relleno insuficiente del espacio anular, lo anterior puede ser ocasionado por el tipo de formación que se está cementando ya que existen formaciones que presentan fracturas naturales o inducidas, formaciones cavernosas o vugulares y formaciones poco consolidadas, las cuales son susceptibles a una pérdida de la lechada de cemento. La presión hidrostática generada por la columna de la lechada de cemento es otro parámetro que puede dar origen a una pérdida del fluido, ya que la presión hidrostática está en función de la densidad del fluido y la profundidad se deben considerar al momento de diseñar la lechada de tal forma que ésta se encuentre dentro de los valores de gradiente de poro y gradiente de fractura, evitando que se presente así una pérdida de fluido, (Zaldívar, 2017).

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Objetivo general Fomentar en los estudiantes del instituto tecnológico de Huimanguillo de la carrera de ingeniería petrolera las teorías, principios y destreza técnica que les permita conocer la importancia del proceso de Cementación de Pozos Petroleros, además demostrarles cuáles son los desafíos que enfrenta actualmente la Industria Petrolera, la cuales los conlleva a la necesidad de aplicar una ingeniera de diseño de cementación que proporcione un sello anular estable durante la producción de Hidrocarburo. Objetivos específicos 

Construir conocimientos acerca de la cementación de pozos petroleros, con base en las guías que el docente proporciona.



Realizar investigaciones en fuentes diversas y confiables para reforzar lo aprendido en el aula y en un futuro próximo aplicarlo en el campo laboral.



Identificar los conceptos principales de la cementación de pozos petroleros y construir un ensayo acerca de lo aprendido

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Capítulo I generalidades 1.1. Definición Cementación de pozos es el proceso de colocar cemento en el espacio comprendido entre la tubería de revestimiento y la pared del pozo, con el fin de aislar perfectamente dicha zona e impedir la comunicación hidráulica entre las formaciones perforadas si se logra su objetivo, se obtiene un sello hidráulico entre la tubería y el cemento, entre el cemento y la formación y al mismo tiempo se previene la formación de canales con fluidos en el cuerpo de cemento sin un aislamiento pleno de las zonas en el agujero, el pozo nunca alcanzará su potencial de producción. Por ello, la cementación primaria es la operación de terminación más importante a realizar en un pozo una intervención remedial para reparar un trabajo de cementación defectuoso podría ocasionar un daño irreversible en la zona productora y con ello la posible pérdida de reservas, gastos de producción reducidos y producción diferida. Pueden surgir otros problemas, tales como limitaciones en los trabajos de estimulación, así como restringir las recuperaciones secundaria y terciaria en la zona de interés, (Acosta, 2012).

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1.2. Clasificación 1.2.1. Cementación primaria. La cementación primaria es el proceso de colocar cemento en el espacio anular, entre el revestimiento y las formaciones expuestas en el agujero, después de haber perforado hasta la profundidad de interés y antes de poner en producción por primera ocasión el pozo en cuestión. Desde sus principios en 1903, el objetivo principal de la cementación primaria siempre ha sido el proporcionar aislamiento entre las zonas diferentes del agujero; que contienen a los fluidos: aceite, gas y agua para evitar la entrada de gas y/o agua en la zona con aceite o bien prevenir la pérdida de producción de hidrocarburos hacia la superficie y/o formaciones vecinas. 1.2.2. Cementación secundarias correctivas o forzada. La cementación forzada se define como el proceso de forzar una lechada de cemento, bajo presión, a través de cavidades en el espacio anular. Un diseño adecuado del trabajo de cementación forzada, logra que el filtrado de cemento resultante obture los espacios entre el revestimiento y la formación. Dicho enjarre, una vez fraguado forma un sólido casi impenetrable La cementación forzada tiene muchas aplicaciones tanto en las etapas de perforación como en la terminación y reparación de pozos. Algunas de las más comunes son las siguientes: 

Reparar un trabajo de cementación primaria que fracasó debido a la canalización por la presencia de lodo de perforación o por altura del cemento insuficiente en el espacio anular.



Eliminar la intrusión de agua de alguna formación ajena a la roca productora.



Reducir la Relación Gas- Aceite en superficie (RGA) por el aislamiento de zonas de gas adyacentes al intervalo de aceite.



Reparar fugas en el revestimiento debido a la corrosión o grietas en la tubería.



Abandono de una zona depresionada o no productiva.



Taponar total o parcialmente una o más zonas en un pozo de inyección múltiple para dirigir la inyección hacia el intervalo deseado.



Sellar zonas de pérdida de circulación, (Alvarado, 2011).

1.2.3. Cementación Tapón. Existen comúnmente tres técnicas para la colocación de tapones. 

Técnica del tapón por columnas balanceadas



Técnica con cubeta de vaciado (Dump Bailer)



Técnica de doble tapón 4

1.2.3.1. Tapón por columnas balanceadas. La técnica más común es la colocación de tapones por columnas balanceadas. La tubería de perforación o de producción se baja hasta la profundidad deseada para la base del tapón. El volumen destinado para el espaciador o bache lavador es bombeado delante y detrás de la lechada para evitar cualquier contaminación del cemento por el lodo. La lechada se mezcla por baches para obtener mejor control de la densidad y de la reología.

Figura 1. Colocación de tapón de cemento por columnas balanceadas. Fuente: Alvarado, 2011.

1.2.3.2. Técnica con cubeta de vaciado (Dump Bailer). Esta técnica coloca el cemento bajando con línea de acero una cubeta de vaciado (Dump Bailer) conteniendo ésta el volumen específico de lechada de cemento. Este dispositivo contiene una válvula de descarga, generalmente de charnela que se coloca arriba del intervalo a taponar. Después de colocar el tapón retenedor el cual está compuesto principalmente de cuñas, un mandril tapón y el elemento sellante de hule, se coloca en la tubería de revestimiento para aislar la zona inferior mientras la sección superior se cementa. Entonces el cemento es descargado arriba del tapón retenedor. La ventaja de este método consiste en que la profundidad del tapón del cemento es fácilmente controlable y esto es relativamente barata. La principal desventaja es que la cantidad disponible de lechada se limita al volumen de la cubeta.

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Figura 2. Colocación de tapón de cemento con cubeta de vaciado. Fuente: Alvarado, 2011.

1.2.3.3. Técnica de doble tapón. Este método usa la herramienta especial para la colocación del tapón de cemento en el pozo a la profundidad calculada con máxima exactitud y mínima contaminación del cemento. El tapón de fondo se bombea delante de la lechada de cemento para limpiar la pared de la tubería de perforación y separar al lodo del cemento. El perno de seguridad en el dado del tapón se rompe cuando se incrementa la presión de bombeo y éste es bombeado hacia el fondo a través de una tubería de aluminio. El tapón superior es bombeado detrás de la lechada de cemento para separar del fluido desplazante, (Acosta, 2012)

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1.3. Objetivos de la cementación de pozos 1.3.1. Objetivo de Cementación Primaria. 

Sostener y adherirse a la tubería.



Restringir movimientos de fluidos.



Proteger la tubería contra la corrosión.



Proteger la tubería contra impactos originados por la perforación subsecuente.



Sellar zonas de pérdidas de circulación o zonas ladronas

1.3.2. Objetivo de Cementación Secundaria. 

Reparar trabajos de cementación primaria deficientes.



Reducir altas producciones de agua y/o gas.



Reparar filtraciones causadas por fallas del revestidor.



Abandonar zonas no productoras o agotadas.



Sellar zonas de pérdidas de circulación.



Proteger la migración de fluido hacia zonas productoras.

1.3.3. Objetivos de la cementación de tapones. 

Abandonar el pozo.



Desviar el pozo.



Curar pérdidas de circulación el pozo.



Sellar acuíferos.

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Capítulo II. Cementación de tuberías y revestimiento. 2.1. Cementación de las diferentes tuberías de revestimiento. El proceso de construcción de pozos habitualmente consiste en la instalación de varias tuberías de revestimiento, cada una de las cuales requiere una operación de cementación primaria especifica. A medida que el pozo se profundiza, el diámetro de cada tubería de revestimiento se va reduciendo. Es necesaria una serie de tuberías de revestimiento para perforar un pozo y para producir los hidrocarburos de manera satisfactoria. El diseño de tuberías de revestimiento depende de varios factores, entre los que destacan: 

Diámetro.



Profundidad.



Gradiente de presión de formación y fractura.

Las tuberías de revestimiento deben ser diseñadas para que sean capaces de resistir los procesos químicos así como los esfuerzos mecánicos a los que se verán sometidas dentro del pozo. Las tuberías de revestimiento se pueden clasificar en tuberías conductoras, superficial, intermedias y de explotación, el uso de cada una de ellas depende de la etapa en la que se esté perforando. Un arreglo común de tuberías en un pozo se muestra en la siguiente figura.

Figura 3. Programa de entubación habitual. Fuente: Acosta, 2012.

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2.1.1. Cementación de tubería de revestimiento conductora. La tubería de revestimiento guía (conductora) de gran diámetro protege las formaciones someras contra la contaminación ocasionada con el fluido de perforación y ayuda a prevenir los derrumbes que involucran las capas superficiales no consolidadas del terreno normalmente es la primera tubería de revestimiento en ser hincada también sirve como conducto para hacer circular el fluido de perforación hacia las presas. El revestimiento conductor permite la pronta instalación del preventor especial Diverter, para que las operaciones de perforación puedan ser iniciadas con plena seguridad. Esto es muy importante porque en algunos casos es común encontrar en formaciones someras la presencia de hidrocarburos (normalmente gas). En los casos en que se pretende perforar sobre el lecho marino, la tubería de revestimiento conductora no es cementada pero sí clavada, ya que las formaciones someras son mucho más débiles y suaves que en tierra, (Zaldívar, 2017). 2.1.2. Cementación de tubería de revestimiento superficial. La tubería de revestimiento de superficie posee un diámetro más pequeño, en comparación con la tubería conductora, este tipo de tubería de revestimiento es eficaz manteniendo la integridad del pozo y previniendo la contaminación del agua encontrada en los mantos acuíferos de los hidrocarburos, salmueras y fluido de perforación. Uno de los problemas que se presentan frecuentemente en la colocación de esta tubería es el bajo gradiente de fractura, por lo que hay que tener un buen diseño de lechada y evitar pérdida en la circulación durante la cementación. En la mayoría de los casos, el mayor requerimiento es soportar la tubería, por lo que se coloca una lechada extendida de menor densidad, seguida por una lechada de cemento puro con mayor resistencia para la zapata. Este tipo de tuberías son la base para la colocación del primer cabezal.

Figura 4. Tuberías Superficiales. Fuente: Zaldívar, 2017.

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2.1.3. Cementación de tubería de revestimiento intermedia. Las tuberías intermedias son necesarias para mantener la integridad del pozo al continuar con la perforación, estas sartas se emplean para cubrir zonas débiles que pueden ser fracturadas con densidades de lodos mayores, que son necesarias al ir incrementando la profundidad. Normalmente es la sección más larga de las tuberías en el pozo y van corridas hasta la superficie. Para acceder a la zona productiva, en ocasiones es necesario que se requieran múltiples sartas de tuberías de revestimiento intermedias. Debido a los distintos tipos de formaciones expuestas, el requerimiento de la cementación de estas tuberías puede variar considerablemente, por lo que se requiere de lechadas con mucho mejor desempeño que el empleado en tuberías superficiales. La cementación puede ser realizada con un solo diseño de lechada o con dos, si el pozo y el gradiente de fractura lo requieren. Sus rangos de diámetro varían de 6 5/8” a 13 3/8” y su profundidad de asentamiento va de 300 a 4600 m.

Figura 5. Tubería Intermedia. Fuente: Zaldívar, 2017.

2.1.4. Cementación de tubería de revestimiento de explotación. La tubería de revestimiento de explotación sirve para aislar las formaciones productoras de hidrocarburos. Siendo la última tubería de revestimiento en el pozo será sometida a las condiciones más críticas de presión y temperatura. El aislamiento eficiente de esta tubería nos permite efectuar apropiadamente tratamientos de estimulación necesarios para mejorar la producción del pozo en un futuro. Por lo que, la cementación de esta sarta de tubería es objeto de minuciosos estudios debido a la calidad exigida para así considerarse una operación exitosa, (Zaldívar, 2017). 10

Capítulo III. Equipos para la cementación 3.1. Accesorios para tubería de revestimiento Los accesorios normalmente empleados en las operaciones de cementación de las tuberías de revestimiento se presentan en la figura.

Figura 6. Equipos para la cementación. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.1.1. Zapatas. La parte inferior de la tubería de revestimiento es protegida por una zapata guía. 3.1.2. Coples. Un cople flotador o cople de auto llenado es colocado uno o dos tramos de tubería arriba de la zapata para proporcionar, entre otras funciones, un asiento para los tapones de cementación y parar finalizar el trabajo de colocación del cemento, cuando llega a este lugar el tapón de desplazamiento. La sección corta de 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. 3.1.3. Tapones. Los tapones actúan como barreras de separación entre las lechadas de cemento, y entre el fluido de perforación y fluidos de desplazamiento. 3.1.4. 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. 3.1.5. Zapata guía. Es la forma básica de zapata para tubería de revestimiento, no contienen válvulas de contra presión ni mecanismos de control de flujo y es usada para proteger las aristas de la parte inferior de la tubería. La mayor parte de los tipos de zapata guía contienen una nariz redondeada para guiar la tubería a través de desviaciones y restricciones del agujero. Sin embargo, el modelo de zapata guía "regular" no tiene una nariz redondeada por lo que no se recomienda su empleo en agujeros desviados. Esta zapata regular simplemente sirve para reforzar la arista más baja de la tubería de revestimiento debido a su construcción con espesor de pared mayor y proporciona un bisel interno para guía de subsecuentes herramientas de perforación, corridas dentro de la tubería de revestimiento. En la figura se muestran varios tipos de zapatas guía, las cuales incluyen diferentes perfiles y orificios de salida. La nariz y los componentes internos son construidos en material molible como son el cemento y el aluminio. El cuerpo generalmente es construido del mismo 12

acero que los coples de la tubería de revestimiento, típicamente K-55 o N-80. La nariz de la zapata de aluminio incluye guías helicoidales, las que inducen una acción de turbulencia que sirve para

Figura 7. Zapata guía. Fuente: Álvarez et al., 2014.

limpiar y levantar los recortes alrededor de la zapata, con lo cual se mejora la colocación de la lechada de cemento.

Las zapatas con orificios laterales de flujo permiten una acción secundaria, para que la tubería pueda ser sentada en el fondo mientras se cementa. Los orificios laterales pueden también mejorar la remoción y lavado cuando es necesario circular para evitar pegaduras de la sarta. Las zapatas guía son generalmente usadas en profundidades someras o moderadas combinadas con un cople flotador o uno de auto llenado. Éstas son generalmente colocadas debajo del cople de auto llenado, debido a su gran espacio interior que permite el paso de componentes de los coples de auto llenado, al convertirlos a sistema de válvula de contrapresión, (Álvarez, Barranco, Alias, Martínez, & Olvera, 2014). 3.1.6. 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 un equipo de flotación, reduce estos esfuerzos y fatigas, aprovechando el efecto de flotación aplicado a la tubería. 13

El equipo de flotación consiste de zapatas y coples especiales con válvulas de contrapresión que impiden la entrada de los fluidos del pozo. Conforme la tubería es bajada, la carga al gancho es reducida en la misma magnitud dada por el peso del fluido desplazado por la sarta. La tubería es llenada desde la superficie y se controla su peso monitoreándolo en un indicador en donde se observa el peso sobre la polea viajera. La secuencia del llenado es generalmente cada 5 a 10 tubos, sin embargo, algunas tuberías con diámetros mayores o tuberías con pared delgada pueden requerir un llenado más frecuente para impedir el colapso de la tubería. Además para un llenado apropiado, 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; sin embargo, para optimar las

Figura 8. Equipo de flotación. Fuente: Álvarez et al., 2014.

condiciones del agujero y del lodo para efectos de la cementación, algunos programas de perforación requieren circular el volumen indicado, (Álvarez et al., 2014). El principal objetivo de un trabajo de cementación primaria es proporcionar un aislamiento completo y permanente a las zonas permeables localizadas atrás de la tubería de revestimiento. Para lograr este objetivo el lodo de perforación y los frentes de lavado y espaciador deben ser completamente removidos del anular y el espacio anular debe ser entonces llenado completamente con la lechada de cemento. 3.1.7. 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 a una 14

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 del 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 de flujo anular y la resistencia interna al flujo de la válvula. Esta condición es más probable que ocurra en condiciones de agujero esbelto, o cuando los agujeros presentan cavidades puenteadas y restricciones al flujo en el anular. Para remover o para desprender materiales adheridos, la válvula permite la circulación en cualquier dirección. 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 para controlar la carga al 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. 3.1.8. Válvulas de charnela. 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 de revestimiento, permitiendo que caiga libremente, mientras se conectan e introducen los últimos cinco tramos de tubería de revestimiento. La velocidad de caída libre se estima en 61 m/min. 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 apropiadamente situada, 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 el empleo de la bola. Esta opción es de mayor aplicación 15

cuando la desviación del agujero es superior de 30, debido a que se presenta la dificultad de posicionar la bola apropiadamente, (Álvarez et al., 2014). 3.1.9. La válvula de acción vertical o válvula de tapón. El resorte de carga que actúa sobre el tapón para sostenerlo en posición de abierto y permitir el llenado de la TR. El tapón es liberado para impedir el flujo en sentido inverso, y establecer un mínimo de gasto a través de la válvula. El gasto mínimo está generalmente entre 4 y 8 bl/min. 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.

Figura 9. Válvulas de acción vertical o válvula de tapón. Fuente: Álvarez et al., 2014.

El equipo de auto llenado es recomendado, cuando la carga al 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 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 ser evitados para evitar la conversión prematura de la válvula.

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3.1.10. Centradores. Una de las grandes necesidades en 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 áreas restringidas al flujo, que se conservan en es- tas 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 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 del 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, (Álvarez et al., 2014).

Figura 10. Centradores. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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En los 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 del anular. Por otra parte, propician una distribución apropiada de la lechada alrededor de la tubería, sobre todo en las zonas de interés. 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, (Álvarez et al., 2014). 3.1.11. 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 inferiores y superior, un sistema mecánico o hidráulico para soltar los tapones durante la operación de cementación, en el momento que se requiera, sin parar la operación. Así no se da oportunidad a la construcción de desarrollo de la fuerza de gel en el lodo, que afecta la eficiencia de la remoción, pues éste 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 la cabeza de doble tapón es el mismo que en las cabezas de un solo tapón

Figura 11. Cabeza de cementación. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.2. Accesorios para tuberías cortas (liner) 3.2.1. 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 interiores son fabricadas con materiales fácilmente perforables. 3.2.2. 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 TR corta. Aloja al tapón desplazador en una cámara superior durante las operaciones de circulación acondicionamiento y mezclado de cemento. También tiene una 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. Están disponibles en diferentes medidas como 3 1/2" IF, 4 1/2", IF 6 5/8".

Figura 12. Cabeza de Cementación. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.2.3. 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 TR corta. Aloja al tapón desplazador en una cámara superior durante las operaciones de circulación acondicionamiento y mezclado de cemento. También tiene una 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. Están disponibles en diferentes medidas como 3 1/2" IF, 4 1/2", IF 6 5/8". 3.2.4. Colgador hidráulico con 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. Permite un máximo de capacidades, tanto a presión interna como de carga.

Figura 13. Colgador hidráulico con 6 cuñas. Fuente: Álvarez et al., 2014.

3.2.5. 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.

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Está disponible con conos sencillos. Su capacidad de carga depende del 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, (Álvarez et al., 2014). 3.2.6. Colgador mecánico con 6 cuñas y "J" derecha. 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. 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 alternada otorga 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 del grado y peso de las tuberías que van a utilizarse. Se opera con vueltas a la derecha, evitando de esta manera problemas de desconexión. Se encuentra disponible en diámetros API, y especiales también, en los grados y pesos que se requieran.

Figura 14. Colgador hidráulico sencillo y Colgador mecánico con 6 cuñas y "J" derecha. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.2.7. Conjunto de rimas. Este ensamble consiste de las siguientes piezas: Molino de cuchillas (BladeMill): Su función es conformar y biselar la boca de 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 TR 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 BladeMill y la rima; sirve para dar la longitud adecuada entre los dos. Rima: Tiene la función de limpiar tanto de impurezas como de residuos de cemento o sólidos, que se encuentren dentro de la boca de la TR 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. 3.2.8. 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.

Figura 15. Cople flotador y de retención. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.2.9. Cople flotador. La selección del equipo de flotación para un trabajo de tubería corta es mucho más crítica que para 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, (Álvarez et al., 2014). La selección del cople flotador debe ser compatible con la zapata flotadora se instala normalmente uno o dos tramos arriba de la zapata flotadora todas sus partes internas son fabricadas con materiales fácilmente perforables.

Figura 16. Cople flotador. Fuente: Álvarez et al., 2014.

3.2.10. Cople soltador con perfil para alojar unidad de sellos recuperable. Herramienta que combina varias funciones: 1. Soltar la tubería corta después de haber operado el colgador. 2. Cuenta con una extensión o receptáculo (puede ser de 3', 6', 10' o más de longitud) para una futura extensión de la tubería.

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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.

Figura 17. Cople soltador con perfil para alojar unidad de sellos recuperable. Fuente: Álvarez et al., 2014.

3.2.11. Empacador para boca de tubería de revestimiento corta para Instalarse después de cementado El empacador se corre después que la TR ha sido asentada o colocada en su posición, para permitir el máximo flujo anular durante la cementación este empacador se aloja y sella con los sellos chevron en el receptáculo previamente instalado la unidad de sellos actúa contra la TR, aislando la boca de la TR corta y reteniendo altas presiones tanto por arriba como por abajo se encuentra disponible en diámetros API, y especiales también, en los grados y pesos que se requieran, (Álvarez et al., 2014).

Figura 18. Empacador para boca de tubería de revestimiento corta para Instalarse después de cementado. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.2.12. Herramienta para activar el empacador de BL. Se utiliza cuando se baja un empacador de BL operado con peso, se puede usar en combinación con varias herramientas soltadoras, durante la introducción de la TR corta, esta herramienta va dentro de la extensión del empacador de BL, después de la cementación de la tubería, se levanta para que salgan los "perros" los cuales se posicionan en la parte superior del empacador para aplicar peso y activar el empacador.

Figura 19. Herramienta para activar el empacador de BL. Fuente: Álvarez et al., 2014.

3.2.13. Soltadora para colgadores y empacadores que no requieren conjunto de "perros. Es utilizada para correr y operar colgadores y empacadores de boca de TR corta que no requieren del conjunto de perros. La herramienta

completa consiste de un

vástago,

canasta

protectora y niple de extensión pulido.

Figura 20. Herramienta soltadora para operar con un colgador mecánico o hidráulico rotando durante su introducción. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.2.14.

Herramienta soltadora para operar con un colgador mecánico o hidráulico

rotando durante su introducción. Está diseñada para operar un colgador mecánico con "J" derecha, o bien para rotar una TR corta durante su introducción, cuando se utiliza un colgador hidráulico. 3.2.15. Tapón desplazador anti-rotacional. Diseñado para limpiar el interior de la tubería de perforación; puede trabajar en diferentes diámetros de la misma tubería. Sigue al 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 sólido. Su diseño antirotacional facilita la operación de molienda.

Figura 21. Tapón desplazador antirotacional. Fuente: Álvarez et al., 2014.

3.2.16. 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 forman un tapón sólido que viaja por toda la TR, limpia su interior y separa al cemento del lodo, hasta alojarse en el cople de retención, en donde forma un sello de contrapresión mientras termina de fraguar el cemento, (Álvarez et al., 2014).

Figura 22. Tapón limpiador anti-rotacional. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.2.17. Unidad de sellosrecuperable. Provee de un sello positivo entre la herramienta soltadora y la TR corta durante las operaciones de circulación y de cementación. Los sellos resisten altas temperaturas y presiones diferenciales. Este tipo de unidades se utiliza con coples soltadores con perfiles adecuados. Cuando se instalan las unidades recuperables, en el niple pulido los candados que tiene no permiten que se salga de su posición, sólo hasta que se levante el soltador al terminar la operación de cementación ya que el niple tiene un diámetro menor en su parte inferior en donde los candados se liberan, permitiendo sacar la herramienta. 3.2.18. Zapata flotadora con doble válvula. La selección del equipo de flotación para un trabajo de TR corta es mucho más crítica que para una cementación de tubería de revestimiento. Fallas en el equipo de flotación provocan costosos trabajos de reparación. La guía de la zapata dirige a la tubería a través de las irregularidades del agujero y está diseñada para apoyarse en el fondo en caso de tener que asentar la TR 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.

Figura 23. Zapata flotadora con doble válvula. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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3.2.19. Unidades cementadoras. Los sistemas de mezclado por volumen y el de medición de aditivos líquidos han sido diseñados para resolver los problemas de proporción encontrados con los materiales de cementación, (Álvarez et al., 2014).

Figura 24. Unidades cementadoras. Fuente: Álvarez et al., 2014.

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Capítulo VI. Aditivos de cementación 4.1. Aditivos Existen ocho clases de aditivos que se ocupan para modificar las propiedades de la lechada del cemento se mencionarán de manera general con algunas de sus funciones. 1. Aceleradores 

Disminuyen el tiempo de bombeo de la lechada.



Aceleran el proceso de fraguado.



Compensan el efecto retardador de otros aditivos (Controladores de filtrado, dispersantes, etc.).



Modifican la estructura del gel C-S-H (Hidrato de Silicato de Calcio) y aumentan la hidratación.

2. Retardadores 

Incrementan el tiempo de fraguado.



Inhibir la hidratación.

3. Extendedores 

Incrementan el rendimiento del cemento.



Reducen la densidad.

4. Densificacntes 

Aumentan la densidad de la lechada.

5. Dispersantes 

Reducen la viscosidad y el punto de cedencia de la lechada.



Reducen la presión de fricción.



Modifican el régimen de flujo.



Mejoran la eficiencia de los controladores de filtrado.



Reducen el contenido de agua.

6. Controlador de filtrado 

Controla la pérdida de la fase acuosa hacia la formación. 29

7. Controlador de pérdida de circulación 

Cementación de Pozos Petroleros en AP



Controla la pérdida de la lechada de cemento hacia formaciones débiles o fracturadas.

8. Aditivos especiales a) Antiespumantes 

Previenen o eliminan la espuma.



Previenen la cavitación.



Mantienen la densidad de la lechada bombeada al pozo.

b) Anti-sedimentación 

Aseguran un valor mínimo del punto de cedencia (previenen la sedimentación de los sólidos), (Albarrán & Hernández, 2012).

Figura 25. Aditivos de cementación. Fuente: Albarrán & Hernández, 2012.

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4.2. Factores que afectan el diseño de una lechada Características de la lechada. 

Rendimiento.



Densidad.



Tiempo de bombeo.



Control de filtrado.



Agua libre.



Aditivos.



Propiedades mecánicas.

4.2.1. El rendimiento. Se refiere al volumen total que rinde un saco de cemento al mezclarlo con el agua y sus aditivos y es función directa de la clase de cemento, la densidad y cantidad de aditivos que se le agreguen.

Figura 26.Rendimiento según la Clase de Cemento. Fuente: Albarrán & Hernández, 2012.

4.2.2. La densidad. Para determinar la densidad en una lechada se deben tomar en cuenta dos propiedades importantes de las formaciones perforadas: La presión de poro y la presión de fractura. Siempre se deberá diseñar con la máxima densidad permisible por la presión de fractura, ya que nos proporcionara una mayor resistencia compresiva en el cemento.

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4.2.3. Tiempo de bombeo. Es el tiempo en que la lechada puede ser bombeada utilizando presiones razonables y es el factor más importante que interviene en el desplazamiento del cemento y su colocación en el espacio anular. Para obtener el tiempo de bombeo se considera.

Figura 27. Función del tiempo de bombeo. Fuente: Albarrán & Hernández, 2012.

4.2.4. Temperatura. La temperatura juega un papel muy importante y decisivo en el diseño de una cementación, ya que una diferencia de 2 o 3 grados pueden ser suficientes para que el tiempo de bombeo se reduzca en forma considerable o que el cemento no fragüe. Temperatura estática.- Es la temperatura debida al gradiente geotérmico. Temperatura circulante.- Esta temperatura depende de la velocidad de circulación. 4.2.5. La resistencia a la compresión. El cemento fraguado deberá desarrollar una resistencia a la compresión para sostener la T.R. y soportar las presiones diferenciales que se desarrollan. Generalmente se recomienda una resistencia a la compresión de 105 a 175 [kg/cm2] en 24 hrs. En la actualidad se han desarrollado cementos con alta resistencia compresiva. Esta característica mucho depende de la densidad, (Albarrán & Hernández, 2012). 4.2.6. El agua para mezcla. Las características del agua usada para preparar la mezcla ó lechada de cemento, contiene sales minerales cuya influencia sobre el tiempo de bombeo y la resistencia a la compresión del cemento

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es directa, razón por la cual se recomienda que las pruebas de tiempo de bombeo se realicen con el agua que se utilizará para mezclar el cemento evitando con esto fraguados prematuros. 4.2.7. El filtrado. El filtrado es la pérdida de agua de la lechada hacia la formación, a medida que la lechada pierde agua la densidad y la viscosidad se incrementan disminuyendo el tiempo de bombeo. El cemento sin aditivos pierde agua en exceso razón por la cual es indispensable el uso de controladores de filtrado para asegurar una buena cementación. El cemento sin aditivos pierde 1000 [cm3/30 min]. En TR´S superficiales e intermedias se recomienda filtrados de 200 [cm3/30 min]. En complementos de 500 [cm3/30 min]. En liners de 50 [cm3/30 min]. Para evitar canalizaciones de gas 20 [cm3/30min]. 4.2.8. El lodo de perforación. El conocimiento de las propiedades del fluido de control utilizado para la cementación es importante para evitar la contaminación del cemento, determinar el régimen de flujo para el desplazamiento y determinar la densidad óptima del cemento, (Albarrán & Hernández, 2012). Tipo de lodo (base agua o base aceite). Densidad. Viscosidad y punto de cedencia (Vp / Yp). Filtrado.

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Capítulo V. Pruebas de laboratorio para cementación 5.1. Definiciones Las siguientes definiciones aplican para esta sección: Compatible: Capaz de formar una mezcla que no experimenta reacciones químicas o físicas indeseables. Preflujo: fluido usado para separar lodos de perforación y lechadas de cementos. Un preflujo puede ser designado para usarse con cualquier tipo de lodo de perforación, ya sea base agua ó aceite, y deja preparada la tubería y la formación para efectuar la operación de cementación. Generalmente a los preflujos no se los incrementa la densidad con agentes sólidos densificantes e insolubles. A los preflujos también se los conoce como lavadores. Los siguientes procedimientos de prueba son los mismos para preflujos y espaciadores, por lo tanto, el término espaciador será usado para referirse a ambos fluidos También de relevante importancia, es saber si el fluido espaciador es ó no compatible con el lodo y el cemento. Cuando se seleccione el tipo de espaciador requerido, se deberán considerar factores como: tratamiento químico de1 lodo, tipo de lodo, base aceite ó base agua, carga iónica del emulsificante y los aditivos químicos, para asegurar compatibilidad entre el lodo y el cemento. Como la tubería de revestimiento y la formación deberán estar mojadas por agua, para facilitar la adherencia del cemento, el sistema específico del lodo deberá probarse con los sistemas del posible fluido espaciador, hasta encontrar uno que sea compatible. Durante la realización de estas pruebas, pudiera encontrarse un surfactante ó una combinación de surfactantes que deje mojada por agua, para facilitar la compatibilidad del fluido espaciador con el lodo base aceite, considerándose esto, un éxito en la operación. Si no se llegase a cumplir, se deberá bombear entre el lodo y el cemento un bache de fluido oleoso; sería ideal que este fluido oleoso pudiera prepararse con la densidad del lodo, pero esto no es siempre posible debido a las bajas viscosidades de algunos de los aceites de baja toxicidad. Si se utiliza el método anterior, los siguientes pasos pueden ser una guía típica de bombeo: a) Lodo. b) 20 bl. de fluido oleoso. c) 50 bl. de fluido espaciador. d) Primera parte de la lechada de cemento. e) Parte final de la lechada de cemento. 34

f) Lodo. La única precaución que recomendada es la de realizar en el campo una prueba de agitado de botella; si la prueba resulta compatible con la del laboratorio, se sigue adelante con la operación; en caso contrario, deberá bombearse un fluido compatible base aceite adelante del fluido espaciador. 5.2. Prueba de tiempo de bombeo. Las pruebas de tiempo bombeable deberán ser corridas a mezclas de cemento /espaciador. Las relaciones porcentuales recomendadas son 95/5 y 75/25. La prueba de tiempo bombeable deberá desarrollarse de acuerdo a la sección 9 de las normas API 10-B. Se pueden hacer pruebas a discreción de acuerdo a las siguientes mezclas: cemento / lodo, espaciador / lodo y cemento / lodo/ espaciador. 5.3. Prueba de esfuerzo compresivo. La prueba de esfuerzo compresivo deberá correrse a mezclas de cemento/espaciador. Las relaciones recomendadas son 95 / 5 y 75 / 25. El esfuerzo compresivo deberá realizarse según lo establecido en las secciones 7 y 8. Para hacer pruebas a discreción se pueden realizar mezclas de cemento/lodo y cemento/lodo/espaciador. 5.4. Suspensión de sólidos y esfuerzo estático de gel. Este procedimiento está diseñado para investigar el comportamiento de las mezclas de fluidos durante y después de la colocación de la lechada de cemento. Iniciar la prueba de espaciamiento con la mezcla seleccionada en la Sección 7 de las normas API-10B. Cuando el tiempo especificado de calentamiento ha sido alcanzado, se debe leer la consistencia en Bc y entonces cesar la agitación. Después de transcurrido un tiempo de 10 minutos, reiniciar la agitación y observar por algún momento el desarrollo de esfuerzo de gel ó sólidos asentados, indicado por una deflexión máxima en la consistencia en el momento de reiniciar la agitación. Continuar agitando la lechada de cemento hasta alcanzar la mitad del tiempo bombeable obtenido en la prueba correspondiente. Leer la consistencia en Bc y cesar la agitación. Después de transcurrido un tiempo de 10 minutos, reiniciar la agitación mientras se observa por un momento el desarrollo del esfuerzo de gel o sólidos precipitados. Este ciclo puede repetirse tan frecuente como se desee, (Pacheco & Guerra, 2012).

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5.5. Prueba de pérdida de fluido La prueba de pérdida de fluido deberá ser corrida a mezclas de cemento/espaciador. Las relaciones porcentuales recomendadas son 95/5 y 75/25. La pérdida de fluido deberá realizarse de acuerdo a la Sección 10 de las normas API10B. Para hacer pruebas a discreción, estas se deberán correr a mezclas de cemento/lodo y cemento/lodo/espaciador. Referencias: API Recommended Practice 10B, Twenty-Second Edition, December 1997, Pagina 118-120, Sección 16 Global Laboratorio Best Practices, Procedimiento No. WM-GL-HES-QM-434.080, Vol. 4, Sección 3, Parte 4 Pág. 3 – 127. 5.6. Ejemplo de prueba de un sistema lavador A continuación se ilustra un ejemplo de pruebas de un sistema lavador,con la finalidad de verificar que funciona el sistema lavador utilizado para las operaciones de cementaciones forzadas y anillos, donde el lodo lleva un tiempo en condiciones estáticas, utilizamos un lodo de más de tres meses que se encontraba en el laboratorio. Las pruebas consistieron en realizar una mezcla del sistema lavador vs lodo , y lodo vs agua. El diseño del sistema lavador es el sig.: SEM 7

1.0 Gal/bbl

MUSOL A 0.5 Gal/bbl SURF. A 0.2 Gal/bbl

Figura 28.Ejemplo de prueba 1 Fuente: Pacheco & Guerra, 2012.

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La siguiente prueba fue derramar lodo por las paredes de un vaso de precipitado.

Figura 29. Ejemplo de prueba 2. Fuente: Pacheco & Guerra, 2012.

Y sobre la película de lodo vertimos una cantidad similar del sistema lavador, observándose poco arrastre de lodo, como se observa en la foto.

Figura 30. Ejemplo de prueba 3. Fuente: Pacheco & Guerra, 2012.

De igual manera se derramó lodo en el vaso de precipitado, pero en esta ocasión se utilizó agua para observar su arrastre.

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Figura 32. Ejemplo de prueba 4. Fuente: Pacheco & Guerra, 2012.

Figura 31. Lectura de prueba. Fuente: Pacheco & Guerra, 2012.

A manera de ver si existe mojabilidad se calibró el equipo con el sistema lavador, se mezclaron 50% de lodo y 50 % lavador. Y no se observó lectura, se mezcló agua y lodo y no se observó lectura. Conclusiones: el sistema lavador no es capaz de dejar mojadas las paredes para que ocurra una mejor adherencia del cemento, (Pacheco & Guerra, 2012).

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Capítulo VI. Ejercicios de aplicación de cementación 6.1. Ejecución de la cementación. El proceso de cementación de tuberías de revestimiento conlleva una importante cantidad de pasos, ya que la técnica a utilizar en una cementación debe ser seleccionada en función de las características e información de la formación expuesta en el agujero, además de las propiedades reológicas de la lechada, las propiedades as del cemento y sus aditivos, así como el equipo de cementación disponible. El diseño de una cementación debe permitir obtener lo siguiente: 

Un desplazamiento efectivo del lodo de perforación a través del espacio anular.



Una caída mínima de presión durante el desplazamiento de la lechada de cemento.

Como se mencionó, la operación de cementar una tubería de revestimiento consiste en una serie de pasos, los cuales se mencionan de forma breve a continuación y se logran observar de forma resumida en la Figura 6: 

Se deberá acondicionar el lodo de perforación, antes de introducir la tubería de revestimiento. Cuando el pozo lo permita, es recomendable bajar la densidad hasta que la presión hidrostática sea un poco mayor que la del yacimiento.



Antes de introducir la tubería, se deberá verificar su grado, espesor, tipo de rosca, diámetro externo e interno, peso y calibrarla interiormente, además de tener bien registrados los datos de sus medidas.



Una vez armada la tubería de revestimiento con todos sus accesorios y de haber defino cuántos tramos de tubería de revestimiento deberán introducirse al pozo. Se coloca la zapata en el primer tramo de la tubería que se va a introducir al pozo y en la parte superior de ésta o en el segundo tramo se deberá colocar el cople de flotación.



Con la tubería por cementar colocada en el fondo del agujero equipada con sus centradores, zapata, cople de flotación, etc. dentro del fluido de control y después de haber circulado 3 veces el volumen total de este fluido en el pozo, se colocan los tapones inferior (diafragma) y el superior (tapón duro) dentro de la cabeza de cementación y ésta a su vez se instala en la tubería de revestimiento.

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

Se bombea un bache lavador para limpiar el enjarre que dejo el lodo de perforación en el espacio anular y en la pared de la formación.



Enseguida se suelta el diafragma (tapón inferior) y se bombea por el interior de la tubería para cementar, seguido por la lechada de cemento diseñada especialmente para este tramo a cementar.



Una vez bombeado el volumen total de lechada, se suelta el tapón duro (tapón superior) y se desplaza hacia el espacio anular con un volumen igual a la capacidad de la tubería de revestimiento del fluido desplazante, hasta que el tapón de fondo asiente en el cople de flotación y posteriormente el tapón superior se coloque arriba del diafragma (tapón inferior). Con el aumento de la presión en el interior de la tubería de revestimiento y los volúmenes bombeados de cada uno de los fluidos utilizados, se determina que los dos tapones se hayan acoplado. Para entonces, el trabajo habrá concluido.



Se procura que la presión final sea mayor que la de desplazamiento, para estar seguro que no quedó cemento dentro de la tubería y coincida con el tiempo calculado para desplazar el segundo tapón.

En todos los trabajos de cementación, es necesario calcular volúmenes y presiones, tales como: 

Volumen de cemento requerido.



Volumen de agua necesario para la lechada de cemento.



Volumen de aditivos.



Presión mínima requerida para desplazar el tapón solido hasta el equipo de flotación.



Presión y volumen final de la lechada de amarre.



La presión hidrostática en el espacio anular.

6.2. Información para la operación de cementación Es importante contar con los datos del estado mecánico del pozo, tales como diámetro de agujero descubierto, profundidad, desviación, diámetro, peso, y grado de la TR a cementar y de la TR anterior, así como también contar con el número de centradores que se van a utilizar. De igual forma con los datos de la formación: temperatura de fondo estática y circulante, tipo de formación, presión de poro y presión de fractura. Es recomendable tener bien localizadas las zonas susceptibles a presentar una pérdida de la lechada de cemento y así poder tomar decisiones con respecto a la densidad que tendrá dicha lechada. 40

También los datos de fluidos involucrados en la cementación: es indispensable conocer el tipo, reología, y densidad del lodo de perforación, de la lechada de cemento, y de los fluidos lavadores y espaciadores. Se recomienda efectuar pruebas de compatibilidad

cemento-lodo, lodo-fluido

espaciador, y fluido espaciador-cemento, para evitar reacciones indeseables entre los fluidos. (Zaldívar, 2017).

Figura 33. Operación de cementación habitual. Fuente: Zaldívar, 2017.

6.3. Ejemplos de ejercicios de aplicación de cementación Calcular las toneladas de cemento y agua que se requieren para crear una lechada que nos sirva para cementar una TR (según figura), así como el tiempo necesario para su bombeo y su desplazamiento.

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Figura 34. Ejercicios de aplicación de cementación 1. Fuente: Universidad americana, Laboratorio de Lodos y Cementos.

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Figura 35. Ejercicios de aplicación de cementación 2. Fuente: Universidad americana, Laboratorio de Lodos y Cementos.

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Figura 36. Ejercicios de aplicación de cementación 3. Fuente: Universidad americana, Laboratorio de Lodos y Cementos.

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Conclusión La cementación de un pozo es sin duda una de las partes clave para el correcto funcionamiento del mismo, ya que esta nos permite mantener la hermeticidad que debe existir entre el pozo con las paredes de la formación, evitando así cualquier tipo de comunicación con los fluidos presentes en la formación hacia el interior del pozo o viceversa, consiguiendo así una adecuada explotación de los hidrocarburos presentes en el yacimiento, Por lo que un mal diseño en la cementación del pozo solo propiciara que esté presente problemas en etapas posteriores de su desarrollo o dificultades a futuro en la producción del hidrocarburo, resultando en pérdidas económicas en su reparación o hasta la pérdida total del pozo. En cuanto al correcto diseño y oportuna selección de los fluidos de control, nos permitirá un desarrollo óptimo en cada una de las etapas que se llevarán a cabo en la construcción del pozo productor. Si trabajamos con el fluido correcto con sus propiedades físicas y químicas adecuadas, podremos evitar cualquier posible daño o dificultad que se genere en la formación. Al mismo tiempo protegemos la integridad y la vida productiva del pozo, así como del equipo, herramientas e instalaciones involucradas en el desarrollo y explotación del mismo, (Álvarez et al., 2014).

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Bibliografía Acosta, G. G. (2012). Hidráulica de la cementación espumada en zonas depresionadas y con bajo gradiente de fractura como las formaciones del cretácico. Ciudad Universitaria, México D.F : UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MEXICO DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO . Albarrán, F. D., & Hernández, S. L. (2012). Cementación de pozos petroleros en aguas profundas. Ciudad universitaria MÉXICO, DF: UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MEXICO. Alvarado, V. R. (2011). Procedimiento para la evaluación integral de cementaciones de pozos mediante herramientas acústicas. Ciudad Universitaria, México D.F: UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. Álvarez, L. C., Barranco, P. J., Alias, A. A., Martínez, E. N., & Olvera, B. D. (2014). Procesos de cementación y fluidos de control en la etapa de terminación de pozos. MÉXICO, DF: INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA. Pacheco, J. A., & Guerra, G. O. (2012). Factores que determinan la selección y aplicación de los sistemas de fluidos lavadores y espaciadores en los trabajos de cementación primaria. Ciudad universitaria MÉXICO, DF.: UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO . Universidad americana, Laboratorio de Lodos y Cementos, Universidad americana, Laboratorio de Lodos y Cementos. Zaldívar, D. C. (2017). Aplicación de cementos especiales en lechadas ligeras para evitar pérdida de circulación durante la cementación . CIUDAD DE MEXICO : UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO.

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