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• Horacio Lafuente

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CEMENTACION DE POZOS PETROLEROS En la Industria Petrolera la cementación de un pozo es el proceso mediante el cual se coloca una lechada de cemento en el espacio anular formado entre las formaciones que se han perforado y la tubería de revestimiento, en muchos casos esto puede hacerse en una operación simple, a través de bombear cemento debajo de la tubería de revestimiento a través del zapato guía del revestimiento, hacia arriba y dentro del espacio anular. PROCESOS DE UNA CEMENTACIÓN La cementación es un proceso que incluye: - Diseño y ensayo de la lechada de cemento. - Mezclado y transporte de cemento y aditivos. - Mezclado y bombeo en el pozo. FUNCIONES DEL PROCESO DE CEMENTACIÓN DE POZOS La Principal función de una cementación es de aislar las zonas expuestas en el borde del pozo que contienen los fluidos y separarlas efectivamente, formando un sello hidráulico (anillo de cemento), que se forma entre las formaciones y el revestidor, con el fin de evitar la migración de los fluidos entre sí, entre otras funciones podemos mencionar: - Soportar la tubería de revestimiento y que el cemento se adhiera perfectamente a la formación y al revestidor formando un sello hidráulico impermeable. - Sellar zonas de pérdida de circulación. - Proteger el revestidor de la corrosión producida por aguas subterráneas. - Prevenir surgencias (BlowOut) de las formaciones expuestas - Proteger la tubería de revestimiento de las cargas cuando se re-perfora para profundizar un pozo. - Prevenir el movimiento de fluidos entre zonas. La cementación tiene una gran importancia en la vida del pozo, ya que los trabajos de una buena completación dependen directamente de una buena cementación.

TIPOS DE CEMENTACIÓN Son las operaciones con lechadas de cemento que se efectúan con fines específicos en los pozos petroleros. La clasificación de las operaciones de cementación se realizan de acuerdo con los objetivos que se persiguen, en este sentido se tiene: - Cementación Primaria - Cementación Secundaria o Forzada CEMENTACIÓN PRIMARIA Se realiza una vez terminada la fase de perforación con la tubería de revestimiento ya en el pozo y consiste en bombear cemento hacia el espacio anular. La cementación primaria tiene como principales funciones: - Evita el flujo de los fluidos entre las formaciones. - Fija la tubería de revestimiento con la formación. - Ayuda a evitar surgencias descontroladas de alta presión detrás del revestimiento. - Aísla la zapata de revestimiento. - Aísla las zonas productoras previniendo el flujo cruzado entre los intervalos a diferentes presiones. En la actualidad existen varias técnicas de cementación primaria, y la selección de cuál es la más acertada a usar depende de varios factores, a continuación se presentan las técnicas de cementación más comunes y cuando se las utiliza. - Cementación en una etapa - Cementación en dos etapas - Cementación de Liner

CEMENTACIÓN EN UNA ETAPA Básicamente es la más sencilla de todas, la lechada de cemento es ubicada en su totalidad en el espacio anular desde el fondo hasta la profundidad deseada, para esto se requerirá de presiones de bombeo altas lo que implica que las formaciones más profundas deban tener presiones de formación y fractura altas y no permitir que se produzcan perdidas de circulación por las mismas. Usualmente esta técnica es usada en pozos poco profundos o para cementar el casing superficial, y el equipo del de fondo será el básico para la cementación, zapato guía, collar flotador, centralizadores, raspadores, tapones de fondo y tope. Equipo del de fondo será el básico para la cementación, zapato guía, collar flotador, centralizadores, raspadores, tapones de fondo y tope.

Figura1. Secuencia Cementación una Etapa Fuente: Libro Oilwell Drilling Engineering Principles and Practice

CEMENTACIÓN EN DOS ETAPAS Esta cementación consiste en ubicar la lechada de cemento primero en la parte inferior del espacio anular casing-formación, y luego la parte superior de la lechada a través de un dispositivo desviador. Este tipo de técnica se utiliza cuando: - Las formaciones de fondo de pozo no soportan las presiones hidrostáticas ejercidas por la columna de cemento. - Zonas de interés están muy separadas entre sí y es necesario cementarlas. - Zonas superiores a ser cementadas con cementos no contaminados. - Pozos profundos y calientes requieren lechadas diferentes de acuerdo a las características propias de un nivel determinado. La mayoría de las razones para la cementación en varias etapas cae dentro de la primera categoría. Tres técnicas estándar de cementación en varias etapas son comúnmente empleadas: - Cementación regular de dos etapas.

- Cementación continúa de dos etapas. - Cementación en tres etapas. Figura1.2 Secuencia Cementación de dos Etapas

Fuente: Libro Oil well Drilling Engineering Principles and Practice CEMENTACIÓN DE LINER Una sarta de liner usualmente incluye una Zapata y un collar flotador, junto con una tubería de revestimiento más larga y un colgador de “liner” (colocado hidráulica o mecánicamente) para asegurar la parte superior. Todo el ensamble es corrido con tubería de perforación y luego se coloca el colgador a unos 300-500 pies dentro de la tubería de revestimiento anterior. Una vez asentado, el lodo es circulado para asegurar una vía de cemento libre de obstrucciones, alrededor del “liner”. Antes de la cementación la herramienta corrida es retraída del colgador del liner para garantizar la remoción posterior de la tubería de perforación.

Las recetas de cementación con “liner” usualmente contienen aditivos extras para control de perdida de fluido, retardo, posible bloqueo de gas, etc. Debido a que las proporciones de mezcla son criticas y no existe lechada de relleno, es usualmente mezclado en cargas antes de llevar a cabo el trabajo. Esto garantiza la calidad y densidad del trabajo. Una típica operación de cementación con “liner”, procedería como sigue: · Posicionar el “liner” a la profundidad requerida · Circular fondo arriba – asegurar una reología baja (YP y gels mínimo); rotar el “liner” · Colocar el colgador del “liner” · Soltar una herramienta activadora y quitarle peso a la sarta (10-20Klbs) · Bombear espaciador · Probar con presión las líneas de superficie · Bombear la lechada premezclada · Soltar el tapón · Bombear espaciador · Desplazar cemento fuera del “liner” y hacia el espacio anular – rotar el “liner” de ser posible · Bombear el tapón hacia abajo, suelta el tapón de limpieza del “liner”. · Ambos tapones son bombeados hasta el nivel del “liner” hasta que queden ajustados en el collar de aterrizaje. · Golpear los tapones con 1000 psi · Desfogar la presión y revisar si existe flujo de retorno · Levantar, posicionar la tubería final en el tope del “liner y circular exceso de cemento hacia fuera desde arriba del “liner. TAPONES DE CEMENTO Descripción Es la técnica balanceada de colocación de un volumen relativamente pequeño de cemento a través de una tubería de perforación, de producción, o con auxilio de herramientas especiales, en una zona determinada, en agujero descubierto o tubería de revestimiento. Su finalidad es proveer un sello contra el flujo vertical de los fluidos o proporcionar una plataforma o soporte para el desvío 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 desvío en ventanas. Los tapones 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 perforación direccional (ej. desviación por pescado). • Cómo obtener información del pozo que se va a Intervenir. Los datos necesarios para el diseño de un tapón por circulación son los siguientes: • Geometría del agujero abierto

• Zonas problema

• Diámetro de la barrena

• Pérdida de circulación

• Registro de calibración del agujero

• Deslavadas

• Porcentaje de exceso considerado

• Flujo de agua

• Profundidad

• Alta presión de gas

• Datos del agujero

• Datos de la tubería de revestimiento

• Presión de poro

• Diámetro

• Presión de fractura

• Peso

• Litología

• Profundidad

• Zonas de flujo o pérdidas

• Tubería anterior

• Temperatura de fondo estática

• Datos de desviación

• Temperatura de fondo circulante •

Profundidad

vertical

real

•

Orientación •

Fluidos Tipo

•

Profundidad medida

•

•

Puntos de desvío

lodo

de

•

Densida

d •

Reología

TIPOS DE TAPÓN: TAPÓN DE DESVÍO

•

Figura 20 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 desvío en la zona para alcanzar el objetivo y curso deseado. (Figura 20). 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 desvío por arriba del pez. El éxito de un buen tapón de desvío es su alto esfuerzo compresivo. Las lechadas de agua reducida con dispersantes alcanzan densidades de hasta 2.16 g/cm3 y proveen los mejores resultados. Son cementos muy duros, densos, de baja permeabilidad. Esta lechada desarrolla altos esfuerzos compresivos que se alcanzan en periodos cortos por lo que se puede reducir el tiempo de espera de fraguado de cemento. La pérdida de filtrado es reducida y tienen mejor resistencia a la contaminación con los fluidos del pozo.

PÉRDIDA DE CIRCULACIÓN

Figura 21 Tapón de 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, (figura 21). 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 planea 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 de fondo exceda de los 100°C 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 de abandono.

La pérdida de fluido de perforación puede ser detenida si se coloca correctamente un tapón de cemento frente a la zona de pérdida. Aunque la lechada se puede perder, también puede endurecer y consolidar la formación, (figura 22). Un tapón de cemento también se puede colocar encima de una zona para prevenir su fractura debido a presiones hidrostáticas que pueden desarrollarse durante la cementación de una tubería de revestimiento. Las lechadas de cemento puro son efectivas para solucionar pérdidas menores y brindan esfuerzos compresivos muy altos. TAPONES PARA PRUEBA DE FORMACIÓN Cuando se programa una prueba deformación, y bajo el intervalo por probar existe una formación suave o débil, o que pueda aportar a la prueba fluidos indeseables, se colocan tapones de cemento para aislar la formación por probar, siempre y cuando sea impráctico o imposible colocar un ancla de pared (figura 23). Esto permite evitar el fracturamiento de la zona débil.

Figura 23 Tapones para probar intervalos TÉCNICAS DE COLOCACIÓN: TAPÓN BALANCEADO El método más común de colocación de un tapón es la Técnica de Tapón Balanceado. Este método consiste en colocar un tapón sin escurrimientos de fluidos por dentro y por detrás de la tubería de perforación. El proceso se desarrolla de la siguiente manera: Se introduce tubería de perforación y/o producción con difusor de flujo en el agujero a la profundidad deseada. En algunos casos se utilizan tuberías de aluminio o fibra de vidrio y se dejan dentro del cemento formando parte del tapón. Cuando se termina el desplazamiento del cemento, se desconecta

Figura 24 Balanceo de tapón. Por delante y detrás de la lechada se debe bombear un volumen apropiado de espaciador (agua, diesel, lavador químico y espaciador densificado), con el

propósito de evitar la contaminación de la lechada de cemento con el lodo y balancear el tapón (Figura 24). Los volúmenes de lavador y espaciador son tales que sus alturas en el anular y dentro de la tubería son las mismas. Se completa el desplazamiento con lodo de control hasta la profundidad de la cima calculada del tapón. Es práctica común parar el bombeo de 1 o 2 barriles antes de completar el volumen total de desplazamiento. Esto se hace con el propósito de dejar el nivel del cemento dentro de la tubería un poco arriba del nivel del cemento en el anular, debido a que aumenta la posibilidad de que el cemento que cae de la tubería lo haga a la misma velocidad en ambos lados y propicie así que se balancee el tapón. Además esto ayuda a evitar que el cemento permanezca dentro de la tubería al momento de la extracción de ésta y se contamine con el fluido de control. Una vez que el tapón ha sido balanceado, se levanta la tubería a una velocidad lenta, entre 3 y 5 min por lingada (tres tubos acoplados) a cierta altura por encima de la cima del tapón y se circula en inverso desalojando el sobrante de la lechada, si esto fue programado de esta manera. Si no fuera así, entonces se levanta lentamente a la velocidad antes indicada, hasta alejarse lo necesario de la cima del frente lavador y se cierra el pozo el tiempo estimado para desarrollar su esfuerzo compresivo; al término de éste, se procede a sacar toda la tubería utilizada y se introduce la barrena seleccionada para afinar el tapón. De esta manera se evita el movimiento de fluidos que pudieran producir la contaminación del cemento con el fluido de control del pozo. Desplazamiento y colocación • El desplazamiento se puede mejorar con lodos fluidos de bajo valor de filtrado.

El agujero debe ser circulado, por lo menos, con el equivalente a un volumen del pozo y antes de colocar el tapón para alcanzar las condiciones reológicas necesarias para el cemento que se va a manejar. Preferentemente, el cemento debe tener mayor densidad y propiedades reológicas que los baches separadores, y más que el lodo. Queda excluido de este orden el frente lavador, pues la mayoría de éstos, por ser newtonianos, tienen una densidad que fluctúa

entre 1.00 gr/cm3 o menor. El pozo debe estar estable para evitar la contaminación del cemento. Algunas características recomendables para el lodo son: Viscosidad Funnel = 45-80 seg, PV= 12-20 cp, Ty = 1-5 lb/100ft 2 y la pérdida de filtrado tan baja como se pueda. Estos valores pueden ser difíciles de conseguir en la práctica. • La contaminación de las lechadas de cemento es la principal causa de falla de los tapones. Puede aumentar el tiempo de fraguado y reducir el esfuerzo compresivo; el 10% de la contaminación por lodo puede reducir el esfuerzo compresivo hasta en un 50%. • Se requiere el uso de lavadores y espaciadores para evitar problemas de

compatibilidad. Los espaciadores deben ser utilizados cuando el control del pozo sea un problema, la densidad del espaciador debe ser 0.12 - 0.24 g/cm 3 mayor que la del lodo para ganar el efecto de flotación para mejor desplazamiento del lodo. Los lavadores químicos deben utilizarse en lugar de agua especialmente cuando se utiliza lodo a base de aceite. Los lavadores usualmente fluyen en flujo turbulento, el desplazamiento en flujo turbulento es el más recomendado. Se recomienda una altura anular de 150-250 m para lavadores y espaciadores. • La centralización de la tubería mejora la remoción del lodo. (Este aspecto es normalmente olvidado aun cuando la tubería sea levantada después de la colocación del tapón). Si la tubería no está centralizada correctamente, puede ocurrir canalización del cemento y así el balanceo del tapón será más difícil; ambos efectos contribuyen a la contaminación de la lechada, aunque esto es teórico pues no se debe olvidar que al levantar un tubo con centradores podría provocarse la contaminación. De esta manera, es preferible utilizar tubería lo más lisa posible y con rotación. Se recomienda la rotación de la tubería en lugar de la reciprocación. Esto puede ser útil puesto que la tubería se levantará fuera del cemento antes de circular en

inverso cuando el tapón haya sido balanceado. La rotación reduce la gelificación del cemento y le permite caer más fácilmente de la tubería conforme se levanta.

Fallas más comunes Una vez que el tiempo de fraguado ha pasado, se toca la cima del tapón y se aplica peso de aproximadamente 5 toneladas sobre él. Éste es el principal criterio para medir el éxito de un tapón. Cuando el tapón servirá de apoyo para una herramienta desviadora entonces la prueba es muy importante, pues si el tapón está colocado frente a caliza aunque la perforabilidad no alcance a la de la caliza, se busca una perforabilidad promedio de 4 min/m. en el punto en donde se iniciará el desvío. Las causas más comunes de falla son: o Contaminación con lodo. Se debe a una deficiente remoción de lodo, a espaciadores/lavadores no efectivos, a falta de centralización, tiempos de espesamiento y fraguado muy largos, y a técnicas de colocación incorrectas. o Lechadas sobre-retardadas o tiempo de espera de fraguado insuficiente.

Suceden cuando el desarrollo de esfuerzo compresivo es inadecuado y el tapón será perforado sin alcanzar el tiempo de perforabilidad requerida. Es necesario conocer el dato exacto de temperatura de fondo estática y cuidar que el tapón sea diseñado precisamente para las aplicaciones en las cuales será utilizado. o Información errónea de la litología y geometría del pozo (especialmente la temperatura de fondo estática) ocasiona la utilización de parámetros de diseño incorrectos: cálculo erróneo en la cantidad de cemento, propiedades erróneas de la lechada, contaminación o colocación del tapón en un lugar incorrecto. o Un volumen de cemento insuficiente debido a datos del registro de calibración incorrectos o desconocidos, proporciona un tapón de altura me-

nor que la requerida. Se recomienda una altura de 100-150 m y hasta el doble de exceso de cemento en secciones de agujero descubierto de diámetro desconocido, especialmente cuando largas operaciones de pesca han sido llevadas a cabo y es necesario colocar un tapón de desvío en el sitio de pesca. o

Los tapones pueden descolgarse o moverse cuando se utilizan lechadas de cemento de alta densidad en pozos con fluidos de control de baja densidad. Como resultado de la interface inestable formada, el cemento se canalizará y se diluirá con el lodo. Esto puede ser evitado con la colocación de un volumen viscoso u otra técnica de puenteo y con el uso de un difusor.