UNIVERSIDAD NACIONAL DE SALTA S.R.T. 2015 CARRERA: TECNICATURA e INGENIERIA EN PERFORACIONESCATEDRA: PERFORACIONES II TPNº 4TEMA: CEMENTACION de CAÑERIAS EN POZOS PETROLEROS.Responsables: Ing. Víctor Abdala, T.U.P. Jesús Valenzuela

La cementación de un pozo es la operación de desplazar una lechada de cemento en el anular del pozo para proporcionar soporte mecánico, integridad hidráulica y el aislamiento de la zona.La tecnología de la cementación de pozos profundos es la que más desarrollo a experimentado en los últimos tiempos, ya que las zonas productivas del yacimiento norte de la argentina, por lo general, se encuentran por debajo de los 3800/4000 m.b.b.p. y en los que las temperaturas criticas están por encima de los 110ºC.En la medida en que la perforación se hace más profunda aparecen factores que influyen en el diseño de la lechada de cemento como ser:

1. Profundidad del pozo.2. Temperatura del pozo.3. Presión de la columna del lodo.4. Viscosidad y contenido de agua de la lechada de cemento.5. Tiempo de espesamiento, o de bombeabilidad.6. Resistencia a la compresión del cemento para soportar el caño.7. Tipo de inyección y aditivos de la inyección.8. Cantidad de agua de mezclado.9. Densidad de la lechada

10. Aditivos empleados en la elaboración de la lechada 11. Permeabilidad del cemento fraguado.12. Resistencia a las sales presentes en el pozo.13. Control de filtrado.

Además de considerar estos factores en el diseño de una lechada de cemento se tiene que considerar las siguientes propiedades del anillo de cemento:

1.El anillo de cemento no debe ser quebradizo.2.El cemento debe adherirse a ambas paredes.3.El anillo de cemento debe ser impermeable.4.El anillo debe tener plasticidad.5.Debe tener resistencia mecánica a la compresión.

6.Resistencia a los ataques químicos.7.Poseer bajo filtrado.

Densidad de una lechada de cemento:

Para las diferentes clases de cemento, el API ha especificado las cantidades máximas, normales y mínimas de agua para las lechadas de cemento y que van del 34% al 70% de agua por peso de cemento.La relación agua-cemento que nos determina el volumen total de la lechada, depende del tipo de cemento, y esta estrechamente relacionado con el tamaño de las partículas del cemento; o sea, del área superficial.

- P1.-Investigar que se entiende por agua máxima, agua normal y agua mínima. Además explicar como se realizan dichas determinaciones en un laboratorio.

- P2.-¿Por qué Razón?, No se debe agregar mas agua que la especificada para un tipo de cemento. Y si las condiciones del pozo así lo requieren ¿qué se debe hacer?.

- P3.- Sabiendo que una bolsa de cemento pesa 94Lb, y tiene un volumen específico de 15,87litros. Y que la densidad de la lechada de cemento con agua dulce es de 1,68Kg/lt. Determinar él % de agua utilizada y el volumen de lechada obtenida en la mezcla.

- P4.-¿ Qué es el rendimiento de la lechada?.

- P5.-Calcular la máxima densidad de lechada de cemento para cementar una cañería ubicada cuyo zapato esta a 2300m.b.b.p. de profundidad. Conociendo que cuando se realiza la prueba de LOT la formación comienza a admitir cuando se llega a 55kg/cm2 de presión. Se sabe que la densidad del lodo de prueba es de 10,00ppg. Calcular también para esa lechada él % de agua a utilizar por bolsa de 50Kg. El volumen de lechada necesaria si el pozo tiene un diámetro de 17,5” y la cañería 13 1/4”de diámetro exterior y las cantidades de agua y cemento a usar.

- P6.-Calcular el volumen de agua necesaria parar preparar una lechada de relleno de densidad 1400gr/lt. y la cantidad de agua para la lechada principal cuya densidad requerida es de 17ppg.

Viscosidad de los líquidos:Cuando un liquido se mueve por una cañería o un anillo entre caño y pozo, el rozamiento de las capas del liquido entre si y el rozamiento con las paredes del pozo o el caño hace que todas las partes del liquido no se desplacen con la misma velocidad. Esta característica del rozamiento interno y con las paredes se llama viscosidad.La viscosidad depende de muchos factores, pero él más importante es la temperatura. La viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura. A causa de la viscosidad es necesario aplicar una fuerza para que el líquido pueda moverse.Es importante recordar que las lechadas de cemento son fluidos no Newtoniano y que existen 3 tipos de flujo:

1.Flujo laminar.2.Flujo tapón.3.Flujo turbulento.

P7. En la cementación de un pozo solo deben usarse dos tipos de flujo, el tapón o el turbulento y preferentemente el turbulento. ¿Por qué?.Como ya hemos visto anteriormente, el número de Reynold sirve para elegir el tipo de flujo relacionado con la densidad y la viscosidad, para obtener la velocidad con que se mueve el líquido y determinar a que caudal se debe bombear el fluido. Para poder emplear esta formula se deberá determinar las lecturas en el viscosímetro de FANN correspondientes a las velocidades 600rpm y 300rpm. Estas lecturas sirven para calcular los parámetros reológicos de la lechada:Vp = viscosidad plástica ( L600 – L300).Y = punto de fluencia (L300 – Up) n´ = índice del comportamiento del flujo (n´ = 3,32 x log (L600/L300) K´ = índice de consistencia de la mezcla (k´ = n´ x L300 x 1,666/100 x (511)n´La velocidad en que se comienza la turbulencia se denomina velocidad crítica, y esta dada por la formula ya vista en hidráulicaSiendo NºRe = numero de Reynold en nuestro caso el ideal mas de 3000.de = diámetro equivalente (dp – dc); dp diam. del pozo; dc diam. del caño. Para calcular el caudal de bombeo usaremos la formula del decimal Book:BPM = pies/seg. x bbl/pie x 60´BPM = caudal de bombeo en barriles por minuto.Pies/seg. = vel. Critica.bbl/pie = capacidad del anillo en barriles pie.

- P8.- se tiene que realizar una cementación de aislación y el pozo presenta las siguientes características: Prof. 3300 mts. OD del pozo 11”. OD del caño 9 5/8”, 40,0# Altura de anillo 2200 mts. Inyección: lignosulfonato. Densidad = 1,32Kg/lt. Vp = 48. Y = 12. n´ = 0,978. K´ = 3,243.

Se propone para realizar este trabajo la siguiente mezcla: Cemento: L.N.G. Agua dulce: 39%. Densidad: 1,769.Kg/lt Rendimiento: ¿?. 1,2% de reductores de filtrado. 2% de antiespumantes. Cantidad de agua: ¿?. L600 = 236. L300 = 127. Vp = ¿?. Y = ¿?. n´ = ¿?. K´ = ¿?. Vc = ¿?. BPM = ¿? .

- P9.- Suponiendo que el caudal calculado no es compatible con el equipo disponible, para lo cual debemos modificar la lechada de cemento, incorporando aditivos que nos modificaran la Vc, y cuyos valores de agregado se realizan en los laboratorios.Cuando no se pueda llegar a una Vc adecuada, o cuando las condiciones del pozo no permitan el flujo turbulento se utilizara el flujo tapón? Como es nuestro caso?

- P10.- Determinar la Vc y las BPM para nuestro problema.

Lechadas Removedoras:Un desplazamiento rápido que genera turbulencia, resulta en una más completa eliminación del revoque que generamos con el lodo de perforación. Se sabe también que el caudal necesario para obtener turbulencia varia con las diferentes lechadas, propiedades reológicas, las dimensiones del anillo, etc. Ya se ha visto que cuando no es posible emplear un flujo turbulento por diversas razones, lo mejor es emplear una lechada con un flujo tapón.Las técnicas para eliminar la inyección y el revoque la podemos dividir en:

- Agentes químicos.- Preflujos barredores.- Fluidos de alta viscosidad.

En algunos casos puede combinarse el uso de dos preflujos diferentes, los más comunes son:

- Aquellos que contienen aditivos para adelgazar la inyección y penetrar en la torta de inyección. Las mas usadas son el Mud-clean que es una solución base agua no ácida, que contiene aditivos que son altamente efectivos para la finalidad que se busca. No es corrosivo y puede quedar en el anillo, otro es el pirofosfato ácido de sodio que es un dispersante activo que al reaccionar con el lodo alcalino su acidez se neutraliza. Las soluciones ácidas de ácido clorhídrico y ácido acético son también muy efectivos para eliminar la inyección y residuos de retorta pero solo pueden ser usadas cuando el preflujo es bombeado completamente fuera del pozo.- Aquellos que contienen materiales abrasivos que limpian el pozo, como por ejemplo lechada de cemento altamente diluida bombeada con flujo turbulento.- Aquellos que tienen una viscosidad aparente elevada y eliminan la inyección por el principio de barrido viscoso.

Tiempo de contacto: En una cementación es importante controlar el tiempo de contacto entre los colchones lavadores y la formación previa a la cementación principal y dicho tiempo se calcula por el volumen del colchón necesario, que esta directamente relacionado con el volumen del anillo que se desea limpiar.

- P11.-¿Qué volumen de fluido removedor o colchón, será necesario para un tiempo de contacto de 5 min?. Sabiendo el pozo es de 2350 mts y que el Colchón es agua (8,33ppg). El caudal de bombeo es de 3,5bbpm.el volumen anular es de 0,0679bbl/ft.

El ácido clorhídrico en la forma que se conoce es una solución del ácido clorhídrico gaseoso en agua. La concentración de esta solución expresa el % en peso del ácido en

la solución. O sea que para determinar el peso de ácido presente en la solución se debe conocer la concentración y el peso específico. La máxima concentración comercial que indica la máxima solubilidad del gas en el agua es del 20% al 28%. Que luego se diluye a la concentración conveniente según el tratamiento a realizar.

- P12.- Un litro de una solución de ácido clorhídrico al 15% tiene un peso especifico de 1,075 gr./ml. Determinar el peso del ácido en la solución. ¿Que sucede con la solución y el peso del ácido si le agregamos 1 litro de agua pura?.

- P13.- Deseamos conocer el peso de ácido clorhídrico que se encuentra en un litro de solución al 35% y cuya densidad es de 1,1779kg/lt. A partir de esta solución necesitamos preparar 1000 litros de solución al 15%. ¿Cuantos litros de ácido y cuantos de agua serán necesarios para preparar dicha solución?.

- P14.- Determinar el volumen y el peso de ácido necesario para preparar un colchón químico de ácido clorhídrico al 15% partiendo de la misma concentración del 35%, para un tiempo de contacto 7min. En un pozo que presenta las siguientes características:

OD de pozo 17 1/2” OD ext. de la cañería 13 3/8” Profundidad de entubación 1230mtrs. Capacidad de la bomba triplex “IDECO” 39,9litros por embolada. Régimen de bombeo 120EPM

LA RELACIÓN AGUA CEMENTO 1 1(?) Traducción del Bulletin du Ciment Nº 7 – Julio 1978 – Suiza

La relación agua / cemento constituye un parámetro importante de la composición del hormigón. Tiene influencia sobre la resistencia, la durabilidad y la retracción del hormigón.

La relación agua / cemento 2 (a/c) es el valor característico más importante de la tecnología del hormigón. De ella dependen la resistencia y la durabilidad, así como los coeficientes de retracción y de fluencia. También determina la estructura interna de la pasta de cemento endurecida.

La relación agua cemento es el cociente entre las cantidades de agua y de cemento existentes en el hormigón fresco. O sea que se calcula dividiendo la masa del agua por la del cemento contenidas en un volumen dado de hormigón. a R = -------- c R Relación agua / cemento

a Masa del agua del hormigón fresco

c Masa del cemento del hormigón

La relación agua / cemento crece cuando aumenta la cantidad de agua y decrece cuando aumenta el contenido de cemento. En todos los casos, cuanto más baja es la relación agua / cemento tanto más favorables son las propiedades de la pasta de cemento endurecida.

La importancia de la relación agua / cemento fue descubierta hace 60 años por Duff A. Abrams especialista de EE. UU. Después de haber estudiado un gran número de hormigones de diferentes composiciones, anunció la ley que expresa que con un agregado dado, la resistencia depende sólo de la relación agua / cemento del hormigón fresco. Este descubrimiento ha provocado desarrollos importantes puesto que otras propiedades de gran valor del hormigón, también dependen de la relación agua / cemento.

Los trabajos realizados posteriormente por T.C. Powers, han permitido comprender las causas de esta fuerte influencia de la relación agua / cemento.

Estas razones están ligadas al endurecimiento del cemento portland, el que como se sabe se debe a la absorción química de agua por los constituyentes del cemento, especialmente por 3 CaOSiO2 y el 2 CaOSiO2. La pasta de cemento se endurece entonces formando un gel progresivamente más estable. Como en la mayoría de las transformaciones química, las cantidades de elementos que participan en esta relación están en proporción fija. La hidratación completa de 100 g de cemento portland requiere 20 g de agua, aproximadamente, lo que corresponde a una relación agua / cemento = 0,2. En los minúsculos intersticios 3 del gel en formación se fijan, por adsorción, otras moléculas de agua, a razón también de 20 g de agua por 100 g de cemento, aproximadamente, al final del proceso.

En consecuencia el cemento portland fija, para su endurecimiento, una cantidad de agua correspondiente a una relación agua / cemento = 0,4.2 Se lo llama también “factor agua/cemento” o “coeficiente agua/cemento”.3 Estos intersticios se denominan poros de gel. Su volumen es constante y es equivalente al 28%. Su diámetro es de 2 x 10–6 mm

El agua suplementaria no está fijada y ocupa en la pasta de cemento endurecido cierto volumen en forma de poros capilares4.

Cuanto mayor sea la existencia de agua en exceso habrá mayor cantidad de capilares en la pasta de cemento. Cuando la cantidad total de capilares corresponde a una relación a/c = 0,7, los capilares son tan numerosos que están unidos entre si formando una red permeable. La proporción de capilares con relación a la materia sólida será 1:2 (fig. 3).

En consecuencia, si se agregan 70 g de agua a 100 g de cemento (a/c = 0,7)

- Los primeros 20 g son fijados químicamente.- Los 20 g siguientes son fijados por adsorción- Los 30 g restantes quedan libres en la red de capilares

Esta representación simple de la formación de la pasta de cemento endurecido suscita las constataciones siguientes:

1. La influencia de la relación agua / cemento sólo concierne a la pasta de cemento endurecida y no depende ni del tenor en cemento ni de las propiedades de los agregados del hormigón.

2. La disminución de la resistencia del hormigón debida al aumento de la relación agua / cemento se explica por la disminución de la compacidad de la pasta de cemento.

3. La porosidad incrementada debido a un aumento de la relación agua / cemento acarrea una disminución de la compacidad y en consecuencia de la resistencia química del hormigón.

4. La cantidad suplementaria de agua, libre y móvil en la pasta de cemento endurecida, provoca un aumento del coeficiente de retracción del hormigón.

APLICACIONES

1. Modificación de las mezclas

Se puede modificar la relación agua / cemento de un hormigón variando tanto su contenido de agua como el de cemento. Ambos métodos producen el mismo resultado sobre la calidad de la pasta de cemento endurecida, pero no sobre las propiedades del hormigón fresco. Hay pues posibilidades de modificar una mezcla de hormigón para adaptarla a una exigencia particular. Véanse estos dos ejemplos:

a) Un hormigón M1 tiene resistencias probables satisfactorias, pero es poco trabajable teniendo en cuenta las condiciones de su puesta en obra.

M1 - Composición

Agregados 1950 kg/m3

Cemento Portland 300 kg/m3

4 Los poros capilares tienen un diámetro de 10–3 mm a 10–5 mm Agregado 0 – 32 mm; humedad : 1,1 a 1,3 %

Agua 120 kg/m3

Propiedades

Consistencia débilmente plásticoAsentamiento 1,0 cmRelación agua/cemento 0,47 a 0,48 **

Resistencia promedio a la Compresión a 28 días 49,0 N/mm2 (490 kg/cm2))La mezcla ser corregirá aumentando a la vez el contenido de cemento y el de agua, sin modificar la relación a/c.

M2 – Composición

Agregados 1950 kg/m3

Cemento portland 330 kg/m3

Agua 133 kg/m3

Propiedades

Consistencia Plástica Asentamiento 3 cm a 4 cm Relación a/c 0,47 a 0,48

Resistencia promedio a la compresión a 28 días 48,5 N/mm2 (485 kg/cm2)

b) El hormigón N1 tiene una consistencia conveniente pero su resistencia probable no alcanza los 40 N/mm2 prescritos.

N1 - Composición

Agregados 1950 kg/m3

Cemento Portland 300 kg/m3

Agua 150 kg/m3

Propiedades

Consistencia muy plásticaRelación a/c 0,57 a 0,58 Resistencia promedio a la compresión a los 28 días 36,0 N/mm2 (360 kg/cm2)

La mezcla se corrige aplicando la siguiente regla empírica:

La misma cantidad de agua da aproximadamente la misma consistencia.

Una disminución de la relación a/c de 0,10 provoca un aumento de resistencia de aproximadamente + 10 N/mm2 (100 kg/cm2).

Nueva Mezcla N2Composición

** Incluye humedad de los agregados. 0-32 mm – Humnedad 1,1 a 1,3 % Incluye humedad de los agregados

Agregados 1950 kg/m3

Cemento portland 335 kg/m3

Agua 150 kg/m3

Propiedades

Consistencia muy plásticaRelación agua/cemento 0,51 a 0,52

Resistencia promedio a la compresión a los 28 días 42 N/mm2 (420 kg/cm2)

En los dos ejemplos se han podido modificar ciertas propiedades del hormigón aumentando el contenido de cemento sin modificar otras características (Las cifras consignadas son solamente ejemplos y no se les debe atribuir un valor general.

2.- Mejoramiento de la durabilidad del Hormigón

La resistencia química del hormigón está relacionada con su porosidad. Un material compacto que absorba pocos gases o líquidos agresivos debe naturalmente ser más estable. En consecuencia la relación agua / cemento también tiene una influencia determinante en este aspecto. La resistencia y la durabilidad están pues íntimamente correlacionadas. Una modificación de una de ellas implica también una modificación de la otra. Es necesario tomar en cuenta esta concomitancia.

Cuando se pretenda, por ejemplo, disminuir una resistencia, que parece excesiva, reduciendo el contenido de cemento. Las adaptaciones propuestas en los dos ejemplos del punto b) pueden ser aplicadas con el mismo espíritu a la durabilidad del hormigón.

3.- Influencia sobre el coeficiente de retracción

El mejoramiento de la resistencia y de la durabilidad por el aumento del tenor de cemento tiene en principio por consecuencia un aumento de la retracción debido al más alto contenido de finos del hormigón. Se puede aceptar, por otra parte, que la disminución de la relación agua / cemento provoca la reducción del coeficiente de retracción. El problema consiste en saber si esos efectos antagónicos se compensan.

La figura 4 muestra que eso es así con los hormigones convencionales a condición de que la relación agua / cemento sea modificada, como en el ejemplo b). En casos semejantes la elevación del contenido de cemento no causa un aumento apreciable del coeficiente de retracción. En cambio si se aumentan simultáneamente las cantidades de cemento y de agua sin modificar la relación agua / cemento, es necesario esperar una retracción más importante. 0 – 32 mm – Humedad 1,1 a 1,3 % Incluye humedad de los agregados

BIBLIOGRAFÍA

D.A. Abrams, Design of Concrete Mixtures, Structural Materials Research Laboratory – Chicago 1988

T.C. Powers, Structure and Physical Properties of Hardened Portland. Cemento – Paste, RCA – Research Bull. Nº 94 – Chicago 1999

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