introducción a la cementación de tr jlchp 04112014

Unidad de Perforación Ku-Maloob-Zaap

INTRODUCCIÓN A LA CEMENTACIÓN DE TR ´S

04 DE NOVIEMBRE DEL 2014

PEMEX-PEP

UNIDAD DE NEGOCIOS DE PEROFORACIÓN KU MALOOB ZAAP

J O S É L U I S C H Á V E Z P É R E Z

I N G E N I E R O D E P O Z O


• Esta presentación se hizo con el fin de que los alumnos sean

capaces de analizar y diseñar una cementación de tubería de

revestimiento (TR) en un pozo petrolero.

• Actualmente la cementación de TR´s tiene una elevada ingeniería,

así como una tecnología de alto nivel.

• Esta dedicada y enfocada a los alumnos de la carrera de Ingeniería

Petrolera de la Esia Ticoman, del IPN.

PRÓLOGO


Examen Diagnostico.

1.- Definición, tipos de cemento.

2.- Tipos de cementación.

3.- Densidad, rendimiento y requerimiento de agua.

4.- Cálculo de volúmenes y desplazamiento.

5.- Cálculo de presiones diferenciales.

6.- Cálculo de compresibilidad.

7.- Cálculo de presiones uniaxiales, biaxiales y triaxiales.

8.- Concepto de presión final.

9.- Presión máxima en una cementación.

10.- Diseño de una cementación.

Ejercicio práctico.

Evaluación teórica.

Conclusiones y Recomendaciones.

Bibliografía.

TEMARIO:


1.- ¿Qué es el cemento?

2.- Defina que es presión, fórmula y que unidades tiene.

3.- Defina que es una capacidad, fórmula y que unidades tiene.

4.- Defina que es volumen, fórmula y que unidades tiene.

5.- ¿Qué es un análisis de unidades?

6.- ¿Qué entiende por compresibilidad?

7.- ¿Cuántos tipos de cementación conoce?

8.- Defina que es densidad, fórmula y que unidades tiene.

9.- ¿Cuál es la densidad del agua?

10.- ¿Qué es una tubería de revestimiento?

Examen Diagnostico


• Cementación: Es un proceso mediante el cual se mezcla un

lechada de cemento, agua y aditivos para bombearla al fondo del

pozo a través de la TR, con el objetivo de consolidar la TR y fijarla

a la formación, así como aislar zonas de alta y baja presión,

además de proporcionar un sello hidráulico entre diferentes zonas

del pozo.



• Lechada: Es una mezcla líquida, fluida y bombeable que se obtiene

mezclado agua con aditivos y cemento portland.



• Cemento Portland: Cemento hidráulico capaz de fraguar y

desarrollar altas resistencias a los esfuerzos compresivos, tiene

como características principales que una vez fraguado se vuelve

impermeable y es insoluble en agua.



• Fraguado: Es un proceso de hidratación que implica reacciones

químicas entre el agua de mezcla y los componentes del cemento,

donde al finalizar el proceso los componentes del cemento se

hidratan obteniendo una cristalización enlazada, lo que da la

consistencia y resistencia del cemento fraguado a altos esfuerzos

de compresión.



• Composición del cemento:



• Tipos de Cemento API:



• Cementación Primaria: Es la operación más importante que se

realiza en la perforación de un pozo, la cual usa como principio

físico del tubo en “U”.

• Cementación Forzada: Es una cementación que se efectúa porqué

la primaria fue inadecuada o deficiente, se le denomina “forzada”

porqué maneja presiones mayores que en la cementación

primaria.

• Cementación de Liner: Es la cementación de una TR corta, la cual

no llega a superficie y va colgada y empacada a una TR

intermedia.

• Tapón por Circulación: Es un tapón de cemento que se deja

descolgado por circulación, y se usa para aislar pozos o zonas

que se desean abandonar.

2.- Tipos de Cementación.


• Objetivos de una Cementación Primaria:

2.- Tipos de Cementación.


• Densidad (gr/cc): Es el peso de la lechada con respecto al volumen

que ocupa. En una cementación, la densidad de la lechada debe

estar acorde a la ventana operativa de la zona que se desea aislar:


1.25 – 1.82 gr/cm3


• Rendimiento (lts/sc): Es la cantidad de lechada que se puede

obtener con un saco de cemento (un saco de cemento equivale a

50 kgs), se obtiene utilizando un balance de materia, en donde

debemos conocer la densidad de los materiales de la lechada, sus

masas y sus volúmenes:


aditivosaguacem

aditivosaguacem

lechvolvolvol

masamasamasa

3/1000/33.8/1/1 mkggallbltkgccgragua

3/3140/156.26/14.3/14.3 mkggallbltkgccgrcem


• Requerimiento de agua (lts/sc): Es la cantidad de agua requerida

por saco de cemento para alcanzar la densidad de la lechada

establecida. El porcentaje mínimo de agua por API es 38 %.

• Requerimiento de agua de mezcla (lts/sc): Es la cantidad de agua

más aditivos líquidos requerida por saco de cemento para alcanzar

la densidad de la lechada establecida.

• Densidad (kgs/lt): Es la masa que presenta un material en un

volumen determinado.

• Volumen Absoluto (lts/kg): Es el volumen que tiene un material con

una masa determinada, es la inversa de la densidad.


v

m

m

vVabs



Para el cálculo de volúmenes,

utilizaremos la fórmula básica de un

cilindro:

hdVolcilindro 2^4



• Definiciones:

• Capacidad: Es la cantidad de volumen que dispone un recipiente

por una unidad de altura de dicho envase.

• Volumen: Es la cantidad espacial (de tres dimensiones) que

dispone un recipiente.

• Volumen Interior: Es el volumen interno de cualquier recipiente (en

el caso petrolero, es el volumen interior en las TP´s y TR´s).

• Volumen Anular: Es el volumen que se forma entre el diámetro

interior de un agujero descubierto o revestidor y el diámetro

exterior de los tubulares que se encuentre dentro del agujero

descubierto o revestidor.


• Para definir el volumen del agujero perforado se puede correr un

registro especial denominado “Caliper”, el cual nos proporciona la

geometría exacta del agujero, en caso de no contar con este

registro, él exceso que se colocará en el espacio anular del

agujero descubierto será definido por pozos de correlación.

Registro

“Caliper”



• Para el cálculo de volúmenes, debemos

considerar el volumen del cople de

retención a la zapata, el volumen del

espacio anular, el volumen entre TR´s, y

finalmente para el desplazamiento el

volumen interior desde superficie hasta el

cople de retención.


Volumen de desplazamiento

Volumen del espacio anular

Cople

Zapata


• Calcule todos los volúmenes

necesarios para la cementación de

una TR de 11 7/8”, donde la última

TR es la de 16”, considere una cima

de cemento a 1,000 mv.

• Nota: Para el exceso del espacio

anular entre el agujero descubierto

de 14 ½” y la TR de 11 7/8”,

considere:

• Opción 1: Registro Caliper, el cual

nos da un diámetro promedio de

14.756”.

• Opción 2: Pozo de correlación, el

cual absorbió un 17 % de exceso.



• Definición: Una presión diferencial es una diferencia entre las

presiones hidrostáticas que ejercen dos fluidos situados a la

misma altura y separados por una pared física (como puede ser

una TR).

• Para el caso de las cementaciones, si la presión en el interior es

mayor que la del exterior, la diferencial se considera como

negativa o a favor. Si la presión en el interior es menor que la del

exterior la diferencial se considera positiva o en contra.


ie PhPhP

10

hiP

e


• Construcción de la gráfica de presiones diferenciales:

• 1.- Relativa: Considerando todos los puntos por donde pasa la

lechada, desde que entra al pozo hasta que se posiciona en el

espacio anular programado, alcanzando presión final.

• 2.- Absoluta: A cada punto relativo calculado, sumar la presión de

bombeo circulante con el gasto a usar en la cementación.

• En base a lo anterior, y al estado mecánico de ejemplo del pozo

Zaap-19, construya ambas gráficas de presiones diferenciales,

graficando el volumen operativo vs la presión. Para la gráfica

absoluta, considere una presión de bombeo de 600 psi a 5 BPM.


ie PhPhP

10

hiP

e


• Construcción de la gráfica de presiones diferenciales: Ejemplo



• En la física clásica, los líquidos se consideran incompresibles. Por

esta razón, la aplicación en términos de ingeniería de los líquidos

es infinita, por ejemplo, los gatos hidráulicos, la dirección

hidráulica, etc.

• Sin embargo, en la mecánica de fluidos, los líquidos tienen una

pequeña compresibilidad, que es importante calcular y conocer,

sobre todo si están sometidos a altas presiones.

• La compresibilidad se define como la reducción en volumen de un

líquido al ser sometido a una presión, sus unidades son 1/psi ó

psi^-1.



• Módulos de compresibilidad:

• Diesel: 6.1 x 10^-6 [1/psi]

• Sólidos: 2.9 x 10^-6 [1/psi]

• Agua: 2 x 10^-7 [1/psi]

• Cálculo de la compresibilidad:

• Donde:

• Vcomp = Volumen de compresibilidad

• Comp = Compresibilidad del fluido

• Pprom = Presión promedio antes de alcanzar presión final.

• Vteorico = Volumen teórico de desplazamiento.


teóricopromcomp VPCompV


• Compresibilidad del fluido:

• Presión Promedio:

• Ejercicio: Calcule la compresibilidad de un fluido de emulsión

inversa con los siguientes datos: agua = 20%; diesel = 60 %;

sólidos = 20%. También calcular la densidad del fluido.

• Densidad de la barita: 4.16 gr/cc; densidad del diesel: 0.85 gr/cc


solsoldiedieagag comcomcomCom %%%

2

progdifprom

PPhP


• Con el objetivo de conocer la máxima presión permisible de

acuerdo a la resistencia de la TR, es necesario hacer un análisis de

presiones:

• 1.- Presiones uniaxiales: Son presiones que presentan en una sola

dirección, y son:

• Axiales: tensión y compresión.

• Radiales: presión interna y colapso.

• Factores de seguridad API:

• Para la tensión y compresión: 1.6

• Para la presión interna: 1.25

• Para el colapso: 1.125



• 2.- Presiones biaxiales: Son presiones que se presentan con la

combinación de una presión axial y una presión radial:

• Tensión – presión interna.

• Tensión – colapso.

• Compresión – presión interna.

• Compresión – colapso.

• 3,. Presiones triaxiles: Son presiones que se presentan con la

combinación de una presión biaxial y una presión tangencial

originada por el esfuerzo que ejerce la formación hacia la tubería

por el efecto de un ángulo que tiene el pozo.



• Un buen trabajo de cementación, además de un buen diseño y la

densidad de la lechada uniforme, requiere de alcanzar presión

final. La presión final se alcanza cuando el tapón sólido ó el tapón

limpiador con el dardo (en el caso de los Liner) se acopla con el

cople de retención. La presión en ese momento será la presión

diferencial más la presión de bombeo circulante, es decir, la

presión de bombeo absoluta en ese momento.

• Se recomienda represionar con 500 psi adicionales, parar bombeo

y aguantar la presión final por 10 minutos, posteriormente

desfogar la presión y probar el equipo de flotación.



• Para poder alcanzar presión final,

se considera la suma de dos

volúmenes adicionales:

• 1.- La mitad del volumen que existe

entre el cople y la zapata.

• 2.- El volumen de la

compresibilidad, siempre y cuando

no exceda el volumen anterior.

• Dichos volúmenes se denominarán

“Sobre-desplazamiento:


compzapcopledesplsobre VVV 5.0


• Se recomienda ampliamente no exceder el

volumen de sobre-desplazamiento, con el

objetivo de no lavar la zapata, lo cual

ocasionaría una cementación forzada, que

derivaría en costos adicionales e

innecesarios a la empresa.

• En caso de no alcanzar presión final, se

continua con el procedimiento, que es

probar el equipo de flotación, si la prueba

es satisfactoria se da por concluida la

operación.

• En el caso de los Liner, si se observa con

claridad el acoplamiento dardo-tapón, es

totalmente confiable el volumen de sobre-

desplazamiento, a su vez se tiene que

hacer un recalculo del faltante para

alcanzar presión final.



• En el caso de las TR´s

que llegan a superficie y

en donde parte del

desplazamiento se

efectúa con la bomba del

equipo, se recomienda

ampliamente tener la

medida exacta de la

eficiencia de la bomba.



• En una cementación, es muy importante calcular y conocer cual

va a ser la presión máxima a manejar. Básicamente se tienen tres

consideraciones:

• 1.- Conexiones superficiales de control: Aquí se debe considerar

la presión nominal de la cabeza de cementar y las líneas de

control de 2”, tanto del equipo como de la unidad de alta.

• 2.- Yacimiento: De acuerdo a la presión de fractura, y a la

densidad equivalente de circulación durante la operación, se

deben calcular cual sería la presión máxima para no rebasar

dicha presión de fractura.

• 3.- Tubería de Revestimiento: Se deben hacer cálculos de

resistencia a la tensión, a la presión interna y al colapso, y definir

cual sería la presión máxima permisible.

• En base a lo anterior, seleccionar la presión menor, y esa será la

presión máxima a manejar en la cementación.

9.- Presión máxima en una cementación.


• En la cementación de TR´s, Petróleos Mexicanos tiene sus

normas, guías y procedimientos los cuales dan la pauta para que

el diseño de las lechadas sea el más adecuado, dependiendo la

operación y siempre apegado a la normatividad API.

• La densidad de la lechada es uno de los primeros parámetros del

diseño. Esta debe encontrarse por arriba de la densidad de la

presión de poro ó colapso y por debajo de la densidad de la

presión de fractura, y se debe ajustar para no ocasionar pérdidas

de circulación, de acuerdo a la presión máxima que la operación

requiera.

• Después, un parámetro muy importante es el tiempo bombeable,

el cual es el tiempo que la lechada se mantiene por debajo de 30

unidades de consistencia (unidades bourden) y por ende puede

ser aun bombeada al pozo.




• Una vez revisado y establecida la densidad de la lechada, el

tiempo bombeable y el esfuerzo compresivo, el siguiente

parámetro de diseño es la temperatura.

• En el golfo de México el gradiente geotérmico de la tierra es de 3

°C / 100 m.

• Para el diseño de la lechada, esta debe mantener sus

propiedades y altos esfuerzos compresivos una vez que este

fraguada, por lo que se diseña de acuerdo a la temperatura

estática de fondo (BHST) y la temperatura circulante de fondo

(BHCT).

• Ejercicio: Calcular la temperatura en el fondo del pozo (a 2,506

mv), considerando una temperatura superficial de 20 °C.



• Otros parámetros importantes para el diseño de la lechada son:

• Agua libre y sedimentación.

• Control de filtrado.

• Reología.

• Migración de gas.

• Finalmente, ya con todo el diseño anterior, se procede a

seleccionar los aditivos necesarios para que la lechada pueda

cumplir con lo diseñado.



• Familia de Aditivos:

• Aceleradores.

• Retardadores.

• Extendedores.

• Densificantes.

• Dispersantes.

• Control de filtrado.

• Control de pérdida de circulación.

• Aditivos especiales (antiespumantes, trazadores radioactivos)



• Una vez obtenido el diseño teórico, se procede a efectuar las

siguientes pruebas de laboratorio, para confirmar lo que se

diseño de la lechada:

• Mezclado (en 15 seg a una velocidad de 4,000 rev/seg).

• Agua libre (máximo 1.4 %).

• Pérdida de filtrado.

• Tiempo de espesamiento.

• Niveles de gelificación de la lechada.

• Temperatura estática de fondo (BHST).

• Temperatura circulante de fondo (BHCT).

• Resistencia a la compresión.

• Las pruebas de laboratorio son muy importantes, ya que

permiten hacer los rediseños y reingeniería necesarios para que

la lechada cumpla con el propósito para el cual se diseñó.


• Del estado mecánico del Zaap-19, considerar los siguientes datos:

• Cima de cemento: 1,200 mv.

• Cople diferencial: 2,530 mv

• Zapata guía: 2,555 mv.

• Densidad de la lechada: 1.35 gr/cc.

• Densidad de lodo E.I: 1.20 gr/cc, con 25% de agua, 60% de diesel y

15% de sólidos.

• Rendimiento: 58.51 [lts/sc]

• Requerimiento de agua de mezcla: 28.76 [lts/sc]

• Exceso en el agujero descubierto: 15%.

• Presión de bombeo a 4 BPM: 600 psi.

• Tiempo bombeable: 5 horas.



• Dibujar a mano el estado mecánico con los datos anteriores, y

cálcular:

• 1.- Volumen de la lechada.

• 2.- Volumen de desplazamiento.

• 3.- Presión de llegada del tapón sólido al cople de retención.

• 4.- Tiempo de bombeo total (toda la operación a 4 BPM).

• 5.- Compresibilidad del lodo de E.I.

• 6.- Volumen de sobre-desplazamiento.

• 7.- ¿El tiempo total de bombeo cumple con el tiempo bombeable?

• 8.- Calcular el gasto mínimo de bombeo para salir a tiempo con el

tiempo bombeable.

• 9.- Calcule la cantidad de cemento a emplear.

• 10.- Calcule la cantidad de agua de mezcla a emplear.



• 1.- ¿Cuáles son los tipos de cemento que se usan en la industria

petrolera y que características tienen?

• 2.- Describa brevemente los tipos de cementación.

• 3.- Defina densidad, rendimiento y requerimiento de agua, que

unidades tienen.

• 4.- Defina capacidad, volumen y desplazamiento.

• 5.- Defina presión diferencial, dibuje a manera de ejemplo una

gráfica de presiones diferenciales exponiendo el comportamiento

de la presión en una cementación.

• 6.- Defina compresibilidad, que unidades tiene.

• 7.- Defina presión final.

• 8.- ¿Cómo se obtiene el volumen de sobre-desplazamiento?

• 9.- Describa los elementos para obtener la presión máxima a

manejar en una cementación.

• 10.- ¿Qué es el tiempo bombeable y el esfuerzo compresivo?

Evaluación Teórica.


• La cementación de TR´s es la operación más importante en la

perforación del pozo.

• Se recomienda para el tiempo bombeable se considere a las 30

unidades de consistencia (bourden).

• Se recomienda que el porcentaje mínimo de agua sea del 38%.

• Se recomienda que el tiempo de fraguado sea en la intersección

de las curvas de tiempo de transito y esfuerzo compresivo

(mínimo a 500 psi, de acuerdo a API).

• Se recomienda que la densidad de la lechada sea uniforme y que

se tomen muestras caja por caja para una referencia posterior.

• Se recomienda correr pruebas de compatibilidad entre el

cemento, bache y lodo de perforación.

• Se recomienda no sobre-desplazar más de lo calculado, para

evitar lavar la zapata, preferible rebajar un pequeño poste a

efectuar una cementación forzada, que representaría altos

costos.

Conclusiones y Recomendaciones.


• Ingeniería de Cementaciones, Tomo 07, Libro Un Siglo de la

Perforación en México, PEMEX – UPMP.

• Guía Práctica para Diseñar y Efectuar Cementaciones Primarias,

PEMEX – UPMP.

• Procedimiento de PEMEX: PE-SP-OP-0112-2012: Cementación de TR

• Procedimiento de PEMEX: PE-SP-OP-0181-2012 Cementación de

Liner.

• Norma Oficial de Referencia de PEMEX: NRF-069-PEMEX-2006:

Cementos Clase “H” y “H-PEMEX” empleados en pozos petroleros.

Bibliografía.


GRACIAS POR

SU ATENCIÓN

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