cementacion de pozos

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17Cementación de pozos

Contenido

Panorama general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-2

Aditivos de cementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-3Aceleradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-3Retardantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-5Aditivos de control de pérdida de fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-6Extendedores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7Aditivos de control del agua libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7Materiales densificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-8Activadores de escorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-8Dispersantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-10Preventores de retrogresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-10

Diseño y aplicaciones de las lechadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-11Lechada de frente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-11Lechada de cola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12Lechada a presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12Tapones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12

Espaciadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13Cálculos de volumen de los espaciadores . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13

Manual de fluidos Baroid

Revisado Agosto 1, 1997 17-2

Panorama generalLos principales materiales de cementación usados enaplicaciones petroleras son:

C Cemento Portland, clases API A, C, H y GC Escoria de alto horno (blast furnace slag, o BFS)

C Puzolana (polvillo de cenizas), ASTM Tipos C y F

Cemento Portland es el nombre usado para todos losmateriales cementicios compuestos mayormente de

óxidos de calcio, sílice y aluminio. La escoria de altoshornos (BFS) es un subproducto obtenido de la

fabricación de arrabio en un alto horno. Las puzolanasson materiales de sílice o sílice/alúmina que reaccionan

con el hidróxido de calcio (cal) y agua para formar uncemento estable. Las puzolanas pueden ser naturales o

sintéticas.

Los materiales cementadores se usan en operaciones de

perforación para:

C Aislar zonasC Sujetar la tubería de revestimiento en el pozoC Proteger la tubería de revestimiento contra colapso,

corrosión y sacudimientos de perforaciónC Taponar pozos no productivos para su abandonoC Taponar una porción de un pozo para desviar la

perforaciónEste capítulo explica el uso de aditivos para controlar las

propiedades de la lechada de cementación y provee laspautas guías para operación ideal con cada tipo de

aditivo. Se provee el diseño y aplicaciones para lechadasde frente, cola y lechada a presión. También

Cementación de pozos

17-3

se provee diseño de tapones, pautas guías paraespaciadores, y cálculos de volumen de espaciadores.

Aditivos de cementaciónLas lechadas preparadas con materiales de cementaciónson tratadas con diversos aditivos para modificar el

tiempo de fraguado, las propiedades reológicas yfiltrantes, y la densidad. Estos aditivos se clasifican en:

C AceleradoresC RetardantesC Aditivos de control de pérdida de fluidoC ExtendedoresC Aditivos de control del agua libreC Agentes densificantes C Activadores de escoriasC DispersantesC Preventores de retrogresión de la resistencia

Aceleradores Los aceleradores acortan el tiempo de fraguado de unalechada y permiten que la lechada adquiera la necesaria

resistencia a la compresión en un espacio de tiempopráctico. En la Tabla 17-1 se dan las cantidades de

diversos aditivos usadas para regular los tiempos defraguado.



Aditivo Temp.,°F (°C) BFS Cemento%BWOW* gal/bbl L/m

Concentración

3

CaCl <120 (<49) 0.5-4.0 n/a n/a x2

NaCl <190 (<88) 1.0-10.0 n/a n/a x

KCl <190 (<88) 1.0-3.0 n/a n/a x

Alcoholes <150 (<66) n/a 0-1.0 0-3 x x

NaOH <190 (<88) según no disp. no disp. xneces.

Yeso <100 (<38) según no disp. no disp. xneces.

Silicato de <100 (<38) 1.0-3.0 2.0-12.0 6-36 xsodio

* %BWOW = porcentaje de agua por peso

Tabla 17-1: Aditivos aceleradores. Usar estos aditivos aceleradores para regular el tiempode fraguado de lechadas de cemento.


17-5

Retardantes Los retardantes prolongan el tiempo de fraguado de unalechada. Este retardo permite la colocación del cemento

antes que se produzca endurecimiento. Estos aditivoscontrarrestan los efectos del aumento de temperatura

sobre una lechada de cemento. En la Tabla 17-2 se danpautas guías de operación para aditivos retardantes.

Aditivo °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/mTemp.,

Concentración

3

Q-BROXIN <120 (<49) 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x x

Lignosulfato 100-160 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x xde calcio (38-71)

Gluconato 150-200 0.1-1.0 0.05-1.5 0.15-4 x xde sodio (66-93)

Heptogluco- 150-200 0.1-0.8 0.1-0.8 0.3-2.3 x xnato de sodio (66-93) gal/bbl gal/bbl gal/bbl

Citrato de 150-230 0.1-1.0 0.025- 0.07-1.1 x xsodio (66-110) 0.40

* %BWOC = porcentaje de cemento por peso

Tabla 17-2: Aditivos retardantes. Usar estos aditivos para prolongar el tiempo de fraguadode una lechada de cemento.



Aditivos decontrol depérdida defiltrado

Las excesivas pérdidas de agua hacia la formaciónpueden impedir que el cemento se endurezca

correctamente. Los aditivos de control de pérdida defiltrado se usan para reducir las pérdidas excesivas de

agua hacia la formación. Además, estos aditivos:

C Aumentan la viscosidadC Retardan el tiempo de fraguadoC Controlan el agua libre de la lechada

La Tabla 17-3 detalla los aditivos comunes de control de

pérdida de filtrado para lechadas de cemento.


Concentración

3

PAC <200 (<94) 0.125-1.25 0.25-5.0 0.7-14 x x

CMC <175 (<79) 0.125-1.50 0.25-6.0 0.7-17 x x

HEC <200 (<94) 0.125-1.75 0.25-7.0 0.7-20 x x

CMHEC 120-230 0.125-1.00 0.25-4.0 0.7-11 x x(49-110)

BARAZAN PLUS <160 (<71) 0.05-0.40 0.1-1.5 0.3-4 x x


Tabla 17-3: Aditivos de control de pérdida de filtrado. Estos aditivos controlan la cantidadde agua que se filtra hacia las formaciones.


17-7

Extendedores Los extendedores rebajan la densidad de la lechada paracementar a través de formaciones débiles. Una lechada

más liviana reduce la presión hidrostática y contribuye aevitar daños a la formación. La Tabla 17-4 da pautas

guías operativas para aditivos extensores.

Aditivo °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/m

RangodeTemp.

Concentración

3

AQUAGEL 200 (94) 0.5-8.0 1.0-32.0 3-91 x

Ceniza volante, n/a Según Según Según xPuzolana neces. neces. neces.

Silicato de 250 (121) 1.0-3.0 2.0-12.0 6-34 x xsodio


Tabla17-4: Aditivos extensores. Los aditivos extendedores reducen la densidad de lalechada y ayudan a evitar daños por presión a las formaciones débiles.

Aditivos decontrol del agualibre

Los aditivos de control de agua libre mantienen fija elagua de lechadas de bajo peso o extendidas. Si esta agua

no estuviera controlada, las propiedades de la lechadacambiarían al ser absorbida agua en las formaciones

circundantes. Esta absorción afecta la circulación y elposicionamiento de la lechada. La Tabla 17-5 da pautas

guías operacionales para estos aditivos.




Concentración

3

AQUAGEL 200 (94) 0.5-8.0 2.0-32.0 6-91 x x

Clorhidrato 250 (121) 0.01-0.20 0.04-0.75 0.1-2.1 x xde aluminio


Tabla 17-5: Aditivos de control de agua libre. Usar estos aditivos para evitar absorción deagua por las formaciones.

Materialesdensificantes

Se pueden usar materiales densificantes para aumentar ladensidad del cemento o escoria y ayudar a controlar las

presiones de la formación. En la Tabla 17-6 se detallantres materiales densificantes.

Material densificante Peso específico

Barita 4.2

Hematita 4.8-5.0

Arena 2.6

Tabla 17-6: Material densificante. Usar aditivos de material densificante para controlarpresiones de la formación.

Activadores deescorias

La escoria de alto horno (BFS) es un material de cemento

hidráulico latente que no reacciona directamente con elagua. Es por ésto que el proceso de hidratación de la

escoria de alto horno es iniciada ya sea por activadoresquímicos o bien por temperaturas elevadas. Los

activadores químicos se usan según sea necesario endistintas proporciones y concentraciones, dependiendo de

las temperaturas que se espera encontrar (Tabla 17-7).


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Activadores de escorias Escala de temperaturas, °F (°C)

Soda cáustica <180 (<82)

Carbonato de sodio <180 (<82)

Cal <180 (<82)

Hidróxido de magnesio 150-250 (66-121)

Carbonato de magnesio 150-250 (66-121)

Pirofosfato tetrasódico >100 (>38)

Pirofosfato ácido de sodio >100 (>38)

Tabla 17-7: Activadores de escorias. Los activadores de escorias tienen por función iniciarel proceso de fraguado en las lechadas de escorias de alto horno.



Dispersantes Los dispersantes reducen la viscosidad de la lechada, loque es muy importante para la colocación y cohesión. La

correcta dispersión de una lechada da por resultado:

C Mayor y más temprana resistencia a la compresión. C Mayor control sobre pérdida de filtrado

C Mayor control sobre el agua libre

La Tabla 17-8 da pautas guías para operación con

dispersantes.

Dispersantes °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/mTemp.,

Concentración

3

Sulfonato de <200 (<94) 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x xnaftaleno

Q-BROXIN 110-200 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x x(43-94)

Lignosulfonato <160 (<71) 0.1-2.0 0.2-8.0 0.6-23 x xde calcio


Tabla 17-8: Dispersantes. Los dispersantes reducen la viscosidad de la lechada, lo que hacemás fácil su colocación y le da mayor cohesión.

Preventores deretrogresión dela resistencia

Las lechadas de cemento y escorias de alto horno que semantienen a temperaturas mayores de 200°F (94°C)

presentan con el tiempo una reducción de resistencia a la

compresión. Este fenómeno, denominado retrogresión de

la resistencia, se puede minimizar o evitar mediante elagregado de otra fuente de sílice a la lechada, tal como

harina de sílice o arena de sílice. La harina de sílicerequiere mezclar con más agua que la arena de sílice para

adquirir la misma viscosidad. La


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escala de temperaturas y las concentraciones se dan en laTabla 17-9.

Preventor deretrogresiónde la Temp.,resistencia °F (°C) BFS Cemento%BWOC* lb/bbl kg/m

Concentración

3

Harina de sílice >200 (>94) 15-50 30-200 86-570 x xy arena desílice


Tabla 17-9: Preventores de retrogresión de la resistencia. Estos aditivos son necesariossi el cemento (o el BFS) estarán en una región en que la temperatura se mantiene por encimade 200°F (94°C).

Diseño y aplicaciones de lalechadaLas lechadas, sean de cemento o de BFS (escorias de altohorno), deben ser concebidas especialmente para cadaaspecto diferente de la operación de perforación. Algunasde las diferentes clasificaciones de lechadas incluyen:

C Lechada de frenteC Lechada de colaC Lechada a presiónC Tapones

Lechada defrente

Una lechada de frente tiene por objeto cubrir una porcióngrande del espacio anular, ya sea pozo abierto o tuberíade revestimiento interior. Estas lechadas son de pesoligero, y son lechadas extendidas que no



contribuyen mucho a la columna hidrostática de lacolumna de cemento.

Lechada de cola Una lechada de cola tiene por objeto proveer la mayor

parte de la sustentación para la tubería de revestimiento oel liner que se está cementando. Esta lechada se coloca

sobre la zona de interés para aislar esa zona de lacontaminación. La zona de interés puede ser una

formación productora, una zona de agua, o alguna otrazona que requiera estar clausurada. Las características

ideales de una lechada de cola incluyen:

C Alta densidadC Capacidad para desarrollar alta resistencia a la

compresiónC Buen control del tiempo de fraguadoC No tener agua libre

Para una lechada de cola pueden ser necesarios aditivos

de control de pérdida de fluido.

Lechada apresión

Las lechadas a presión tienen por objeto ser usadas paracementación correctiva, o secundaria. Estas lechadas

deben tener buen control del tiempo de fraguado, buencontrol de pérdida de fluido, y especialmente buen

desarrollo de la resistencia a la compresión.

Tapones Los tapones deben ser diseñados para llenar lasnecesidades de la aplicación específica, ya sea tapón de

arranque, tapón de perdida de circulación, tapar yabandonar, etc. Idealmente, los tapones deben tener:

C Desarrollo de alta resistencia a la compresión parasellar la zona de taponamiento


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C Corto tiempo de fraguado

EspaciadoresLas tres funciones principales de los espaciadores son:

C Servir de barrera entre el fluido de perforación y lalechada de cemento, eliminando así la contaminaciónentre los dos

C Limpiar la tubería de revestimiento y la formación defluido de perforación que pueda impedir una buenaadhesión

C Actuar como agente mojante que remoje la tubería derevestimiento y las formaciones

Para que un espaciador sea efectivo, debe entrar dentrode ciertos márgenes de densidad y compatibilidad. Elespaciador debe ser más denso que el lodo, pero no tandenso como la lechada de cemento. El margen debe serde 1 a 1.5 lb/gal en cada sentido. Esta diferencia lepermite al espaciador separar los dos fluidos (la lechada yel lodo) e impedir que se contaminen uno al otro.

El espaciador necesita ser reológicamente compatibletanto con el lodo como con el cemento. La viscosidadideal del espaciador debe estar entre la viscosidad dellodo y la del cemento.

Cálculos devolumen de losespaciadores

Para calcular el volumen de espaciador requerido para untiempo de contacto específico, usar la siguiente ecuación:

V = (t )(q )(5.615)t c d

Donde

V = volumen de fluido, pies cúbicost

t = tiempo de contacto requerido, minc



q = régimen de desplazamiento, bbl/mind

5.615 = pies cúbicos/barril

En la mayoría de los casos, un tiempo de contacto de 10minutos o más proporciona excelente remoción de lodo.

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