Cementacion Teoria Modulo I

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Cemento. Es un material aglomerante con propiedades hidrulicas, derivado de la combinacin de xidos bsicos (oxido de calcio, silicio, aluminio y frrico) los cuales son sometidos bajo un proceso termino (+/-1200C), agregando finalmente yeso (CaSO42H2O). Se fabrica por calentamiento de una mezcla de arcilla, caliza y otros materiales a una temperatura que causa la fusin parcial de esta mezcla. Este producto se llama Escoria o Clinker que al molerse y mezclarse con el yeso da origen a lo que llamamos Cemento. Los cementos Prtland para pozos petroleros deben cumplir con los requisitos de norma API-10A de la American Petroleum Institute (Instituto Americano del Petrleo) Esta norma comprende 8 clases de cemento: A, B, C, D, E, F, G y H; para usos a diferentes profundidades, temperaturas y presiones. Todas estas clases, salvo la "A", tienen las opciones de moderada resistencia a sulfatos y alta resistencia a sulfatos. El cemento utilizado en la industria petrolera, es un material plstico capaz de endurecerse y formar un medio firme de conexin entre dos o ms slidos, que requiere de procedimientos de pruebas de laboratorio y una caracterizacin especial debido a su uso particular. El fenmeno de hidratacin del cemento y la utilizacin de aditivos especiales lo hace tambin distinto al cemento de construccin. El propsito del cemento para pozos petroleros, es crear un sello hidrulico entre la formacin y el revestidor que asegure el aislamiento zonal en puntos de inters. Caractersticas del Cemento. El cemento es un material fino con grandes propiedades de endurecimiento que resulta de pulverizar la escoria que se produce al calcinar materiales calcreos con cierto porcentaje de arcilla. Tiene una gravedad especfica de 3, 14. Este material en contacto con el agua forma una mezcla espesa que lentamente va endureciendo hasta formar un solid, fuerte y compacto, la solidificacin de la mezcla se realiza tres etapas: Fraguado rpido de 2 a 3 horas. Endurecimiento de 18 a 24 horas. Solidificacin despus de 24 horas.

2.1.1 Clasificacin del Cemento Petrolero. Existen 8 clases de cementos Portland API, designados con las letras desde A hasta H, se encuentran clasificados de dos maneras: de acuerdo a las profundidades hasta donde pueden ser usados; que se relaciona con las temperaturas y presiones a las que pueden ser expuestos.

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Cemento Portland. Es un cemento hidrulico capaz de fraguar y de desarrollar una alta resistencia a los esfuerzos de comprensin. El endurecimiento ocurre a travs de un proceso de hidratacin qumica entre el agua agregada y los componentes del cemento.

Segn las normas y prcticas recomendadas API en cementacin de pozos petroleros, los tipos de cementos utilizados en el diseo de lechadas son: Clase A. Son cementos utilizados a profundidades menores de 6000 pies donde no se requieren condiciones especiales. Su resistencia a los sulfatos es ordinaria. Posee un requerimiento de agua de 5.2 gal/saco y una densidad normal de 15.6 lbs/gal. Clase B. Son cementos utilizados a profundidades menores o iguales a los 6000 pies y presentan alta a moderada resistencia a los sulfatos. Posee un requerimiento de agua de 5.2 gal/saco y una densidad normal de 15.6 lbs/gal. Clase C. Se utilizan hasta profundidades de hasta 6000 pies y se requiere su uso cuando se necesita un desarrollo rpido a la resistencia a la compresin. Se encuentra en los 3 tipos de resistencia a los sulfatos. Su requerimiento de agua es de 6.3 gal/saco y una densidad normal de 14.8 lbs/gal. Clase D. Se utiliza en un rango de profundidades entre 6000 pies y 12000 pies, este cemento trabaja especialmente a altas condiciones de temperatura y presin. Es de mediana a alta resistencia a los sulfatos requiere 4.3 gal/saco y una densidad normal de 16.4 lbs/gal. Clase E. Sirve a altas condiciones de temperaturas y presin a profundidades entre 6000 y 14000 pies. Es de mediana a alta resistencia a los sulfatos. Su requerimiento de agua es de 4.3 gal/saco y una densidad normal de 16.4 lb/gal. Clase F. Se utiliza en pozos que estn expuestos a extremadas condiciones de presin y temperaturas donde las profundidades pueden alcanzar los 16000 pies. Presenten de moderada a alta resistencia a los sulfatos. Su requerimiento de agua es de 4.3 gal/saco y una densidad normal de 16.2 lbs/gal. Clase G. Es comnmente utilizado en pozos petroleros y es compatibles con el uso de aceleradores y retardadores sus propiedades son similares a las clase A y E el requerimiento de agua es de 5.0 gal/saco y una densidad normal de 15.8 lbs/gal.


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Clase H. Es utilizado en pozos petroleros, desarrolla una temprana resistencia a la compresin y presenta una alta resistencia a los sulfatos. Puede utilizarse en pozos profundos. Su requerimiento de agua es de 4.3 gal/saco y una densidad normal de 16.4 lbs/gal.

Cementacin. Es una operacin dinmica que consiste en preparar una lechada, con equipos especiales de mezclado para luego bombearla y desplazarla al espacio anular tubera-formacin o hacia la zona preestablecida. Proceso mediante el cual se introduce el cemento al anular, consiste en utilizar un camin que a altas presiones (calculadas previamente por los ingenieros) bombea el cemento por el anular (la cantidad establecida) y luego el cemento es empujado mediante un tapn de agua hacia la formacin. La tubera se expande con presin para as lograr una mejor adherencia del cemento. Objetivos de la Cementacin. Entre los objetivos que se persiguen con una cementacin se encuentran: Adherencia y soporte del revestidor; de manera de permitir continuar con las subsiguientes operaciones de perforacin y completacin del pozo. Restringir el movimiento de fluidos a travs de las formaciones; el cemento fraguado no debe permitir la comunicacin entre formaciones o migraciones de fluidos hacia la superficie. El sello hidrulico es necesario para garantizar el xito de futuros tratamientos de estimulacin. Lograr un fraguado rpido, para prevenir arremetidas. Proteger el revestidor de la corrosin; debido a que algunas formaciones poseen fluidos agresivos como: salmueras, cidos sulfricos, dixidos de carbn, entre otros, y el contacto prolongado entre la pared del revestidor y estos fluidos puede llevar a corrosin y destruccin completa del revestidor. Proteger al revestidor de los esfuerzos y choques, cuando se perfora para profundizar. Factores que afectan la Cementacin Diseo de lechada Mezclado del cemento en planta Geometra del hoyo Remocin de lodo Mezcla de lechada a nivel de pozo Falla de equipos Colocacin de la lechada Perdida de circulacinProf.: ANYILBER SANTIAGO UNEFA-2011

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Cementacin Primaria. Es la tcnica utilizada para colocar lechadas de cemento en el espacio anular entre el revestidor y la formacin para cumplir con diferentes objetivos que dependen del tipo de revestidor. El cemento se bombea por dentro de la tubera y sale al anular por el extremo inferior, cambiando de direccin hacia arriba desplazando al lodo fuera del anular. Se realiza a presiones suficientes para que la mezcla de cemento bombeada por el interior de la sarta revestidora sea desplazada a travs de la Zapata que lleva al extremo inferior de la sarta. La mezcla asciende por el espacio anular hasta cubrir la distancia calculada. El tipo de cemento y los aditivos que se utilicen dependern de cada concreto. En esta operacin deben tenerse en cuenta varios aspectos a disear, como lo son los equipos (Zapata, gua, cabezal, centralizadores, cuello flotador) y herramientas de superficie y subsuelo para realizar la operacin, los volmenes de lechada a bombear para conseguir un llenado adecuado, el proceso mismo de mezclado de la lechada, preflujos de cementacin, el tipo de revestidor entre otros. Objetivos especficos de la Cementacin Primaria: Revestidor conductor: evita que la circulacin del lodo cause erosin en la seccin superficial del hoyo. Revestidor superficial: sella y protege las arenas de agua fresca, servir de ancla para la colocacin de los equipos de control de reventones y soportar el peso de los siguientes revestidores. Revestidor intermedio: se encarga de sellar presiones anormales, aislar formaciones poco consolidadas y sellar zonas de prdida de circulacin. Revestidor de produccin: prevenir la migracin de fluidos hacia zonas ladronas de menor presin, prevenir el desmoronamiento de arenas poco consolidadas que pueden reducir la produccin y aislar zonas productoras para futuro desarrollo.

Cementacin Secundaria. Es un proceso donde se bombea una lechada de cemento en el pozo, bajo presin, forzndola contra la formacin porosa, tanto en las perforaciones del revestidor o directamente al hoyo abierto. Las cementaciones secundarias se pueden ejecutar durante, la perforacin de pozos, la completacin y durante actividades de reparacin de pozos. Entre los objetivos de la cementacin secundaria se encuentran los siguientes:


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Reducir la relacin agua/petrleo o agua/gas. Abandonar zonas repletadas o no productivas. Reparar fallas de cementaciones primarias. Aislar zonas antes de proceder a su explotacin (forzamiento en bloques). Complementar cementaciones primarias cuando estas fallas en alcanzar la altura deseada. Reparar fallas en los revestidores: puntos de fugas, fisuras, puntos de corrosin. Cementacin de Tapones En ciertas circunstancias el pozo debe ser bloqueado para incomunicar la zona inferior del hoyo, de la zona superior. Una de las formas mas corrientes de establecer este aislamiento es colocando un volumen determinado de cemento para que forme un tapn hidrulico despus de fraguado. Entre los objetivos de la cementacin de tapones se encuentran los siguientes: Abandonar el pozo. Desviar el pozo. Curar perdidas de circulacin en el pozo. Sellar acuferos.Aditivos

Los aditivos utilizados en el diseo de las lechadas, son capaces de modificar el comportamiento de la mezcla permitiendo su colocacin entre el intervalo a cementar, para luego desarrollar una rpida resistencia a la compresin y garantizar un aislamiento adecuado entre zonas, Es por ello la lechada preparadas con materiales de cementacin son tratadas con diversos aditivos para modificar el tiempo de fraguado, las propiedades reolgicas y filtrantes, as como la densidad. Son aditivos aquellos que se agregan al cemento para cambiar su condiciones, segn sea lo requerido. Hoy hay ms de 50 aditivos que se usan con los cemento API a los efectos de obtener las propiedades de las lechadas requeridas para cualquier condicin de pozo que se presente.

Aditivos Utilizados para preparar lechadas de Cemento. Controladores de Filtrado. Estos aditivos se utilizan para mantener una relacin constante de agua y slido, ya que la velocidad a la que el agua se pierde bajo efecto de presin debe ser controlada, sino se controla la lechada no se mantendr uniforme susProf.: ANYILBER SANTIAGO UNEFA-2011

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propiedades mientras que este expuesta a la formacin, puede incrementarse la presin de bombeo, pudiendo inducir una fractura a la formacin, y la migracin de materiales cementos que pueden reducir la permeabilidad de la zona. Aceleradores. Su funcin principal es aumentar la velocidad de hidratacin de las lechadas, acelerando de esta manera el tiempo de espesamiento. Se emplea en la cementacin de pozos someros, de bajas temperaturas circulantes particularmente cuando se trabaja con formaciones por debajo de los 100 F. En 4 horas (como mnimo) debe obtenerse una resistencia de por lo menos 500 psi mediante el empleo de aceleraciones. Este valor es el mnimo aceptado para lograr adherencia y resistencia como para soportar el peso del revestidor.

Dispersantes. La funcin principal de los dispersantes es reducir la friccin interna en la lechada aumentando su fluidez reduciendo el volumen de agua requerida. Son usados para modificar las propiedades fsicas y reolgicas de las lechadas de cemento. Retardadores. Los retardadores funcionan encapsulando las partculas para prevenir la hidratacin y modifican la viscosidad del agua de la lechada para bajar la velocidad de hidratacin del cemento. A fin de prevenir un rpido fraguado del cemento, las lechadas son aditivadas con retardadores (normalmente las lechadas se usan sin retardadores hasta menores de 8000 pies). Los incrementos de temperatura aceleran el fraguado en mayor medida con el incremento de la profundidad. Los retardadores deben ser compatibles con los otros aditivos utilizados en el diseo de la lechada, as como tambin con el cemento empleado. A menudo los retardadores contenidos en los cementos clase D y E no son 100% compatibles, lo cual obliga a ensayar la lechada para cada pozo en particular.

Densificantes. Altas presiones de poros, hoyos inestables y formaciones plsticas/ deformables, son controladas por altas presiones hidrostticas. Para estas condiciones, se requieren densidades de lodos hasta de 18.0 libra. Para mantener el control de tales pozos, tambin son necesarias las lechadas de igual o mayor densidad. Son agentes que ayudan a dar peso a la lechada. Los agentes de peso deben ser inertes y compatibles con otros materiales utilizados en cemento. Los densificantes deben tener un bajo requerimiento de agua y sus efectos en la resistencia a la compresin y el tiempo de fraguado a de ser mnimos.Prof.: ANYILBER SANTIAGO UNEFA-2011

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Extendedores y agentes de suspensin. Los extendedores incrementan el volumen de mezcla por saco de cemento, por lo tanto, esto da como resultado una reduccin de la cantidad de cemento para preparar un volumen requerido de mezcla generando una disminucin en los costos de las lechadas. Su propsito es el de alivianar la densidad de la lechada y en consecuencia el peso de la columna. La lechada puede alivianarse adicionando agua, slidos con peso especficos inferior al del cemento o ambos. Se caracterizan tambin por absorber altos contenidos de agua por lo que es necesario adicionar grandes cantidades de esta para que reaccionen sin temor de generar agua libre. Con el uso de los extendedores la permeabilidad del cemento aumenta pero la resistencia a la compresin disminuye. Los extendedores y agentes de peso son frecuentemente utilizados para modificar la densidad de la lechada sin comprometer la estabilidad, evitando alta viscosidad Propiedades de la lechada de Cemento. Las propiedades requeridas de una lechada de cemento varan de acuerdo a la funcin del cemento. Por lo tanto, para un trabajo de cementacin, el cemento debe: Dar una lechada de densidad determinada mientras exhibe las propiedades deseadas. Ser fcilmente mezclado y bombeado. Reunir las ptimas propiedades reolgicas requeridas para remocin del lodo. Mantener sus caractersticas qumicas y fsicas durante su colocacin. Desarrollar rpida resistencia una vez que haya sido colocado. Tener una permeabilidad tan baja como sea posible. Desarrollar resistencia de adherencia al revestimiento y a la formacin. Desarrollar suficiente resistencia a largo plazo. Mantener las caractersticas de resistencia y permeabilidad citadas aun bajo elevadas condiciones de presin y temperatura. Tipos de Lechadas.Lechadas Convencionales. Son aquellos sistemas de cementacin donde su peso es > 14 lbs/gal. Es normalmente utilizada en cementacin primaria o en casos donde el gradiente de factura de un pozo en estudio requiera lechadas con este tipo de peso.


8 Lechadas Livianas. Son aquellos sistemas de cementacin donde su peso es < 14 lbs/gal, y que presenten aditivos alivianantes. Segn Ravi, K. (1998), seala que: La exploracin de yacimientos agotados (repletados) o de bajo gradiente de fractura requiere del uso de lechadas de bajo peso en las operaciones de cementacin. Igualmente, la necesidad de disminuir el dao a la formacin durante la perforacin bajo balance o en balance, exige lechadas de menor densidad En el diseo de lechadas de cemento se puede lograr una reduccin de la densidad de varias formas las cuales pudieran ser: Aadiendo materiales que incrementen la cantidad de agua requerida para la mezcla. Agregando aditivos slidos especiales, de baja gravedad especifica (GE < 3.14). Utilizando ambos sistemas Inyectando gas inerte a la lechada para generar un cemento espumado de baja densidad. La adicin de agua es la manera ms comn de alcanzar bajas densidades, pero esto puede generar problemas de asentamiento de slido en la lechada, sin mencionar que mientras sea mayor la cantidad de agua en la lechada de cemento, menor ser el desarrollo de la resistencia a la compresin. Existen tres forma para llegar a este peso la cual es implementando los cementos extendidos, los cementos sintcticos y los cementos espumados.

Esquema generalizado de revestidores bajados en un pozo


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CABEZAL DE CEMENTACION


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La zapata de cementacin Al primer tubo que va en el hoyo se le enrosca y se le fija por soldadura en su extremo inferior una zapata de cementacin. La zapata sirve para guiar la tubera en su descenso hasta la profundidad donde se va a cementar. La unin o cuello flotador Para reforzar la funcin de la zapata y coadyuvar en la mecnica de la cementacin, se dispone que a cierta distancia del primer tubo se coloque entre dos tubos una unin cuello flotador. La unin permite el flujo por la tubera hacia el hoyo pero impide, por el mecanismo de su vlvula de un solo paso, que fluidos del hoyo entren a la tubera. La unin tiene un asiento que sirve para asentar un tapn que se inserta en la tubera detrs del ltimo saco de cemento bombeado. Este tapn, al llegar al cuello flotador, no puede pasar y el aumento de presin en la sarta indica que ya todo el cemento pas por el cuello y ha concluido el desplazamiento.

Centralizadores Para que la sarta quede bien centrada en el hoyo, y a objeto de evitar que se recueste contra la pared del hoyo, ocasionando luego defectos en la continuidad del cemento en el espacio anular, se le instalan a la sarta centralizadores en aquellos puntos que se consideren necesarios.


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Raspadores En ciertas oportunidades, para lograr mejor adhesin entre el cemento y la pared del hoyo, se le aaden raspadores a la sarta. Estos raspadores, que pueden consistir de lminas en formas de tiras largas donde van incrustadas los alambres o de anillos cuyos alambres sobresalen circunferencialmente, raspan la pared del hoyo con el fin de desprender el exceso de revoque que la cubre para facilitar que el cemento cubra directamente las formaciones. El raspado se efecta durante la insercin de la tubera, y luego, tambin, alzando y bajando lentamente la tubera, mientras se bombea a objeto de ir desplazando hacia la superficie lo que se haya desprendido de la pared del hoyo.


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