Saludos amigos de la comunidad científica y académica de steemit.

En esta sexta entrega de mi serie temática de cementación de pozos, se complementaran ciertos aspectos que nos permiten obtener las especificaciones bajo las cuales debemos elaborar la lechada de cemento en base a condiciones de hoyo como:

[1] Profundidad y temperatura.

[2] Presión.

[3] Diámetro del hoyo basado en el registro de calibración.

[4] Gradiente de fractura.

[5] Llenado requerido en el espacio anular.

No solamente existen las condiciones del hoyo, como especificaciones para tomar en cuenta en el proceso de cementación, también existen factores externos como el lodo de perforación que hacen que la lechada tome un diseño y características propias para cada pozo a cementar, entre las consideraciones a tomar en cuenta en el lodo de perforación están las siguientes propiedades:

[1] Densidad.

[2] Índice de comportamiento de flujo.

[3] Índice de consistencia.

[4] Pérdida de agua.

Dentro de esos factores externos de la lechada, debemos de incluir el tamaño de revestidor, ya que el volumen de la mezcla de la lechada de cemento va a depender del tamaño del espacio anular, es decir mientras más pequeño sea el revestidor más volumen de mezcla de cemento vamos a necesitar.

Considerando que el cemento es el elemento protagonista en este proceso, no podemos obviar ciertas características que son fundamentales para poder evaluar las especificaciones de la lechada, estas características son propiamente de la lechada de cemento, es decir debemos de considerar un factor muy importante como lo es la tasa de mezcla de lechada y volumen de desplazamiento.

_{Vídeo introductorio: Cementación de Pozos. VI Parte. Autor: @carlos84}

Introducción

Para que una lechada de cemento pueda cumplir virtualmente con cualquier requerimiento, se debe tener la posibilidad de ser hecha en base a la existencia y variedad disponible de cemento, aditivos y agua de mezcla.

Los aditivos químicos tienen en muchos de los casos, más de un efecto, por ejemplo: los retardadores actúan como adelgazadores, pero si se logra se puede accionar un reductor de fricción para inducir la turbulencia, con lo cual la lechada de cemento puede quedar sobretratada e inestable.

La preocupación esencial en este proceso es el de poder verificar todas las propiedades del diseño de la lechada final, entre las que debemos asegurar que ciertos elementos como cemento, agua y aditivos para la mezcla de lechada sean un componente fielmente representativo de lo que demanda el pozo que se va a cementar.

Una vez que la lechada ha sido diseñada, se requiere continuar una vigilancia para observar cualquier cambio e impedir el uso de cualquier constituyente que no tuviera en el diseño de lechada original.

Se tienen dos circunstancias en las operaciones, que ameriten cambiar el diseño original de la lechada de cemento, una de ellas es que no ocurran cambios circunstanciales por configuración del pozo o disponibilidad de equipos y materiales, y de esta manera se pueda llevar el diseño original desde la preparación de la lechada hasta la colocación final del cemento en el pozo.

Otra de las circunstancias es que se tenga que añadir cualquier aditivo a la lechada, o inclusive cambiar cualquier orden en las operaciones de cementación a cómo se dicte en el programa de cementación, esto puede ser debido a un cambio final en la configuración del hoyo, que inclusive haga que por ejemplo el tiempo de bombeo cambie, y de esta forma se tenga que utilizar algún tipo de retardador.

Es por ello de la importancia de la supervisión constante a cualquier cambio que pueda ocurrir a última hora, y de esta forma poder determinar si es aceptable algún cambio a razón del diseño original de la cementación.

En forma general podemos decir que todos los puntos que pueden ser tratados en este artículo, se resumen en dos temas principales:

[1] Datos que determinan las especificaciones de la lechada de cemento.

[2] Control en las operaciones del trabajo de cementación.

Con estos dos temas se dará respuesta al tratamiento y control de los datos que determinan qué especificaciones se pueden tomar en cuenta al momento de preparar la lechada de cemento, por otro lado se podrá describir todas las técnicas y recomendaciones a considerar para mantener un control estricto en el trabajo de las operaciones del proceso de cementación.

Datos que determinan las especificaciones de la lechada de cemento.

Densidad de la lechada de cemento

El cemento debe ser siempre más pesado que el lodo de perforación, para ello es importante que se mida su densidad y se la compare con la del lodo de perforación. El que la lechada de cemento tenga una densidad mayor que la del lodo implica que cuando se bombee la lechada al pozo, se puede desplazar con facilidad el lodo de perforación existente en el pozo.

En caso de tener que utilizar una lechada de cemento de baja densidad, se recomienda emplear bentonita (es un tipo de arcilla) para que previamente se hidrate con agua fresca, para ser mezclada en seco con el cemento. No es necesario un tiempo de hidratación prolongado para la bentonita, es más que suficiente con una o dos horas máximo.

La densidad de la lechada para un desplazamiento a alta velocidad en el espacio anular (flujo turbulento) debería tener un valor de al menos de 0,5 libras/galón sobre la densidad del lodo de perforación. La densidad de la lechada para un desplazamiento a baja velocidad en el espacio anular (flujo tapón) debería ser tan grande como sea posible con un mínimo de 2 libras/galón.

Hay varias cosas a considerar de estos aumentos puntuales de la densidad de la lechada de cemento sobre la densidad del lodo de perforación, una de ellas es que, hay que tener cuidado que este incremento en la densidad de la lechada no genere una presión de circulación mayor a la presión de la formación, y para ello es necesario verificar los gradientes de fractura de la formación.

Otro aspecto importante a considerar, es que si analizamos el valor de la densidad de la lechada de cemento a razón del comportamiento de flujo, podemos darnos cuenta que cuando requerimos un desplazamiento a altas velocidades de flujo (flujo turbulento) tenemos que contar con una lechada lo más liviana posible, pero que tenga mayor densidad que la del lodo, es por ello que se recomienda un valor de 0,5 libras/galón por encima, sin embargo cuando requerimos un desplazamiento a bajas tasas de flujo, necesitamos una lechada pesada, para que demore en desplazarse, sin embargo es riesgoso ya que una lechada muy pesada puede llegar a fracturar la formación si se supera los valores admisibles de fractura.

Lo resumido en el comportamiento de densidad de la lechada versus velocidad de flujo lo representó en el siguiente gráfico:

Reología de la lechada de cemento

Para lograr un desplazamiento con flujo turbulento se requieren agregar aditivos que ayuden a la turbulencia. Para el desplazamiento de baja velocidad (flujo tapón) parte del cemento debe ser gelatinizado, de tal forma que la resistencia al gel de la lechada sea al menos 20 lbs/100 pies cuadrados mayor que la resistencia del gel inicial del lodo.

Estas recomendaciones de reología de la lechada son importantes para lograr un desplazamiento uniforme en base a las fuerzas de gel (viscosidad) que debe alcanzar la lechada en comparación a los esfuerzos de gel del lodo de perforación.

Pérdida de fluido de la lechada de cemento

En las operaciones de cementación es muy importante un control adecuado de la pérdida de fluido. Particularmente, en las operaciones de cementación forzada, cementación de pozos de gas y cementaciones de camisas (liners), sobre todo para espacios anulares angostos, es esencial que se usen lechadas de cemento con pérdida de fluido baja, para evitar una deshidratación del cemento durante el período de colocación y fraguado, de allí las siguientes recomendaciones:

[1] Cuando la cementación se realiza especialmente en el pozo con el objetivo primordial de aislar zonas, se recomienda aceptar valores de pérdida de fluido entre 150 hasta 300 centímetros cúbicos sobre todo para la cementación primaria.

[2] Cuando cementamos pozos donde queremos evitar migración del gas de formación, se recomienda tolerar una pérdida de filtrado menores a 50 centímetros cúbicos.

[3] Cuando se cementa espacios de camisas y/o liners y se realizan trabajos de cementación secundaria es recomendable tolerar una pérdida de filtrado hasta 50 centímetros cúbicos.

[4] En ausencia de un revoque del lodo efectivo, sobre todo para pozos perforados con aire y agua, se debe utilizar una lechada de pérdida de filtrado controlada, posiblemente en conjunto con un preflujo de baja pérdida de filtrado.

Tiempo de espesamiento (fraguado) de la lechada

El tiempo de espesamiento es el lapso de tiempo desde que el cemento, agua y aditivos se mezclan y se va obteniendo paulatinamente una consistencia de 100 unidades de consistencia, bajo condiciones diferentes de temperatura y presión, simulando siempre las condiciones del fondo del pozo.

Como se mencionó anteriormente se debe simular el comportamiento en el fondo del pozo a consecuencia de su presión y temperatura, ya que estas dos variables son las que más infieren en el tiempo del fraguado del cemento. Es por ello que resultaría necesario como se puede estimar y evaluar las condiciones de presión y temperatura en el fondo del pozo que influye en el tiempo de fraguado de la mezcla de lechada de cemento, para ello se describe lo siguiente:

Efecto de temperatura del hoyo sobre la lechada

El tiempo de espesamiento decrece con el aumento de temperatura. En base a esto debemos de tomar en cuenta la temperatura de circulación del fondo del pozo, ya que este valor es totalmente influyente en el tiempo de fraguado de la lechada de cemento. La relación entre temperatura de circulación y profundidad del pozo, es un función del gradiente de temperatura, por lo que podemos decir que el tiempo de circulación requerido para establecer la temperatura en el fondo del pozo es determinado predominante por la tasa de circulación.

Por ejemplo: Supongamos que se tienen dos pozos con la misma profundidad de 12400 pies, en uno de los pozos se establece una circulación del lodo por una hora, a una tasa de bombeo de circulación de 11 barriles/minuto.

Mientras que en el otro pozo se establece una circulación de 3 horas y media, a una tasa de bombeo de circulación de 5 barriles/minuto.

En conclusión puedo agregar que no solo de la temperatura en el fondo del pozo va a depender el tiempo de fraguado, sino que si la temperatura es la de circulación en el fondo, esta temperatura va a depender de la tasa de bombeo de circulación, que a su vez va a influir en el tiempo de circulación, lo que nos lleva a deducir que en el tiempo de fraguado del cemento podemos manipular a nuestro favor la temperatura de circulación en el fondo del pozo en base a la variación de la tasa de bombeo de circulación.

Efecto de presión en el fondo del hoyo sobre la lechada de cemento

El tiempo de fraguado se disminuye con el aumento de presión en el fondo del pozo, debemos de tener en cuenta que a altas profundidades se tienen altas presiones y temperaturas. Por lo que podemos generalizar que en la cementación de pozos de petróleo, y especialmente en pozos de gas, es primordialmente importante tener el tiempo de fraguado más corto, para de esta manera evitar migración del gas durante el proceso de fraguado.

Resistencia compresiva de la lechada

Los requerimientos de la resistencia a la compresión son importantes por el hecho de evaluar la resistencia del cemento a ciertos esfuerzos en el fondo del pozo, para estudiar y analizar la resistencia a la compresión del cemento es necesario tomar en cuenta lo siguiente:

[1] Influencia del tiempo: bajo condiciones ambientales, inmediatamente después que el cemento comienza a fraguarse con el tiempo hasta que se alcanza la última resistencia, inicialmente el cemento aumenta su resistencia a la compresión cuando adicionamos pequeñas concentraciones de cloruro de calcio o sal, pero altas concentraciones de estos aditivos no son tan recomendables, por lo que se debe evitar, ya que se puede presentar el efecto opuesto.

[2] Influencia de los aditivos: la resistencia compresiva se reduce aumentando el contenido de agua y mediante la adición de materiales tales como la bentonita o baritas. Cuando adicionamos estos tipos de arcillas a la lechada de cemento, se constituye una mezcla que es resistente a los esfuerzos de compresión, estas proporciones en la reducción de agua y aumento de estas arcillas deben tener un equilibrio, aunado a esto se recomienda utilizar ensayos de esfuerzos de compresión a muestras de cemento fraguado, y de esta manera ajustar las cantidades exactas de agua, bentonita y/o baritas.

[3] Influencia de la presión: las lechadas curadas a presiones moderadas muestran que la resistencia compresiva a las 24 horas fue aumentada considerablemente mediante la aplicación de 1000 psi, pero que con aumentos superiores de presión tienen muy poco efecto. La máxima presión de cura usada en los procedimientos de prueba estándar es de 3000 psi.

[4] Influencia de la temperatura: con valores de temperatura de cura de hasta 230ºF la resistencia a la compresión aumenta, también es de considerar que por encima de esta temperatura todos los cementos pierden resistencia, esta vulnerabilidad para la resistencia a la compresión es acompañada por aumento de la permeabilidad, por lo que se recomienda evitar un uso con la adición de 30%-40% de silica-fluor.

[5] Requerimientos de resistencia compresiva operacional: dentro de los requerimientos que se exigen para que el cemento tenga una resistencia a la compresión están las operaciones más adecuadas para que el cemento fraguado se ajuste a los requerimientos de compresión de la lechada. Se debe permitir un tiempo de espera adecuado en los tiempos de cementación para asegurar las siguientes resistencias compresivas mínimas para continuar con las operaciones de perforación y cañoneo.

En las operaciones de perforación, se recomienda que la lechada colocada en el fondo del pozo tenga una resistencia a la compresión de 500 psi.

Para las operaciones de cañoneo es recomendable que el cemento tenga una resistencia a la comprensión de 2000 psi. Podemos ver que la resistencia a la compresión del cemento en las operaciones de cañoneo del pozo se presentan valores de hasta 1500 psi por encima de la resistencia a la compresión del cemento que se tiene en las operaciones de perforación, esto se debe a que al tener que perforar ciertos pies de cemento fraguado, es más fácil avanzar en la perforación con un cemento de baja resistencia a la compresión, todo lo contrario cuando vamos a cañonear los intervalos de producción, en el cual se requiere una resistencia a la comprensión alta para que los conductos de comunicación entre la formación y el pozo sean canales óptimamente estructurados.

Hasta estos puntos tratados, puedo dar garantía que se han cubierto los objetivos planteados para cubrir todo lo que respecta al tema referente a los datos que influyen en las especificaciones que debe de tener la lechada de cemento, sin embargo buscando extender el complemento del proceso de cementación, se plantea el punto de poder describir en este artículo las técnicas y consideraciones más importantes para poder llevar un control de trabajo en ciertas operaciones en la cementación, que van desde el mezclado de la lechada hasta el tiempo que se debe considerar para que la lechada de cemento se desplace y llegue al sitio donde se quiere colocar en el fondo del hoyo.

Control en las operaciones del trabajo de cementación

Las operaciones de cementación involucran una diversidad de elementos a considerar para poder tener control en ciertas etapas de la cementación, entre las etapas de la cementación que vamos a centrar ciertas consideraciones operacionales y de control están:

[1] Operaciones de mezclado.

[2] Consideraciones técnicas en el volumen de agua para la lechada de cemento.

[3] Procedimientos en la medición de la densidad de la lechada de cemento.

[4] Consideraciones para el fluido de desplazamiento.

Operaciones de mezclado

La lechada de cemento es, generalmente, mezclada a través de un mezclador tipo chorro. Es un sistema crudo y la densidad de la lechada fluctúa, los trabajos donde sea esencial una calidad uniforme de la lechada, como en el caso de pozos muy profundos, se recomienda un mezclado llevado en diversas etapas, también es esencial verificar la capacidad y limpieza de las bombas que se tengan disponibles antes de efectuar el trabajo de bombeo.

Se deben coleccionar muestras representativas del cemento, agua de mezcla más cualquier aditivo antes del trabajo, y si se considera necesario, deben ser probados de nuevo en el laboratorio, para asegurar el control de calidad.

Todas las etapas durante la cementación deben ser registradas sobre una base de tiempo, es decir, comienzo y finalización del mezclado, desplazamiento paralizaciones, saltados de los tapones y pruebas de presión.

Similarmente se deben registrar contra tiempo todas las medidas de densidad de la lechada, presiones de bombeo y volúmenes de agua de mezcla y fluido de desplazamiento.

En conclusión las operaciones de mezclado de la lechada deben centrarse en cuidados que van desde una verificación exhaustiva de las bombas de lodo hasta la evaluación constantes de muestras de cemento, y de esta forma constatar su densidad y su futura resistencia a la compresión.

Consideraciones técnicas en el volumen de agua para la lechada de cemento

El volumen de agua de mezcla consumido debe ser medido y registrado junto con la densidad de la lechada (y la cantidad de cemento seco, si se conoce exactamente). Esto proporciona control del volumen de la lechada de cemento.

La disponibilidad del agua también influye como un factor indispensable dentro de las consideraciones de la mezcla de lechada de cemento, si nos encontramos en una locación en tierra, la logística para el manejo de agua tiene que ser bien planificada, tomando en cuenta los altos volúmenes a emplear, sin embargo si la cementación se va a ejecutar en pozos costa afuera, la disponibilidad del agua es mucha más fácil, aunque es primordial tomar en cuenta que el agua salada podría alterar las propiedades de la lechada de cemento.

Procedimientos en la medición de la densidad de la lechada de cemento

Todos los equipos de medición de la densidad deben estar limpios y calibrados antes de iniciar el trabajo de medición de la densidad.

El procedimiento que se recomienda para medir la densidad de la lechada es un usar un densómetro de registro continuo, y tomar medidas frecuentes con una balanza de lodo convencional. Se deberían de tomar varias medidas al comienzo del mezclado con una balanza de densidad de fluido presurizado, para determinar la densidad verdadera y calibrar el densómetro y la balanza del lodo. Se deben realizar medidas de verificación periódicas, a través del trabajo con la balanza de densidad de fluido presurizado.

Consideraciones para el fluido de desplazamiento

Cuando se va a continuar la perforación después de una cementación primaria, el programa de lodo para el hoyo más pequeño determinaría las propiedades del fluido de desplazamiento. Sin embargo, este fluido debería ser lo suficientemente pesado para asegurar el revestidor.

Cuando se cementa una sarta de producción en áreas presurizadas hidrostáticamente, la lechada debería ser desplazada por agua o por el fluido de completación, más bien que con el lodo de perforación.

Este procedimiento tiene las siguientes bondades:

[1]Disminuirá los micro-anulares formados cuando la presión interna del revestidor es subsecuentemente reducida.

[2] Disminuirá el tiempo del equipo.

[3] En el caso de desplazamiento de flujo tapón, reduce el efecto de tubo en U.

Sin embargo, en áreas sobre-presurizadas este procedimiento puede no ser garantizado. El desplazamiento de un fluido de baja densidad, bajo estas circunstancias puede resultar en una prueba de presión anormal, al final del trabajo.

Si el gradiente de presión del fluido de desplazamiento es significativamente más bajo que el gradiente de presión del fluido de la formación, es posible, que solamente la sección superior del revestidor sea probada a la presión requerida y no toda la sarta completa.

Aportes de la publicación

El proceso de cementación es una etapa clave en la construcción de un pozo de petróleo, es por lo tanto una necesidad de la ingeniería de petróleo conocer todas las bondades que brinda las experiencias acumuladas por parte de los ingenieros de operaciones e ingenieros de cementación en cada trabajo realizado en campo.

En esta publicación se resaltan ciertas consideraciones a tomar en cuenta como datos del pozo, la lechada y el revestidor a cementar, como factores influyentes en las especificaciones que se deben plasmar en el diseño de la lechada y el paso a paso para las operaciones del proceso de cementación, que abarca desde las pruebas de laboratorio, logística para la manipulación de aditivos, cemento, agua, arcillas, hasta preparar la mezcla exacta que pueda cumplir con los requerimientos de la cementación primaria o secundaria en el pozo.

Los trabajos en las diversas etapas del proceso de cementación deben contar con una planificación y control, que no escapa claro está de los conocimientos proporcionados por la pericia de los ingenieros, obreros y trabajadores en general que están a la palestra de los proyectos en la construcción de pozos en donde es indispensable una buena cementación primaria.

En consecuencia al control de las etapas del proceso de cementación, se tiene que, en esta publicación podemos encontrar los pasos y argumentos necesarios para preparar la lechada ajustada a las necesidades en la construcción del pozo, tomando en cuenta el desplazamiento de la lechada, el proceso de mezclado y el volumen de agua para la mezcla de cemento.

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

Referencias 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.

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