2. tema nº 1. fundamentos de la cementación de pozos

1 Tema N 1. Fundamentos de la cementacin de pozos

E: Cementacin de Pozos

Tema N 1. Fundamentos de la cementacin

de pozos y naturaleza del cemento.

Tema N 1. Fundamentos de la cementacin de pozos 2

YAC-1

YAC-2 DAO A LA FORMACIN

COMUNICACIN

ENTRE

FORMACIONES

SECCIONES

SIN

PROTECCIN

GARANTIZAR EL AISLAMIENTO ZONAL, NO SOLO POSTERIOR A LA CEMENTACIN, SINO

TAMBIN EN EL TRANSCURSO DE LA VIDA PRODUCTIVA DE LOS POZOS

Definicin y objetivos de la Cementacin de Pozos.


Definicin de la Cementacin de Pozos.

Operacin que consiste en lograr una mezcla de agua y cemento, usando

equipos especiales de mezclado, para luego bombearla y colocarla a una

profundidad determinada para que cumpla diversas funciones.

La cementacin es un proceso que incluye:

Diseo y ensayo de una lechada de cemento. Mezclado y transporte de cemento y aditivos. Mezclado y bombeo en el pozo.


Objetivos de la Cementacin de Pozos.

La funcin principal es la fijacin del revestidor a las paredes del hoyo para

garantizar la perforacin de la prxima fase, cumpliendo algunas de las

siguientes razones:

Proteger y asegurar la tubera de revestimiento en el hoyo de presiones externas (formacin) y de la

corrosin.

Aislar zonas de agua superficial y evitar contaminacin de las mismas

Aislar zonas indeseables y zonas de diferentes fluidos

Evitar o resolver problemas de prdidas de circulacin, pegas de tubera, abandono de zonas no

productoras

Excluir las aguas de las formaciones productivas Sellar zonas no productivas Evitar migracin de fluidos entre diferentes zonas Controlar prdidas de circulacin Soportar el revestidor y todo el peso del equipo.

Estos requerimientos han producido que

la cementacin sea la operacin ms

importante que se realiza durante la

completacin y construccin de un pozo.


Factores a considerar en la planificacin de un trabajo de cementacin de pozos

Dimetro, profundidad, temperatura y desviacin del hoyo. Casing, tipo de roca, profundidad de asentamiento, centralizadores, entre otros. Tiempo y velocidad de corrida del casing. Tiempo de circulacin antes de la cementacin. Tipo de lodo. Clase de cemento. Aditivos. Pruebas de laboratorio. Espaciadores y reflujos. Mezcla de materiales a granel en locacin. Mezcla de cemento en locacin. Unidades de bombeo (tipo de mezclador, cabezal de cementacin, tapones de

desplazamiento).

Velocidad de mezclado y caudales de desplazamiento.


Factores que afectan la cementacin de pozos


Causas que ocasionan fallas en los trabajos de cementacin de pozos

1. Fraguado prematuro. Causas:

Cemento inapropiado. Agua de mezcla contaminada. Temperatura estimada incorrecta. Zapata y/o cuello flotador sucios o

taponados.

Retardador insuficiente. 2. El tapn no asienta en el cuello flotador.

Causas:

El tapn no sali del cabezal de cementacin.

Clculo incorrecto del volumen de desplazamiento.

Imposibilidad de colocar todo el cemento en el anular.

Casing roto. 3. Imposibilidad de finalizar la mezcla de

cemento. Causas:

Fallas mecnicas de los equipos de bombeo.

Fallas en las tolvas de cemento. Baja presin de agua.

4. Canalizacin de cemento en el lodo. Causas:

Lodo con baja reologa- Imposibilidad de reciprocar o rotar la

tubera.

Bajos caudales de desplazamiento. 5. Fraguado rpido del cemento. Causas:

Relacin agua cemento inapropiada. Temperatura estimada incorrecta. Tipos de cemento y aditivos inadecuados

para las condiciones requeridas.

Espaciadores (reflujos) indebidos.


Tipos de Cementacin de Pozos.

Primaria Una vez bajado los diferentes revestidores se realiza una Cementacin convencional, utilizando

para ello un procedimiento que involucra: tapones, espaciadores, lechadas (barrido y/o cola),

aditivos generales de acuerdo al tipo de pozo, fluido de desplazamiento

Acufero

Hidrocarburo

Secundaria Este tipo de Cementacin se puede

describir como el proceso de

forzamiento de lechadas de cemento,

debido a un defecto de la Cementacin

primaria o por sellar, abandonar o

proteger la migracin de fluidos.

Este tipo de Cementacin conlleva a unos procedimientos ms especializado

para la solucin de problemas

existentes.


Tipos de Cementacin En la perforacin de un pozo se efectan por lo menos dos cementaciones, sin embargo en la historia de un pozo petrolero pueden ser muchas las que pueden

efectuarse:

Cementacin de todo el espacio anular entre el hoyo y la tubera de revestimiento (Revestimiento superficial)

Cementacin del espacio anular, solamente en una seccin inferior (Revestimiento Intermedio o de Produccin)

Cementacin de intervalos de espacio anular en pozos relativamente profundos o de caractersticas especiales (Cementacin por etapas)

Cementacin en zonas bien definidas para excluir produccin de agua ,gas o para abandonamiento (Cementacin forzada).

Cementacin para formar puentes que obstruyan totalmente ciertos intervalos

Tipos de Cementacin de Pozos.


Son todas aquellas etapas necesarias para poder alcanzar la zona productora

de hidrocarburos seleccionada. Dependiendo de ciertas caractersticas del

yacimiento algunos pozos se perforan en dos o ms fases.

Fase I Hoyo Piloto 36

Fase II Hoyo Conductor 26

Fase III Hoyo Superficial 17

Fase IV Hoyo Intermedio 12

Fase V Hoyo Produccin 8

Fases Convencionales

Fases de la perforacin.

Fases de hoyos ms comunes


Arreglos ms comunes

Objetivos de los revestidores.


Objetivos de los revestidores. Revestidor piloto y revestidor conductor

Piloto: Es una tuberia hincada o pilote marino (percusin). Gua.

Revestidor conductor. Caractersticas: Sartas cortas (shallow) -- usualmente

menores de 100 ft (30 m) de

profundidad.

Grandes dimetros -- O.D. 20" hasta 36" o mayores.

Debe fijarse en superficie (encadenarse) durante la cementacin

Objetivos:

Reduce al mnimo la prdida de circulacin a poca profundidad.

Minimiza la erosin de sedimentos superficiales debajo del taladro

Proteger las zonas lavadas debajo del equipo.

Se levanta con un niple campana y un niple de flujo de fluido (proveer elevacin

al niple de flujo).

Sirve de soporte para el sistema desviador en caso de afluencia inesperada a poca

profundidad.

Establecer retornos a superficie. Dirigir los retornos a la pileta de lodo. No se requiere en todos los pozos. Protege de la erosin las tuberas de

revestimiento subsiguientes


Procedimientos para cementar:

Generalmente no se utilizan tapones, en ese caso slo se desplaza

el casing.

Es comn la cementacin a travs de la tubera de

Perforacin (Inner String)

Prcticas de bombeo cuidadosas. Se requieren grandes excesos Generalmente no se conectan BOP

Lechada Comunmente usada:

Cemento Puro Acelerado

Problemas:

Flujo de agua superficiales. Bajas Temperaturas (Costa Afuera). Perforacin a travs de hidratos gaseosos

bajo condiciones de aguas profundas

(Costa Afuera)

Otros:

Se consideran grandes excesos Cementacion Stab-in es comun Lechadas de cemento neto aceleradas

Caractersticas de las lechadas:

Clase A, G, H o de la construccin (comn) con aceleradores.

Una lechada de cabeza (lead) de llenado y econmica.

Una lechada de cola (tail) con cemento puro A veces se utiliza un concreto pre-mezclado (hormign elaborado)

Objetivos de los revestidores. Revestidor piloto y revestidor conductor


Objetivos de los revestidores. Revestidor superficial.

Caracteristicas: Requerido por Regulaciones, Leyes y/o Decretos de Gobierno en

cada rea y pas.

100 a 5,000 pies (30 ~ 1500 m) o mayores. O.D. desde 7.5/8 hasta 20 o mayores. Necesita fijarse en superficie (encadenado) mientras se cementa. Se circula cemento hasta superficie. Las prdidas de circulacin pueden ser un gran problema.

Objetivos: Soporta el resto de los revestidores. Protege de la contaminacin las arenas someras que contienen agua

dulce

Ofrecer una conexin para montaje y sirve de apoyo primario para los preventores (BOPs) en superficie.

Previene los derrumbes de los sedimentos no consolidados, ms debilitados, que se hallan prximos a la superficie.

Sellar zonas de prdidas de circulacin. Proporciona resistencia a las arremetidas para poder perforar a

mayor profundidad.

Protege de la corrosin cualquier tramo de tubera de revestimiento subsiguiente



Problemas:

Flujo de agua superficiales. Perforacin a travs de hidratos gaseosos

bajo condiciones de aguas profundas

(Costa Afuera)

Otros:

Se consideran grandes excesos (50 a 100%)

Lechadas ligeras y de cola.

Caractersticas de las lechadas:

Tipo de Cemento: Clase A B, API, u otra Clase API con aditivos (aceleradores, retardadores,

extendedores, etc.).

Lechada de cabeza (relleno) seguida por una lechada de cola de alta resistencia.

Cementos de elevada resistencia en pozos profundos

Procedimientos para cementar:

Se deben utilizar tapones de goma (de limpieza) inferior y

superior.

A veces se cementa a travs de drill pipe.

Centralizar el casing y fijar las juntas de la zapata y de superficie.

A veces es seguido de una cementacin desde superficie (por

anular) top out


Caracteristicas: 4,000 a 16,000 ft (1200 ~ 4800 m) o mayores profundidades (amplio rango). O.D. 6.5/8 hasta 20; 9.5/8 es muy comn. A menudo con circulacin hasta superficie. Algunas veces solamente dentro del casing de superficie Raramente cementado solamente en la seccin del fondo. Se puede terminar el pozo (completacin) en este casing intermedio. Permite utilizar grandes pesos de lodo sin daar las formaciones superficiales

Objetivos: Casos de zonas crticas: prdidas de circulacin,

zonas con altas presiones, zonas con mantos salinos,

controla las zonas de sal y las lutitas desmoronables

de fcil desprendimiento

Las B.O.P. siempre estn instaladas. Soportar sartas que se instalarn posteriormente. Pueden realizarse como trabajos de cementacin en

una sola etapa o en multiples etapas (dos o ms).

Objetivos de los revestidores. Revestidor intermedio.


Problemas:

Zonas de sobrepresin, perdidas, formaciones salinas, lutitas deleznables.

Rango entre la presin de poro y la presin de fractura muy cercano.

Otros:

Son frecuentes las cementaciones en dos etapas

Se requieren buenas practicas de cementacin.

Tope del cemento hasta superficie o la zapata anterior.

Comunmente se usan lechadas de barrido seguidas por lechadas de cola con alta

resistencia a la compresin.

Lechadas Especiales

Procedimientos y cementos:

Lechadas muy variadas. Generalmente con lechadas de relleno y de alta resistencia (de cola)

Se deben utilizar tapones de goma (de limpieza) de inferior y superior.

A veces cementado a travs de Drill pipe

A veces se cementan en etapas.



Objetivos de los revestidores. Revestidor de produccin

Caracteristicas: 1,700 a 20,000 ft (510 ~ 6000 m), o ms profundos. Dimetros ms comunes: 4.1/2 , 5.1/2 y 7

Objetivos: Completar el pozo para produccin: Asla la zona productora de las dems

formaciones.

Proveer control de presin. Cubrir hoyos o una sarta de casing intermedio daado. Control del pozo cuando se perfora (punzado, baleo). Protege el ambiente en caso de una falla de tubera. Servir de proteccin al equipo de produccin (levantamiento artificial,

completaciones mltiples, Rejillas para control de arena)

Puntos claves (liner): Menos revestimiento es necesario. Pozos mas profundos. El espacio anular es mas pequeo. Se requieren equipos especiales.


Problemas:

Zonas de sobrepresin, perdidas, formaciones salinas, lutitas deleznables. Rango entre la presin de poro y la presin de fractura muy cercano.

Cementos usados:

Lechada de relleno (de cabeza) seguida de una lechada de alta resistencia (de cola). Cementos de alta resistencia frente a las zonas productivas.

Procedimientos de cementacin:

Normalmente se utilizan espaciadores de buena calidad. Es comn desplazar con fluidos para perforar (caonear, punzar, balear) Desplazar y lavar bombas y lneas antes de cementar es una buena prctica. Usar tapones de goma de limpieza inferior y superior es una buena prctica



20

13 3/8

9 5/8

7

Conductor

Superficial

Intermedio

Liner

Sarta de Revestimiento ms comn

Objetivos de los revestidores.


Fases de la Cementacin

Lechada de Barrido: Cemento clase H Volumen: 408 BLS Densidad: 98 lbs/pc (13.1 lbs/gal)

Lechada de Anclaje: Cemento clase H Volumen: 154 BLS Densidad: 121 lbs/pc (16.2 lbs/gal)

Lechada de Anclaje: Cemento clase H+Aditivos Volumen: 204 BLS Densidad: 121 lbs/pc (16.2 lbs/gal)

Lechada de Anclaje: Cemento clase H+Aditivos Volumen: 68 BLS Densidad: 121 lbs/pc (16.2 lbs/gal)


Naturaleza

del

Cemento


Los materiales para Cementacin o adherencia, tales como rocas, piedras, arcillas o barros, son

conocidos desde las ms remotas civilizaciones

Restos de esos materiales an pueden localizarse en todos los continentes del mundo, siendo el buen

estado en el cual se encuentran las estructuras con

esos materiales construidos, la mejor carta de

presentacin de su calidad y durabilidad

De esos materiales aglomerantes, el Cemento Portland es el ms importante en trminos de

cantidad

La tecnologa de Cementacin avanza muy lentamente en la edad media e histricamente se le

atribuye el crdito del descubrimiento del Cemento

Portland a Joseph Aspdin, quien cre una patente

en 1824

Cemento. Definicin.

El mtodo moderno de cementar tubera de revestimiento desde el fondo, data de 1920 cuando Erle Halliburton cement un pozo en el campo Hewitt en Oklahoma. Existen numerosas variaciones de tcnicas de cementacin primarias en uso .

Tema N 1. Fundamentos de la cementacin de pozos 33 33

+ Calor ( 2600-3000 F ) Clinker (4-8%)

Cemento Portland

50% Silicato Triclcico (3CaO.SiO2) 25% Silicato Diclcico ( 2CaO.SiO2) 4% Aluminato Triclcico (3CaO.Al2O3) 13% Ferro Aluminato Triclcico o Tetraclcico ( 4CaO.Al2O3.Fe2O3) 3% Sulfato de Calcio ( CaSO4) 3% Otros (MgO, Cal libre, Alcalis, Anhidrido Sulfurico)

Materiales Iniciales

CaO (Caliza)

SiO2 ( Slice )

Al2O3 ( Arcilla )

Fe2O3 ( Oxido Frrico )

+ Yeso

Cemento. Definicin.

Mezcla de piedra Caliza y otros materiales ricos en Carbonato de Calcio con Arcilla y algo de Oxido de Hierro y Aluminio

Cemento Portland Cementos API Cementos fabricados de bajo peso Mezclas de cementos livianos Sistemas especiales de Cementos


Se define como Cemento Portland al material compuesto principalmente de Silicato triclcico, Silicato Diclcico, Aluminato triclcico y Ferroaluminato

Tetraclcico

Esta composicin, es capaz de endurecer en presencia de agua, de all su nombre, y que una vez endurecido genera resistencia a la compresin, como

resultado de la hidratacin que tiene lugar, que involucra reacciones qumicas

entre el agua y los compuestos qumicos presentes, y no por un proceso de

deshidratacin como generalmente se cree.

El desarrollo de su resistencia es predecible, uniforme y rpido, generndose un cuerpo slido con una baja permeabilidad, e insoluble en el agua, propiedades

estas que le permiten lograr y mantener el aislamiento zonal, que es el objetivo

principal de una Cementacin.

Cemento. Definicin.


Los materiales bsicos son:

Piedra Caliza (Carbonato de Calcio)

Arcilla

Aluminatos y Slice

xidos de hierro

MATERIA FORMULA DOSIFICACION CARACTERES

CALIZA CaCO3 50 73 BASICO

ARCILLA AL2O3 20 - 25 ACIDO

ARENA SiO2 6 - 15 ACIDO

MINERAL

DE

HIERRO

FE2O3 1 - 6 ACIDO

YESO CaSO4 2H2O 4 - 8

Composicin qumica del cemento.

Componentes qumicos principales

Silicato triclcico (C3S) Ca3OSiO5 3CaO.SiO2

Silicato Diclcico (C2S) Ca2OSiO2 2CaO.SiO2

Aluminato Triclcico (C3A) 3CaO.Al2O3

Ferroaluminato Tetraclcico (C4AF) 4CaOAl2OFe3O4


Silicato triclcico (C3S)

Es el compuesto que tiene la mayor influencia sobre

las caractersticas globales de resistencia del

cemento. Tambin confiere la pronta adquisicin de la

resistencia (de 1 a 28 das) de la masa fraguada.

Silicato diclcico (C2S)

Es el componente de reaccin lenta que le hace

adquirir gradualmente la resistencia, lo cual ocurre en

un perodo prolongado de tiempo. Este componente

incrementa la resistencia a la compresin del cemento

de manera retardada.

Componente principal Confiere caractersticas de resistencia inicial Acelera el tiempo de fraguado


Confiere caractersticas de resistencia final

C2S = 2.876x(%SiO2)-0.744x(%C3S)

Componentes del Cemento (Anlisis de Oxidacin)

3323223 %*85,2%*43,1%*72,6%*60,7%*07,4 SOOFeOAlSiOCaOSC


Aluminato triclcico (C3A)

El aluminato triclcico muestra la tasa de

hidratacin ms rpida, ste determina el

fraguado inicial y el tiempo de

espesamiento del cemento, as como

tambin la sensibilidad del cemento

fraguado a las aguas que contienen

sulfato. Fuente: Manual del CIED (1998)

p. 15.

Ferro-aluminato tetraclcico (C4AF)

Es el componente que proporciona baja

temperatura para la hidratacin del

cemento, se presenta en menor

proporcin que los dems componentes,

pero es de suma importancia para la

composicin. Fuente: Manual del CIED

(1998) p. 16.

Promueve hidratacin rpida del cemento Controla el tiempo de espesamiento Responsable de la susceptibilidad al ataque por sulfatos.


Promueve hidratacin a bajas temperaturas Tiene poco efecto sobre el cemento

C3A= 2.65x(%Al2O3)-1.69x(%Fe2O3)

C4AF=3.04x(%Fe2O3)



Componentes Frmula Designacin Contenido

Silicato Triclcico 3 CaO. SiO 2 C 3 S 26 - 58

Silicato Diclcico 2 CaO. SiO 2 C 2 S 16 - 54

Aluminato Triclcico 3CaO, Al 2 O 3 C 3 A 2 - 8

Ferro Aluminato Tetraclcico 4CaO, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 C 4 AF 8 - 12





REQUERIMIENTOS COMO OBTENERLOS

1. FRAGUADO RAPIDO AUMENTANDO EL % DE C3S

2. FRAGUADO LENTO DECRECIENDO EL % DE C3S

3. BAJO CALOR DE

HIDRATACION LIMITANDO EL C3S Y C3A

4. RESISTENCIA A LOS SULFATOS LIMITANDO EL C3A


Ejercicios de Diseo: A partir de los datos anexos en la tabla calcule:

C2S C3S C3A C4AF Interprete los Resultados

Muestra A

(%)

B

(%)

C

(%)

Fe2O3 3.74 3.69 3.72

CaO 66.13 65.58 65.85

K2O 0.11 0.12 0.11

SiO2 23.71 23.99 23.83

Al2O3 4.12 4.12 4.15

MgO 0.40 0.38 0.42



Caractersticas del Cemento

El cemento es un material fino con grandes propiedades de endurecimiento que resulta de pulverizar la escoria que se produce de calcinar materiales calcreos con

cierto porcentaje de arcilla.

Tiene una Gravedad Especfica de 3,14 ,y en contacto con el agua forma una mezcla espesa que lentamente va endureciendo hasta formar un slido fuerte y compacto. La

solidificacin de la mezcla ocurre en tres etapas :

- a. Fraguado rpido : de 2 a 3 horas

- b. Endurecimiento : de 18 a 24 horas

- c. Solidificacin : despus de 24 horas

El Instituto Americano del Petrleo (API), ha especificado los tipos de cemento que deben usarse y las caractersticas que debe tener la mezcla agua cemento.


12 5 30 50 G y H

12 2 54 26 D y E

8 8 16 58 C

12 5 32 47 B

8 8 24 53 A

C4AF C3A C2S C3S

COMPONENTES (%) CLASE

API




Caractersticas del Cemento

Clase Caractersticas

A Sin condiciones especificas.

B Resistente a Sulfatos

C Rpida resistencia.

D Alta presin y alta temp

E Alta presin y alta temp

F Cond. Ext. presin y temp.

G Comp. Acelerad.y retard.

H Comp. Acelerad. Y retard.



CLASE A Apropiado para ser usado desde la superficie hasta 6000 pies de profundidad. Cuando no se requieren propiedades especiales. Disponible slo en el tipo ordinario de resistencia a los sulfatos. (Sec. 1-3). CLASE B Apropiado para ser usado desde la superficie hasta 6000 pies de profundidad. Cuando las condiciones requieren moderada a alta resistencia a los sulfatos. Disponible en ambas caractersticas de moderada y alta resistencia a los sulfatos. (Sec. 1-3). CLASE G Esta clase de cemento est manufacturada para ser utilizada como cemento bsico en pozos petroleros. Es el ingrediente bsico que al mezclarlo con los aditivos qumicos permite obtener las diferentes lechadas requeridas en la cementacin de pozos. Disponible en los tipos de moderada y alta resistencia a los sulfatos. (Sec. 1-4). CLASE H Cemento bsico petrolero que, al igual que el clase G, permite mediante aditivos qumicos adaptarse a las diferentes condiciones de cementacin de pozos. Se caracteriza por ser el ms lento en cuanto al tiempo de fraguado del grupo de cementos API. disponible en los tipos de moderada y alta resistencia a los sulfatos. Las partculas del cemento H son de mayor tamao que las del cemento clase G, lo que constituye la principal diferencia entre ellos. Esta diferencia ocasiona una densidad inicial (16.2 lbs/gal) del cemento clase H con respecto al cemento clase G cuya densidad inicial es de (15,8 lbs/gal).


Clase de

Cemento

Requerimiento

de Agua

(gal/sxs)

Densidad de

la mezcla

(ppg)

Profundidad

recomendada

(pies)

Temperatura

esttica de

fondo F

A 5,2 15,6 6.000 80 - 170

B 5,2 15,6 6.000 80 - 170

C 6,3 14,8 6.000 80 - 170

D 4,3 16,4 12.000 170 - 230

E 4,3 16,4 14.000 170 - 230

F 4,3 16,4 16.000 230 - 320

G 5,0 15,8 8.000 80 - 200

H 4,3 16,4 8.000 80 - 200

Clasificacin API del Cemento



Propiedades Fsicas de los Cementos API

PROPIEDADES FISICAS DE LOS CEMENTOS API

PROPIEDADES CLASE

A-B CLASE C

CLASE

G-H

CLASE

D-E

GRAVEDAD ESPECIFICA

(Promedio)

3.14

3.14

3.15

3.16

AREA SUPERFICIAL

(cm2/gr.) 1500 1900

2000

2800

1400

1700

1200

1600

PESO POR SACO

(libras) 94 94 94 94

VOLUMEN BRUTO

(pie cubico) 1 1 1 1

VOLUMEN ABSOLUTO

(galones)

3.6

3.6

3.58

3.57


2. tema nº 1. fundamentos de la cementación de pozos

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