introducción a la cementación de tr jlchp 04112014
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Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
INTRODUCCIÓN A LA CEMENTACIÓN DE TR ´S
04 DE NOVIEMBRE DEL 2014
PEMEX-PEP
UNIDAD DE NEGOCIOS DE PEROFORACIÓN KU MALOOB ZAAP
J O S É L U I S C H Á V E Z P É R E Z
I N G E N I E R O D E P O Z O
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Esta presentación se hizo con el fin de que los alumnos sean
capaces de analizar y diseñar una cementación de tubería de
revestimiento (TR) en un pozo petrolero.
• Actualmente la cementación de TR´s tiene una elevada ingeniería,
así como una tecnología de alto nivel.
• Esta dedicada y enfocada a los alumnos de la carrera de Ingeniería
Petrolera de la Esia Ticoman, del IPN.
PRÓLOGO
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
Examen Diagnostico.
1.- Definición, tipos de cemento.
2.- Tipos de cementación.
3.- Densidad, rendimiento y requerimiento de agua.
4.- Cálculo de volúmenes y desplazamiento.
5.- Cálculo de presiones diferenciales.
6.- Cálculo de compresibilidad.
7.- Cálculo de presiones uniaxiales, biaxiales y triaxiales.
8.- Concepto de presión final.
9.- Presión máxima en una cementación.
10.- Diseño de una cementación.
Ejercicio práctico.
Evaluación teórica.
Conclusiones y Recomendaciones.
Bibliografía.
TEMARIO:
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
1.- ¿Qué es el cemento?
2.- Defina que es presión, fórmula y que unidades tiene.
3.- Defina que es una capacidad, fórmula y que unidades tiene.
4.- Defina que es volumen, fórmula y que unidades tiene.
5.- ¿Qué es un análisis de unidades?
6.- ¿Qué entiende por compresibilidad?
7.- ¿Cuántos tipos de cementación conoce?
8.- Defina que es densidad, fórmula y que unidades tiene.
9.- ¿Cuál es la densidad del agua?
10.- ¿Qué es una tubería de revestimiento?
Examen Diagnostico
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Cementación: Es un proceso mediante el cual se mezcla un
lechada de cemento, agua y aditivos para bombearla al fondo del
pozo a través de la TR, con el objetivo de consolidar la TR y fijarla
a la formación, así como aislar zonas de alta y baja presión,
además de proporcionar un sello hidráulico entre diferentes zonas
del pozo.
1.- Definición, tipos de cemento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Lechada: Es una mezcla líquida, fluida y bombeable que se obtiene
mezclado agua con aditivos y cemento portland.
1.- Definición, tipos de cemento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Cemento Portland: Cemento hidráulico capaz de fraguar y
desarrollar altas resistencias a los esfuerzos compresivos, tiene
como características principales que una vez fraguado se vuelve
impermeable y es insoluble en agua.
1.- Definición, tipos de cemento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Fraguado: Es un proceso de hidratación que implica reacciones
químicas entre el agua de mezcla y los componentes del cemento,
donde al finalizar el proceso los componentes del cemento se
hidratan obteniendo una cristalización enlazada, lo que da la
consistencia y resistencia del cemento fraguado a altos esfuerzos
de compresión.
1.- Definición, tipos de cemento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Composición del cemento:
1.- Definición, tipos de cemento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Composición del cemento:
1.- Definición, tipos de cemento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Tipos de Cemento API:
1.- Definición, tipos de cemento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Cementación Primaria: Es la operación más importante que se
realiza en la perforación de un pozo, la cual usa como principio
físico del tubo en “U”.
• Cementación Forzada: Es una cementación que se efectúa porqué
la primaria fue inadecuada o deficiente, se le denomina “forzada”
porqué maneja presiones mayores que en la cementación
primaria.
• Cementación de Liner: Es la cementación de una TR corta, la cual
no llega a superficie y va colgada y empacada a una TR
intermedia.
• Tapón por Circulación: Es un tapón de cemento que se deja
descolgado por circulación, y se usa para aislar pozos o zonas
que se desean abandonar.
2.- Tipos de Cementación.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Objetivos de una Cementación Primaria:
2.- Tipos de Cementación.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Densidad (gr/cc): Es el peso de la lechada con respecto al volumen
que ocupa. En una cementación, la densidad de la lechada debe
estar acorde a la ventana operativa de la zona que se desea aislar:
3.- Densidad, rendimiento y requerimiento de agua.
1.25 – 1.82 gr/cm3
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Rendimiento (lts/sc): Es la cantidad de lechada que se puede
obtener con un saco de cemento (un saco de cemento equivale a
50 kgs), se obtiene utilizando un balance de materia, en donde
debemos conocer la densidad de los materiales de la lechada, sus
masas y sus volúmenes:
3.- Densidad, rendimiento y requerimiento de agua.
aditivosaguacem
aditivosaguacem
lechvolvolvol
masamasamasa
3/1000/33.8/1/1 mkggallbltkgccgragua
3/3140/156.26/14.3/14.3 mkggallbltkgccgrcem
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Requerimiento de agua (lts/sc): Es la cantidad de agua requerida
por saco de cemento para alcanzar la densidad de la lechada
establecida. El porcentaje mínimo de agua por API es 38 %.
• Requerimiento de agua de mezcla (lts/sc): Es la cantidad de agua
más aditivos líquidos requerida por saco de cemento para alcanzar
la densidad de la lechada establecida.
• Densidad (kgs/lt): Es la masa que presenta un material en un
volumen determinado.
• Volumen Absoluto (lts/kg): Es el volumen que tiene un material con
una masa determinada, es la inversa de la densidad.
3.- Densidad, rendimiento y requerimiento de agua.
v
m
m
vVabs
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
4.- Cálculo de volúmenes y desplazamiento.
Para el cálculo de volúmenes,
utilizaremos la fórmula básica de un
cilindro:
hdVolcilindro 2^4
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4.- Cálculo de volúmenes y desplazamiento.
• Definiciones:
• Capacidad: Es la cantidad de volumen que dispone un recipiente
por una unidad de altura de dicho envase.
• Volumen: Es la cantidad espacial (de tres dimensiones) que
dispone un recipiente.
• Volumen Interior: Es el volumen interno de cualquier recipiente (en
el caso petrolero, es el volumen interior en las TP´s y TR´s).
• Volumen Anular: Es el volumen que se forma entre el diámetro
interior de un agujero descubierto o revestidor y el diámetro
exterior de los tubulares que se encuentre dentro del agujero
descubierto o revestidor.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Para definir el volumen del agujero perforado se puede correr un
registro especial denominado “Caliper”, el cual nos proporciona la
geometría exacta del agujero, en caso de no contar con este
registro, él exceso que se colocará en el espacio anular del
agujero descubierto será definido por pozos de correlación.
Registro
“Caliper”
4.- Cálculo de volúmenes y desplazamiento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Para el cálculo de volúmenes, debemos
considerar el volumen del cople de
retención a la zapata, el volumen del
espacio anular, el volumen entre TR´s, y
finalmente para el desplazamiento el
volumen interior desde superficie hasta el
cople de retención.
4.- Cálculo de volúmenes y desplazamiento.
Volumen de desplazamiento
Volumen del espacio anular
Cople
Zapata
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Calcule todos los volúmenes
necesarios para la cementación de
una TR de 11 7/8”, donde la última
TR es la de 16”, considere una cima
de cemento a 1,000 mv.
• Nota: Para el exceso del espacio
anular entre el agujero descubierto
de 14 ½” y la TR de 11 7/8”,
considere:
• Opción 1: Registro Caliper, el cual
nos da un diámetro promedio de
14.756”.
• Opción 2: Pozo de correlación, el
cual absorbió un 17 % de exceso.
4.- Cálculo de volúmenes y desplazamiento.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Definición: Una presión diferencial es una diferencia entre las
presiones hidrostáticas que ejercen dos fluidos situados a la
misma altura y separados por una pared física (como puede ser
una TR).
• Para el caso de las cementaciones, si la presión en el interior es
mayor que la del exterior, la diferencial se considera como
negativa o a favor. Si la presión en el interior es menor que la del
exterior la diferencial se considera positiva o en contra.
5.- Cálculo de presiones diferenciales.
ie PhPhP
10
hiP
e
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Construcción de la gráfica de presiones diferenciales:
• 1.- Relativa: Considerando todos los puntos por donde pasa la
lechada, desde que entra al pozo hasta que se posiciona en el
espacio anular programado, alcanzando presión final.
• 2.- Absoluta: A cada punto relativo calculado, sumar la presión de
bombeo circulante con el gasto a usar en la cementación.
• En base a lo anterior, y al estado mecánico de ejemplo del pozo
Zaap-19, construya ambas gráficas de presiones diferenciales,
graficando el volumen operativo vs la presión. Para la gráfica
absoluta, considere una presión de bombeo de 600 psi a 5 BPM.
5.- Cálculo de presiones diferenciales.
ie PhPhP
10
hiP
e
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Construcción de la gráfica de presiones diferenciales: Ejemplo
5.- Cálculo de presiones diferenciales.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• En la física clásica, los líquidos se consideran incompresibles. Por
esta razón, la aplicación en términos de ingeniería de los líquidos
es infinita, por ejemplo, los gatos hidráulicos, la dirección
hidráulica, etc.
• Sin embargo, en la mecánica de fluidos, los líquidos tienen una
pequeña compresibilidad, que es importante calcular y conocer,
sobre todo si están sometidos a altas presiones.
• La compresibilidad se define como la reducción en volumen de un
líquido al ser sometido a una presión, sus unidades son 1/psi ó
psi^-1.
6.- Cálculo de compresibilidad.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Módulos de compresibilidad:
• Diesel: 6.1 x 10^-6 [1/psi]
• Sólidos: 2.9 x 10^-6 [1/psi]
• Agua: 2 x 10^-7 [1/psi]
• Cálculo de la compresibilidad:
• Donde:
• Vcomp = Volumen de compresibilidad
• Comp = Compresibilidad del fluido
• Pprom = Presión promedio antes de alcanzar presión final.
• Vteorico = Volumen teórico de desplazamiento.
6.- Cálculo de compresibilidad.
teóricopromcomp VPCompV
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• Compresibilidad del fluido:
• Presión Promedio:
• Ejercicio: Calcule la compresibilidad de un fluido de emulsión
inversa con los siguientes datos: agua = 20%; diesel = 60 %;
sólidos = 20%. También calcular la densidad del fluido.
• Densidad de la barita: 4.16 gr/cc; densidad del diesel: 0.85 gr/cc
6.- Cálculo de compresibilidad.
solsoldiedieagag comcomcomCom %%%
2
progdifprom
PPhP
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Con el objetivo de conocer la máxima presión permisible de
acuerdo a la resistencia de la TR, es necesario hacer un análisis de
presiones:
• 1.- Presiones uniaxiales: Son presiones que presentan en una sola
dirección, y son:
• Axiales: tensión y compresión.
• Radiales: presión interna y colapso.
• Factores de seguridad API:
• Para la tensión y compresión: 1.6
• Para la presión interna: 1.25
• Para el colapso: 1.125
7.- Cálculo de presiones uniaxiales, biaxiales y triaxiales.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• 2.- Presiones biaxiales: Son presiones que se presentan con la
combinación de una presión axial y una presión radial:
• Tensión – presión interna.
• Tensión – colapso.
• Compresión – presión interna.
• Compresión – colapso.
• 3,. Presiones triaxiles: Son presiones que se presentan con la
combinación de una presión biaxial y una presión tangencial
originada por el esfuerzo que ejerce la formación hacia la tubería
por el efecto de un ángulo que tiene el pozo.
7.- Cálculo de presiones uniaxiales, biaxiales y triaxiales.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Un buen trabajo de cementación, además de un buen diseño y la
densidad de la lechada uniforme, requiere de alcanzar presión
final. La presión final se alcanza cuando el tapón sólido ó el tapón
limpiador con el dardo (en el caso de los Liner) se acopla con el
cople de retención. La presión en ese momento será la presión
diferencial más la presión de bombeo circulante, es decir, la
presión de bombeo absoluta en ese momento.
• Se recomienda represionar con 500 psi adicionales, parar bombeo
y aguantar la presión final por 10 minutos, posteriormente
desfogar la presión y probar el equipo de flotación.
8.- Concepto de presión final.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Para poder alcanzar presión final,
se considera la suma de dos
volúmenes adicionales:
• 1.- La mitad del volumen que existe
entre el cople y la zapata.
• 2.- El volumen de la
compresibilidad, siempre y cuando
no exceda el volumen anterior.
• Dichos volúmenes se denominarán
“Sobre-desplazamiento:
8.- Concepto de presión final.
compzapcopledesplsobre VVV 5.0
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Se recomienda ampliamente no exceder el
volumen de sobre-desplazamiento, con el
objetivo de no lavar la zapata, lo cual
ocasionaría una cementación forzada, que
derivaría en costos adicionales e
innecesarios a la empresa.
• En caso de no alcanzar presión final, se
continua con el procedimiento, que es
probar el equipo de flotación, si la prueba
es satisfactoria se da por concluida la
operación.
• En el caso de los Liner, si se observa con
claridad el acoplamiento dardo-tapón, es
totalmente confiable el volumen de sobre-
desplazamiento, a su vez se tiene que
hacer un recalculo del faltante para
alcanzar presión final.
8.- Concepto de presión final.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• En el caso de las TR´s
que llegan a superficie y
en donde parte del
desplazamiento se
efectúa con la bomba del
equipo, se recomienda
ampliamente tener la
medida exacta de la
eficiencia de la bomba.
8.- Concepto de presión final.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• En una cementación, es muy importante calcular y conocer cual
va a ser la presión máxima a manejar. Básicamente se tienen tres
consideraciones:
• 1.- Conexiones superficiales de control: Aquí se debe considerar
la presión nominal de la cabeza de cementar y las líneas de
control de 2”, tanto del equipo como de la unidad de alta.
• 2.- Yacimiento: De acuerdo a la presión de fractura, y a la
densidad equivalente de circulación durante la operación, se
deben calcular cual sería la presión máxima para no rebasar
dicha presión de fractura.
• 3.- Tubería de Revestimiento: Se deben hacer cálculos de
resistencia a la tensión, a la presión interna y al colapso, y definir
cual sería la presión máxima permisible.
• En base a lo anterior, seleccionar la presión menor, y esa será la
presión máxima a manejar en la cementación.
9.- Presión máxima en una cementación.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• En la cementación de TR´s, Petróleos Mexicanos tiene sus
normas, guías y procedimientos los cuales dan la pauta para que
el diseño de las lechadas sea el más adecuado, dependiendo la
operación y siempre apegado a la normatividad API.
• La densidad de la lechada es uno de los primeros parámetros del
diseño. Esta debe encontrarse por arriba de la densidad de la
presión de poro ó colapso y por debajo de la densidad de la
presión de fractura, y se debe ajustar para no ocasionar pérdidas
de circulación, de acuerdo a la presión máxima que la operación
requiera.
• Después, un parámetro muy importante es el tiempo bombeable,
el cual es el tiempo que la lechada se mantiene por debajo de 30
unidades de consistencia (unidades bourden) y por ende puede
ser aun bombeada al pozo.
10.- Diseño de una cementación.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
10.- Diseño de una cementación.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
10.- Diseño de una cementación.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
10.- Diseño de una cementación.
• Una vez revisado y establecida la densidad de la lechada, el
tiempo bombeable y el esfuerzo compresivo, el siguiente
parámetro de diseño es la temperatura.
• En el golfo de México el gradiente geotérmico de la tierra es de 3
°C / 100 m.
• Para el diseño de la lechada, esta debe mantener sus
propiedades y altos esfuerzos compresivos una vez que este
fraguada, por lo que se diseña de acuerdo a la temperatura
estática de fondo (BHST) y la temperatura circulante de fondo
(BHCT).
• Ejercicio: Calcular la temperatura en el fondo del pozo (a 2,506
mv), considerando una temperatura superficial de 20 °C.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
10.- Diseño de una cementación.
• Otros parámetros importantes para el diseño de la lechada son:
• Agua libre y sedimentación.
• Control de filtrado.
• Reología.
• Migración de gas.
• Finalmente, ya con todo el diseño anterior, se procede a
seleccionar los aditivos necesarios para que la lechada pueda
cumplir con lo diseñado.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
10.- Diseño de una cementación.
• Familia de Aditivos:
• Aceleradores.
• Retardadores.
• Extendedores.
• Densificantes.
• Dispersantes.
• Control de filtrado.
• Control de pérdida de circulación.
• Aditivos especiales (antiespumantes, trazadores radioactivos)
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
10.- Diseño de una cementación.
• Una vez obtenido el diseño teórico, se procede a efectuar las
siguientes pruebas de laboratorio, para confirmar lo que se
diseño de la lechada:
• Mezclado (en 15 seg a una velocidad de 4,000 rev/seg).
• Agua libre (máximo 1.4 %).
• Pérdida de filtrado.
• Tiempo de espesamiento.
• Niveles de gelificación de la lechada.
• Temperatura estática de fondo (BHST).
• Temperatura circulante de fondo (BHCT).
• Resistencia a la compresión.
• Las pruebas de laboratorio son muy importantes, ya que
permiten hacer los rediseños y reingeniería necesarios para que
la lechada cumpla con el propósito para el cual se diseñó.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Del estado mecánico del Zaap-19, considerar los siguientes datos:
• Cima de cemento: 1,200 mv.
• Cople diferencial: 2,530 mv
• Zapata guía: 2,555 mv.
• Densidad de la lechada: 1.35 gr/cc.
• Densidad de lodo E.I: 1.20 gr/cc, con 25% de agua, 60% de diesel y
15% de sólidos.
• Rendimiento: 58.51 [lts/sc]
• Requerimiento de agua de mezcla: 28.76 [lts/sc]
• Exceso en el agujero descubierto: 15%.
• Presión de bombeo a 4 BPM: 600 psi.
• Tiempo bombeable: 5 horas.
Ejercicio práctico.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Dibujar a mano el estado mecánico con los datos anteriores, y
cálcular:
• 1.- Volumen de la lechada.
• 2.- Volumen de desplazamiento.
• 3.- Presión de llegada del tapón sólido al cople de retención.
• 4.- Tiempo de bombeo total (toda la operación a 4 BPM).
• 5.- Compresibilidad del lodo de E.I.
• 6.- Volumen de sobre-desplazamiento.
• 7.- ¿El tiempo total de bombeo cumple con el tiempo bombeable?
• 8.- Calcular el gasto mínimo de bombeo para salir a tiempo con el
tiempo bombeable.
• 9.- Calcule la cantidad de cemento a emplear.
• 10.- Calcule la cantidad de agua de mezcla a emplear.
Ejercicio práctico.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• 1.- ¿Cuáles son los tipos de cemento que se usan en la industria
petrolera y que características tienen?
• 2.- Describa brevemente los tipos de cementación.
• 3.- Defina densidad, rendimiento y requerimiento de agua, que
unidades tienen.
• 4.- Defina capacidad, volumen y desplazamiento.
• 5.- Defina presión diferencial, dibuje a manera de ejemplo una
gráfica de presiones diferenciales exponiendo el comportamiento
de la presión en una cementación.
• 6.- Defina compresibilidad, que unidades tiene.
• 7.- Defina presión final.
• 8.- ¿Cómo se obtiene el volumen de sobre-desplazamiento?
• 9.- Describa los elementos para obtener la presión máxima a
manejar en una cementación.
• 10.- ¿Qué es el tiempo bombeable y el esfuerzo compresivo?
Evaluación Teórica.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• La cementación de TR´s es la operación más importante en la
perforación del pozo.
• Se recomienda para el tiempo bombeable se considere a las 30
unidades de consistencia (bourden).
• Se recomienda que el porcentaje mínimo de agua sea del 38%.
• Se recomienda que el tiempo de fraguado sea en la intersección
de las curvas de tiempo de transito y esfuerzo compresivo
(mínimo a 500 psi, de acuerdo a API).
• Se recomienda que la densidad de la lechada sea uniforme y que
se tomen muestras caja por caja para una referencia posterior.
• Se recomienda correr pruebas de compatibilidad entre el
cemento, bache y lodo de perforación.
• Se recomienda no sobre-desplazar más de lo calculado, para
evitar lavar la zapata, preferible rebajar un pequeño poste a
efectuar una cementación forzada, que representaría altos
costos.
Conclusiones y Recomendaciones.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
• Ingeniería de Cementaciones, Tomo 07, Libro Un Siglo de la
Perforación en México, PEMEX – UPMP.
• Guía Práctica para Diseñar y Efectuar Cementaciones Primarias,
PEMEX – UPMP.
• Procedimiento de PEMEX: PE-SP-OP-0112-2012: Cementación de TR
• Procedimiento de PEMEX: PE-SP-OP-0181-2012 Cementación de
Liner.
• Norma Oficial de Referencia de PEMEX: NRF-069-PEMEX-2006:
Cementos Clase “H” y “H-PEMEX” empleados en pozos petroleros.
Bibliografía.
Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap
GRACIAS POR
SU ATENCIÓN
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