Cementación de pozos. II Parte

in steemstem •  2 months ago  (edited)


Saludos amigos e integrantes de la comunidad científica y académica de stem-espanol. Al mismo tiempo aprovecho la oportunidad para saludar a las comunidades amigas de #steemstem, #utopian-io, #curie, #entropia y #cervantes por el apoyo a la misma línea de publicación.

Dando continuidad a mi serie temática referida a la cementación de pozos, les presento mi segunda entrega dedicada a tres temas que dan profundidad y claridad a este proceso tan importante como es la cementación de pozos. Los puntos a tratar en el presente artículo, tienen como objetivo primordial, formar al lector y todos los interesados en aprender sobre perforación de pozos sobre la importancia que tiene una correcta cementación en los costos finales en la construcción de un pozo de petróleo, describir los diferentes tipos de estandarizaciones y aditivos del cemento y lechada de cemento.

Introducción

El presente artículo se desarrollara en base a tres temas muy importantes en la cementación de pozos, uno de ellos es describir los costos operacionales en la perforación de pozos, para de esta manera, comparar los costos en el proceso de cementación con los costos de los otros procesos involucrados en la perforación y construcción de un pozo. En la primera parte de esta temática se habló sobre la importancia de realizar una óptima cementación primaria, y de esta manera evitarnos gastos adicionales en tener que hacer correcciones en los trabajos de cementación primaria, sin embargo en esta segunda parte quiero complementar realizando un análisis y evaluación fundada en criterios propios en base a mi experiencia en la perforación de pozos.

Como segundo tema trataré los diversos procesos de estandarización del cemento empleado en la cementación de pozos, en el proceso de perforación resulta muy necesario estandarizar todos los procesos en la perforación de pozos, la estandarización obliga a regir todos estos procesos por una serie de normas y procedimientos que ayudan a la optimización de los procesos. El proceso de cementación no se descarta dentro de este proceso de estandarización, es por ello que los diferentes tipos de cemento existentes para la preparación de lechadas de cemento deben regirse por una clasificación o estandarización que generalmente viene dictaminada por el Instituto Americano del Petróleo (API). Con esta clasificación y nombramiento de los distintos tipos de cemento se busca organizar su utilidad en función de cada tipo de cemento para una profundidad del pozo, condiciones de temperatura y diferentes condiciones de uso.

Como tercer punto a tratar en este artículo está los aditivos químicos en la fabricación de la lechada de cemento, es importante recalcar que la descripción de estos aditivos están enfocados en base a la fabricación de la lechada, ya que en la primera parte de esta serie temática se mencionaron y explicaron los aditivos químicos del cemento, en la elaboración de la lechada se utiliza básicamente cemento portland y agua, sin embargo dependiendo de los requerimientos de la cementación en base a la fase del pozo que se requiera perforar se deben emplear una serie de aditivos químicos que darán la consistencia óptima para realizar el proceso de cementación.

En resumen en el presente artículo, se explicarán los siguientes temas:

  • Evaluación y análisis de los costos de cementación en la perforación y construcción de un pozo de petróleo
  • Estandarización del cemento
  • Aditivos químicos de la lechada

Evaluación y análisis de los costos de cementación en la perforación y construcción de un pozo de petróleo


Como se mostró en la tabla Nº1, la cementación representa en promedio entre el 5 al 8 % del porcentaje total de la perforación y construcción de un pozo de petróleo, sin embargo este dato puede ser engañoso, ya que este costo está asociado sólo a los trabajos de cementación primaria, es decir la primera cementación que se realiza en el pozo para fijar el revestidor a las paredes del hoyo. Todo esto significa que si la cementación primaria falla, se pueden llegar a incrementar los costos operacionales asignados para la perforación y construcción del pozo, aunado a eso no solo se incrementa los costos operacionales del pozo, sino que una cementación primaria deficiente puede llegar a afectar las operaciones de completación y producción del pozo, lo cual conlleva a un riesgo de la pérdida del pozo, e inclusive llega a existir un mayor número de rehabilitaciones en el pozo una vez que este se encuentre en producción.

La conclusión del caso es que a pesar de que los costos de perforación y construcción de un pozo asociado al proceso de cementación no supera ni el 10% del costo total, no podemos confiarnos y permitirnos riesgos de que los trabajos de cementación primaria fallen, ya que si estos fallan puede traer como consecuencia un aumento de los costos en las rehabilitaciones, productos de las sucesivas cementaciones secundarias que deben realizarse para solventar los problemas de las malas cementaciones primarias.

Otro factor a considerar en el incremento de los costos de perforación asociados a la cementación es la profundidad total de los pozos, mientras más profundos sean los pozos más volumen de lechada de cemento se tiene que bombear al pozo, más cantidad de accesorios para la cementación se tienen que emplear, por lo tanto los costos por cementación aumentaran a medida que la profundidad de los pozos sea mayor, sin embargo esta es una condición que no se puede cambiar, ya que viene intrínseca como característica esencial del yacimiento productor.

En este aspecto de los costos asociados a la cementación de pozos, la optimización del proceso de cementación debe ir asociado a poder realizar una cementación primaria sin ningún tipo de fallas, digo esta acotación, ya que el ingeniero de cementación quizás quiera contribuir a bajar los costos de perforación, minimizando los costos teniendo que reducir por ejemplo el costo por accesorios empleados en la cementación, tal puede significar el caso de los centralizadores, los centralizadores son accesorios que se bajan al pozo con la intención de que las tuberías de revestimiento pueden quedar geométricamente centradas en el pozo, todo esto con la intención de que al momento de bombear la lechada de cemento esta queda lo más dispersa posible.

En mi experiencia como ingeniero de operaciones de perforación siempre tuve inconvenientes técnicos y de comunicación con los jefes de equipo de los taladros, ya que ellos no compartían el criterio técnico de bajar centralizadores al pozo, alegando que contribuyen a que la tubería de revestimiento se atascara y causara problemas de pega con las paredes del pozo, criterio técnico que podía ser evaluado y analizado, pero lo que pasaba cuando no se bajaba los revestidores con los centralizadores es que la cementación no quedaba lo más geométricamente equilibrada entre las paredes del pozo y el revestidor. A continuación quiero presentar la figura Nº1, la cual hace relevancia de un ejemplo de mala cementación por no bajar los revestidores con centralizadores:


El problema de que no exista una uniformidad del cemento entre las paredes del hoyo y el revestidor es que puede quedar parte del lodo de perforación sin desplazar, por lo que el fraguado del cemento se va a debilitar, pudiendo así fracturarse con el peligro de que se comuniquen los fluidos existentes en la formación con acuíferos superficiales, la recomendación es que se tenga que realizar una cementación secundaria, lo malo es que esto traería como consecuencia un incremento en los costos de perforación asociados al proceso de cementación. La conclusión del caso es que por querer ahorrar en la compra de un accesorio, o por el simple hecho de no querer bajar centralizadores al pozo, estaríamos causando a la larga incrementos en los costos de perforación producto de una mala cementación primaria.

Estandarización de los cementos de perforación

El instituto Americano del Petróleo (API) define ocho clases estándar y tres tipos estándar de cemento para ser empleados en la cementación de pozos. Las ochos clases especificadas son designadas desde clase A hasta la H. Los propósitos de los diferentes clases están definido en la tabla Nº2, en los que se clasifica según la API por la clase, profundidad (pies) y temperatura estática (ºF).


Las clases G y H son los tipos de cemento más frecuente en operaciones de cementación de pozos, y las clases A y B se usan generalmente en las cementaciones del revestidor superficial, claro esta se utilizara para el revestidor superficial siempre y cuando se cumpla con un diseño en la construcción de pozos profundo, es decir para un pozo que siga la siguiente configuración mecánica: Hoyo conductor – Hoyo superficial – Hoyo intermedio – Hoyo de producción.

Las propiedades de estos distintos tipos de cemento mejoran en su calidad, siempre y cuando controlemos se controle su composición química en su elaboración, de tal manera que se obtengan cementos que puedan desarrollar un acelerado proceso de resistencia a los esfuerzos de comprensión. En la tabla Nº se realizó un resumen de cómo deber ser utilizado la clasificación API para el cemento portland petrolero dependiendo de la profundidad y la temperatura estática de los pozos, sin embargo todavía nos queda una pregunta por realizarnos:

¿Qué condiciones de uso debe seguir esta estandarización del cemento según la API?

Ante todo tenemos que analizar que para que el Instituto Americano del Petróleo haya podido estandarizar todos los tipos de cemento petroleros, debió realizar una serie de pruebas en las que se simulará el comportamiento de reacción que puede tener el cemento, una vez que entre en contacto con los distintos fluidos existentes en el pozo, como el lodo de perforación, gas, agua de formación, petróleo, y en general con ciertos agentes químicos, bajo los cuales solo se recomienda esta clasificación (desde la letra A hasta la H) solo bajo las siguientes recomendaciones que serán explicadas a continuación:

Cemento clase A: es apropiado usar cuando no se requieren propiedades especiales, este cemento también está disponible solo en el tipo ordinario de resistencia a los sulfatos.

Cemento clase B: es recomendable su uso cuando las condiciones requieren moderada a alta resistencia a los sulfatos.

Cemento clase C: su uso se limita cuando existe moderada y alta resistencia a la comprensión del cemento.

Cemento clase D: se recomienda su uso cuando exista moderadamente altas temperaturas y presiones.

Cemento clase E: este tipo de cemento puede resistir altas temperaturas y presiones.

Cemento clase F: muy recomendado para pozos profundos donde exista presiones y temperaturas extremas.

Cemento clase G: es muy compatible para cuando se usan aditivos químicos como aceleradores y retardadores, y con condiciones de uso muy similares a los cementos A y E.

Cemento clase H: es compatible con aceleradores y retardadores, posee características similares con los cementos: A, B, C, D, E y F y también posee una composición similar al cemento clase B.

Esta estandarización proporcionada por el Instituto Americano del Petróleo (API) es muy Importante, ya que puede orientar el uso de los distintos tipos de cemento en base a las condiciones de profundidad de los pozos, y sobre todo a las condiciones de presión y temperatura extrema a los que está sometido, sobre todo tomando en cuenta que a medida que los pozos mientras más profundos son, la presión y temperatura son cada vez mayores. Otros aspectos a considerar es que si al momento de preparar la lechada de cemento queremos utilizar algún tipo de aditivo químico, como por ejemplo para acelerar o retardar el fraguado, debemos de considerar esta clasificación para chequear la compatibilidad existente entre la reacción que puede ocurrir entre el cemento a utilizar y el aditivo que pretendamos utilizar.

Aditivos químicos de la lechada

La pregunta que cabe hacerse en este punto, es por qué tener que usar aditivos químicos en la preparación de la lechada, sobre todo teniendo en cuenta que ya hemos visto que el cemento tiene una composición química que debería ayudar al proceso de cementación en el pozo. La respuesta es que a pesar de que el cemento portland cumple con muchos de los requerimientos del pozo, en muchas circunstancias es necesario agregar aditivos químicos al cemento para cambiar sus condiciones según sea lo requerido para el proceso de bombeo, todo esto nos lleva a pensar que los aditivos son más para ayudar a las condiciones de bombeo y desplazamiento, que las condiciones propias del pozo.

En la actualidad para la industria petrolera resulta muy importante contar con una gran diversidad de aditivos químicos, hoy en día quizás se puedan llegar a conseguir más de 50 aditivos para acompañar en la mezcla de la lechada empleando cementos con requerimientos y normas API, todo esto con la intención de obtener las propiedades más idóneas en las lechadas de cemento requeridas para cualquier condición de pozo que se presente. La mayoría de los aditivos de cemento que se están usando actualmente se presentan como aditivos en forma de polvo, que se incorporan al cemento en seco antes de transportarse al pozo, si quizás por problemas de logística no se puede llegar a realizar esta actividad de adición, muchos de estos aditivos se pueden incorporar al agua mezclando todo en sitio (al momento de realizar y bombear la lechada), o en su defecto se pueden llegar a utilizar algunos tipos de aditivos líquidos.

Dependiendo de las condiciones que debe satisfacer una lechada de cemento en particular, se deben seleccionar los aditivos de acuerdo a ciertos requerimientos, como por ejemplo: cambio de densidad, resistencia a la comprensión y tiempos de bombeabilidad (aceleradores o retardadores), filtración, fraguado del cemento y todos aquellos requerimientos que ayuden a reducir los costos de operación, siempre cuidando de mantener los requerimientos del pozo a las propiedades deseadas. En conclusión podemos decir que los aditivos de cemento que se utilizan en la industria petrolera, se clasifican en:

  • Aceleradores
  • Alivianadores
  • Densificantes
  • Retardadores
  • Agentes de control de filtrado
  • Reductores de fricción

Aceleradores

Si la cementación que se va a realizar al pozo es para hoyos superficiales, lo recomendable es usar aditivos aceleradores en la preparación de la lechada de cemento, ya que cuando tenemos que cementar el hoyo conductor la profundidad ronda por los 1000 pies, por lo que las lechadas a ser usadas a poca profundidad y bajas temperaturas requieren de poco tiempo para su bombeabilidad, y con esto la lechada pueda desarrollar una temprana resistencia a la compresión, sobre todo para pozos que tengan a esas profundidades temperaturas inferiores a los 100 ºF.

Como dije anteriormente si la idea es acortar el tiempo de bombeabilidad del cemento es recomendable el uso de estos aditivos, por lo que la incorporación a cementos básicos, pueden llegar a suministrar de excelentes propiedades mecánicas en tan solo 4 horas, desarrollando una resistencia a la comprensión de 500 psi. El uso de estos aditivos es aceptado, considerando que una resistencia a la comprensión de 500 psi es la mínima aceptada para proporcionar la adherencia y soporte de la tubería de revestimiento.

Existen distintos elementos químicos que funcionan como aceleradores en la lechada de cemento, y que a su vez se recomienda un cantidad limitada para cada tipo de cemento a emplear, en la tabla Nº3 de fuente: “cementing, Dwight k. Smith, pag. 17” se muestra un resumen de los aceleradores más comunes para los distintos tipos de cemento API:


Alivianadores

Las lechadas de cemento preparadas según norma API, de los cementos A, B, G o H, requieren una cantidad determinada de agua que dará una densidad en exceso a las 15 lbs/gal. Muchas formaciones no soportan pesos excesivos producto de largas columnas de cemento con estas densidades, por lo que resulta necesario emplear aditivos que alivien o reduzcan la densidad de estas lechadas. El uso de estos aditivos no solo bajan la densidad de la lechada, si no que proveen elaboraciones de lechadas más económicas, también incrementan el rendimiento de la misma.

El procedimiento empleado para emplear estos Alivianadores y lograr bajar la densidad de la lechada involucra dos procedimientos: uno de ellos es agregando agua, y el otro incorporando sólidos que tienen baja gravedad específica, o en algunos de los casos agregando agua y algunos de estos sólidos.

Los materiales sólidos normalmente usados como aditivos para reducir el peso de la lechada se muestra en la tabla Nº 4, de fuente: “Cemeting, Dwight k. Smith, pag: 20:


Densificantes

Cuando cementamos un pozo ocurre que cuando desplazamos lechada de cemento ésta desplaza paulatinamente el lodo de perforación del espacio anular entre hoyo y tubería de revestimiento, en mucho de estos casos la lechada de cemento no conserva la densidad necesaria para mantener las presiones de la formación, por lo que frecuentemente para poder compensar esas altas presiones encontradas en pozos profundos, se exigen lechadas de cemento de alta densidad.

Para incrementar la densidad de la lechada es necesario agregar unos aditivos que logren densificar (subir densidad), estos aditivos son llamados densificantes y deben cumplir con las siguientes propiedades:

  • Deben tener una gravedad específica entre 4.5 a 5.0.
  • Deben tener un bajo requerimiento de agua.
  • No deben reducir significativamente la resistencia a la compresión del cemento.
  • No debe afectar el tiempo de bombeabilidad de la lechada.
  • Debe existir compatibilidad entre estos aditivos densificantes y otros aditivos que se puedan agregar a la lechada.
  • Estos aditivos no deben interferir con los registros que posteriormente se pueden correr en el pozo.

Los aditivos más comunes y que se usan para densificar la lechada de cemento se muestran en la siguiente tabla Nº 5 de fuente: “Cemeting, Dwight k. Smith, pag 23.”


De éstos materiales densificantes, la hematita es la más ampliamente usada porque presenta los mejores requisitos físicos y tiene la más alta gravedad específica.

Retardadores

Los aditivos químicos denominados retardadores son los empleados para prevenir que el cemento fragüe muy rápido, por lo que se han incorporado al mercado de la industria petrolera una gran cantidad de estos aditivos con la intención de incorporarlos a la lechada de cemento para extender su tiempo de bombeabilidad. Podemos analizar que si lo que buscamos es extender el tiempo de fraguado, es porque necesitamos más tiempo para poder bombear y desplazar la lechada de cemento, generalmente cuando tenemos que cementar los hoyos intermedio y de producción se pueden manejar profundidades muy grandes, que a su vez involucran la necesidad de bombear altos volumen de lechada, por lo que extender el tiempo de fraguado es muy importante para la operación de cementación.

Existen diversas teorías que explican que el mecanismo de funcionamiento de estos aditivos retardadores, probablemente, la más aceptada es la que expone el hecho de que los retardadores afectan la relación de la relación agua – cemento mediante algún tipo de proceso de absorción. Los retardadores más comúnmente empleados para retardar el proceso de fraguado en la cementación de pozos son: sales de sodio, ácidos lignosulfonicos y calcios, estos aditivos deben ser compatibles con los otros aditivos usados en los cementos, así como también con el propio cemento.

Los aditivos con altas relaciones de agua exigen retardadores adicionales para lograr un tiempo de bombeabilidad adecuado para las determinadas condiciones del pozo a cementar.

Agentes de control de pérdida de circulación

Si la zona litológica que vamos a cementar es una zona permeable, lo más probables es que pueda ocurrir una pérdida de lechada de cemento hacia la formación, por lo que es recomendable preparar una lechada de cemento con aditivos de control de pérdida de circulación. Existen normalmente dos pasos para combatir las pérdidas de circulación, el primero es reducir la densidad de la lechada, y el segundo es agregar un material de puente o taponamiento. Otra técnica es agregar nitrógeno al sistema de lodo.

A continuación se muestra en la tabla Nº 6 los materiales más comunes que se usan en las lechadas de cemento para controlar la pérdida de circulación, fuente de la tabla: “Cementing, Dwight k, Smith, pag. 23.”


Agentes de control de pérdida de circulación

La pérdida de filtrado de una lechada de cemento se reduce con el uso de aditivos con el objetivo de: prevenir la pérdida de agua de la lechada hacia las zonas porosas de la formación, proteger las formaciones que son sensibles al agua, y por último optimizar el proceso de las cementaciones secundarias. Cuando se agregan aditivos de agentes de control de filtrado se forma una película, la cual controla el flujo de agua de la lechada de cemento y de esta manera previene la deshidratación rápida, también mejora la distribución del tamaño de partícula que determina cómo el líquido es mantenido en la lechada.

Entre los materiales más comúnmente empleadas como agentes de control de filtrado se encuentran: los polímeros orgánicos (celulosa), polímeros orgánicos (dispersante), látex y cemento bentónico.

Reductores de fricción

Los reductores de fricción son agentes dispersantes que son incorporados a las lechadas de cemento para mejorar sus propiedades de flujo, las lechadas a las cuales se les agrega estos aditivos logran tener una baja viscosidad y por ende resultan ser lechadas de cemento con una capacidad de bombeo dentro del comportamiento de flujo turbulento a bajas de tasas de bombeo y bajas presiones, por eso se minimizan la potencia hidráulica requerida, las posibilidades de pérdida de circulación y la prematura deshidratación.

En conclusión podemos decir que al agregar estos aditivos podemos bajar la viscosidad de la lechada, y con esto requerir menos potencia hidráulica en el bombeo de la lechada para realizar la cementación. Los dispersantes que se incorporan normalmente a una lechada de cemento son polímeros, agentes de control de pérdida de fluido. Ellos son usados a bajas temperaturas debido a que retardan al cemento solo ligeramente. Los lignosulfonatos de calcio (mezcla de ácidos orgánicos) retardan sustancialmente y son generalmente usados a altas temperaturas.

Conclusiones y consideraciones

La cementación es un proceso en el que la cementación primaria debe de hacerse bajo los mejores estándares de calidad en los procesos operacionales y materiales empleados, ya que de fallar la cementación primaria se pueden elevar los costos de perforación y construcción de un pozo de petróleo asociado a la cementación. Una cementación secundaria es posible dentro de los trabajos de rehabilitación y reparación de un pozo, pero de poder evitarse resultaría la mejor opción para no incrementar los costos.

Los costos de cementación también incrementan a medida que las cementaciones se realizan para pozos profundos, cuando los pozos tienen características litológicas particulares hace demandar ciertos tipos de aditivos que se tienen que agregar a la lechada para que forme ciertos rasgos que favorecen el proceso de cementación, sin embargo todas esas consideraciones deben realizarse bajo un diseño de lechada de cemento que contempla las mejores decisiones en función de realizar un diseño de lechada que cumpla con los requerimientos que demanda el pozo pero sin generar gastos tan excesivos.

Cabe mencionar, que este artículo proporciona una guía para poder saber cuáles son los tipos de cemento según la estandarización API a usar para los pozos según sea su profundidad, temperatura y presión. Es muy importante este proceso de estandarización ya que nos permite optimizar los procesos en la fabricación de la lechada eligiendo el tipo de cemento acorde a las condiciones del pozo.

Teniendo en cuenta que los pozos perforados tienen unas condiciones muy particulares, que ocasiones no van de la mano de los requerimientos operacionales en superficie para bombear y desplazar la lechada de cemento, muchas veces necesitamos retardar o prolongar el tiempo de fraguado del cemento, aumentar o disminuir ciertas propiedades de la lechada como la densidad y la viscosidad, controlar la pérdida de circulación de la lechada y controlar el filtrado del cemento. Para todas estas condiciones la industria petrolera tuvo que evolucionar en el uso de un gran número de aditivos que sirven para alterar a favor ciertas condiciones operacionales y constitutivas de la lechada del cemento.

El correcto uso y la óptima proporción de estos aditivos químicos en la fabricación de la lechada darán un éxito final en la operación y final fijación del cemento entre las paredes del pozo y el revestidor.

Espero que esta publicación sea del gusto de toda la comunidad de stem-espanol y demás comunidades amigas de steemit, esperando que tengan la disponibilidad y la confianza de continuar leyendo y apoyando mi blog académico sobre ingeniería petrolera, en esta oportunidad en mi serie temática: cementación de pozos. Un abrazo y hasta una próxima entrega.

Referencia consultadas

  • Metodología para Analizar y Resolver Problemas de Perforación, por Nelson E. Cardozo.
  • Guía de Cementación de Pozos, del Cied.
  • Guía de Cementación de Pozos, por Oscar Villasmil.
  • Manual de Perforación de Pozos. Programa de Postgrado en Ingeniería de Petróleo. Centro de Formación y Adiestramiento de Petróleos de Venezuela y sus Filiales.

Nota: Todas las imágenes y videos son de mi autoría y fueron elaborados utilizando las herramientas de Microsoft PowerPoint.

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