Aislamiento Zonal a largo plazo en pozos productores de gas

8/15/2019 Aislamiento Zonal a largo plazo en pozos productores de gas

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Aislamiento Zonal a largo plazo en pozos productores de gas.

Orlando Gabriel; Adolfo Millán. Schlumberger Venezuela S.A.

RESUMEN

Durante años los cementos fueron diseñados basándose en las propiedades óptimas

necesarias para la colocación de la lechada. Una vez fraguado el cemento, las

propiedades de alta resistencia a la compresión y baja permeabilidad se asumían

suficientes para toda condición de pozo. Hoy en día, se comprende mejor la

importancia de un material aislante que resista a los esfuerzos en pozos que

presentan complicaciones.

El cemento fraguado debe soportar cambios de presión y temperatura en el pozo

durante toda su vida útil. Esto es particularmente relevante, considerando el costo y la

dificultad de la perforación. Los sistemas basados en el uso de Cementos Flexibles

son diseñados para proveer el aislamiento adecuado a las necesidades a largo plazo

en el pozo.

Cuando se cementan pozos de gas, se debe tener un especial cuidado para asegurar

un aislamiento completo del pozo, además de considerar la integridad del cemento.

Los cambios en las condiciones de fondo, durante la vida productiva del pozo pueden

inducir esfuerzos considerables que pueden destruir la integridad de la envoltura de

cemento, lo que puede conducir a una sostenida fuga de presión de gas, si las

propiedades mecánicas del cemento fraguado no son diseñadas para soportar tales

esfuerzos. Si estos pozos son candidatos a ser fracturados hidráulicamente las

condiciones se hacen aun más críticas.

El presente trabajo presenta las condiciones técnicas de simulación, selección defluidos y ejecución de la cementación del liner de producción (4 ½ pulg) utilizando un

sistema de cemento Flexible. Así como el análisis de las evaluaciones previas a un

trabajo de fracturamiento hidráulico realizado en el mismo pozo para tratar de

incrementar su producción.

Palabras claves: Cementación; Schlumberger; Cemento Flexible; Fractura hidráulica.Pozos de gas; Aislamiento zonal


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Aislamiento Zonal a largo plazo en pozos productores de gas

INTRODUCCION

El análisis detallado de los esfuerzos a los cuales será sometido un pozo de petróleo o

gas ayuda a determinar las características del material aislante (cemento) que se debe

utilizar para garantizar la vida útil del pozo a largo plazo.

Pensar que una operación de cementación es exitosa cuando esta se ejecuta según el

programa operacional acordado entre la empresa de servicios y la empresa

productora. Condicionar la evaluación del cemento a la interpretación de registros

sónicos ejecutado pocas horas después de finalizado el trabajo, son conceptos que

han estado cambiando con el paso de los años.

Registros realizados en etapas posteriores, han comprobado que el cemento puedesufrir daños debido a las fuerzas que debe soportar a lo largo del ciclo de producción

de los yacimientos.

Los esfuerzos aplicados pueden incluir, pero no están limitados a:

o Cambios en la densidad del fluido de perforación

o Inyección de fluidos

o Fuerzas tectónicas

o Interrupción de la producción

o Tratamientos de reparación y/o estimulación

o Fracturas hidráulicas

Figura No 1. Esfuerzos generados durante la vida productiva del pozo


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Las características de la roca, su permeabilidad, sus propiedades mecánicas,

esfuerzos y litologías, hacen a los pozos candidatos o no para ser fracturados. Cuando

se tiene planificado la ejecución de este tipo de tratamiento la construcción del pozo

debe ejecutada basando en esta condición.

La completación, perforados, revestidores e inclusive el fluido de perforación deben

ser seleccionados basados en los fluidos, presiones, etc. que están implícitos dentro

de un tratamiento de fracturamiento hidráulico.

El sistema de cemento utilizado para crear el aislamiento revestidor-formación, no

debe ser excluido de este análisis. Por muchos años el análisis y selección del sistema

cementante se basó únicamente en el desarrollo de la resistencia a la compresión.

El estudio de cemento fraguado y las características físico– mecánicas de este, dentro

del contexto de integridad-aislamiento-vida del pozo ha demostrado las ventajas que

implica la realización de estudios geomecánicos (Modulo de Young) de este sólido

(cemento fraguado).

Al mismo tiempo, realizar este estudio sin considerar la interacción entre el cemento y

la formación y/o entre el cemento y revestidor limitaría el alcance y los beneficios que

este pudiese aportar.

ANÁLISIS DE DATOS Y DEFINICIÓN DE PROPIEDAES

El módulo de Young es una constante elástica que relaciona la deformación de la roca

y el esfuerzo aplicado. En forma básica podemos definirlo como una relación de la

flexibilidad de un material. Menor módulo de Young es un indicativo de mayor

flexibilidad en un sólido (1).

Mientras que el esfuerzo a la tensión, se define como la fuerza que aplicada por

unidad de área seccional es necesaria para producir el movimiento. El cemento posee

un pobre esfuerzo a la tensión cuando se compara con la resistencia a la compresión

(1).


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Una vez colocado el cemento en el espacio anular el mismo no esta sometido a ningún

tipo de esfuerzos. Sin embargo, cuando este pseudo equilibrio es alterado, y el

cemento es sometido a esfuerzo, puede crearse un microanillo.

Para realizar estos estudios, se han diseñado programas matemáticos que permiten,

determinar las propiedades mecánica que debe poseer el sistema cementante, para

que este pueda soportar los esfuerzos creados en el pozo sin que ocurra una falla en

su estructura. Los datos de alimentación del programa de computación están

agrupados en (2):

o Características y propiedades mecánicas de la formación.

o Datos de revestidor

o Eventos operacionales a ejecutarse en el pozo

o Objetivo primario del mismo

Estos datos son comparados con valores obtenidos en el laboratorio para el sistema

de cemento propuesto, generando un análisis de las posibles fallas que podrían ocurrir

(fig. No 2) bajo efectos de:

o Tracción / Compresión (Esfuerzos a la tensión). Relacionados con incrementos

en la presión (pruebas integridad en la zapata o revestidor, estimulación,

cambio en la densidad del fluido de perforación, perforación, etc.) y en la

temperatura (estimulación térmica, temperatura del fluido de inyección o

producción) del pozo.

o Pérdida de adherencia (Formación de microanulos). Este tipo de falla esta más

relacionada a la contracción del metal (revestidor) y/o de la formación cuando

se produce una disminución en la presión de producción. La pérdida de

adherencia produce la formación de micro-anillos por donde puede crearse el

flujo de fluidos (especialmente gas) aun en espacios tan pequeños como 10

µm.

Para evitar estos efectos se ha comprobado que el cemento fraguado debe cumplir

con los siguientes parámetros (1):

o Bajo Módulo de Young (alta flexibilidad)

o Alta relación entre el esfuerzo a la tensión y el módulo de Young (T/E)

o Expansión lineal después de fraguado.


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Figura No 2. Análisis de factibilidad de falla realizado por el simulador de esfuerzos enel cemento

Predecir estos valores, partiendo de los datos de entrada es el objetivo principal del

programa matemático propuesto.

Al mismo tiempo el programa realiza un análisis de sensibilidad (fig. No 3) que

establece un rango dentro de los cuales parámetros como:

o Módulo de young

o Espesor de cemento

o Peso del revestidor

pueden variar sín que se generen los escenarios de falla anteriormente descritos.

Dentro de la base de datos que el programa posee existen datos de mecánica de

rocas asociados a diferentes sistemas de cementación. Basado en esto, el programa


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propone alternativas de los sistemas (fig. No 4) que podrían ensayarse para obtener

las propiedades requeridas para el diseño.

Figura No 3. Análisis de sensibilidad ejecutado sobre los parámetro críticos del diseño

Figura No 4. Alternativas de diseño propuestos por el simulador de esfuerzos en elcemento


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DISEÑO DEL SISTEMA CEMENTANTE

El cemento, una vez fraguado, como todo sólido posee propiedades mecánicas, estas

hasta hace poco tiempo se relacionaron con la calidad del cemento y a la máxima

resistencia a la compresión que la lechada podría soportar.

Un nuevo concepto en el diseño de sistemas de cemento, permite ajustar las

propiedades mecánicas del cemento, creando lo que se ha definido como Cemento

Flexible. Esta tecnología esta basada en el concepto de distribución de tamaño de

partículas para crear un empaquetamiento óptimo que disminuya la permeabilidad del

cemento al tiempo que proporciona propiedades mecánicas superiores.

El tipo de sistema, la concentración y tipo de aditivo flexible, seleccionado en base a la

temperatura a la cual estará sometido el sistema, permiten ajustar las propiedades

mecánicas de lechadas en un amplio rango de densidad y temperatura (max. 482 ºF)

Como ya se explicó, además de la flexibilidad de la lechada la expansión lineal que

esta pueda alcanzar ayuda a evitar la creación de microanillos. Esta condición es

válida solo cuando la expansión se produce en forma efectiva hacia el revestidor. Esto

es solo posible si el cemento es más flexible que la formación frente a la cual esta

colocado, caso contrario la expansión podría incrementar el tamaño del microanillo ya

que ocurriría en contra de la formación (menor resistencia).

El valor absoluto del módulo de Young del cemento, comparado con el de la roca, es

la clave para diseñar un cemento capaz de soportar un ambiente de esfuerzos

dinámicos.

Adicionalmente la relación T/E da una relación de la capacidad del cemento a fallar

bajo la aplicación de un esfuerzo. Sin embargo aun cuando este es un parámetro

importante para estimar la durabilidad del cemento, este por si solo no es un

parámetro clave. Típicamente un cemento con una alta relación T/E soportan en forma

más eficiente la aplicación de fuerzas externas, adaptándose mejor a ambientes de

esfuerzos dinámicos (2).


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APLICACIÓN EN POZO CANDIDATO A ESTIMULACIÓN POR FRACTURAHIDRAULICA

Profundidad 11475 pies Temp. Estática 330 ºF

Presión de Poro 9.96 lpg Temp. Circulante 280 ºF

Presión de Fract. 11.44 lpg Revestidor Liner 4 ½”

Tipo de Lodo Base Aceite Densidad Lodo 10.30 lpg

Los datos de formación estimados por la compañía operadora, así como los datos del

revestidor, fueron introducidos al programa de simulación. Los factores críticos de

esfuerzos considerados en este tratamiento consideraron factores como incremento de

presión debido a la planificación de una estimulación hidráulica (fractura) del

yacimiento. Máxima presión esperada durante el tratamiento 7000 lppc. De igual

manera se espera ocurra un enfriamiento brusco durante el proceso como

consecuencia del volumen de fluidos requeridos y el alto caudal a emplear.

El simulador seleccionó como opción a llos datos suministrados el uso de una lechada

flexible de 15.0 lpg con la proporción adecuada de agente expansivo para obtener un

2% de incremento lineal en el cemento fraguado a la temperatura de prueba (300 ºF)

Por ser este un pozo productor de gas, la presencia de este hidrocarburo debe ser

controlada para evitar de esta forma la migración o canalización de este en el cemento

durante la etapa de hidratación crítica, por lo tanto el sistema cementante fue diseñado

con agentes antimigratorios tipo latex para impartir propiedades impermeables al

sistema.

Para disminuir el tiempo de hidratación crítica como retardador se utilizó un tipo de

aditivo de tercera generación que posee como característica principal una muy baja

sensibilidad a los cambios de temperatura, permitiendo el fraguado homogéneo y en

tiempo reducido de la lechada de cemento.

El uso de cementos especiales, en ninguna forma puede permitir la desviación de las

prácticas básicas de una cementación. La correcta centralización y prácticas de

remoción de lodos deben ser seguidas en todo momento. Es por esto que se

seleccionó el uso de espaciadores en flujo turbulento para maximizar la efectiva

remoción del lodo y el revoque que este ha depositado sobre la cara de la formación.


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En total 40 barriles de lavador químico y 60 barriles de espaciador densificado a 11.2

lpg fueron utilizados.

El programa de centralización consistió de 28 centralizadores rígidos adaptados al

hoyo de 6 ½” que fue perforado. Con una densidad de colocación de 1 centralizador

cada 2 tubos (40 pies/tubo) la máxima excentricidad fue calculada en 74%.

En total 47 barriles de lechada flexible de 15.0 lpg fueron utilizadas para llenar el

espacio anular (revestidor - formación) llevando cemento hasta 300 pies por encima

del punto de asentamiento del revestidor (9487 pie).

El trabajo fue ejecutado en forma satisfactoria, siguiendo todas las recomendaciones

operacionales. La evaluación por registros sónico de la cementación (fig. No 5) mostró

la presencia de buen cemento en el área de interes.

Pruebas de afluencia realizadas en el colgador del liner confirmaron la existencia de

un sello en el colgador del liner cementado.

Tal como fue establecido en el plan operacional. Se planificó la realización de una

estimulación (fractura hidráulica) en este pozo. Debido a limitaciones de la sarta de

producción la máxima presión de trabajo para la estimulación se fijo en 7000 lppc.

Previo a todo trabajo de fractura, sobre todo en pozos exploratorios como este caso,

se debe realizar una prueba controlada que permita validar las propiedades del

yacimiento a fracturar. Este procedimiento es llamado mini-fractura. Allí utilizando un

fluido base similar al propuesto para el acarreo de material apuntalante dentro de la

fractura abierta, se logra determinar la presión de propagación de la fractura y se mide

la eficiencia del fluido a utilizar con datos reales, al tiempo que se validan los datos de

mecánica de roca utilizados en el diseño y simulación del tratameinto.

Durante la prueba se hicieron repetidos intentos en lograr la propagación de la fractura(Figura No 6), no lográndose el objetivo planteado ya que el límite máximo de trabajo

fue alcanzado sin que se produjera el resultado esperado.

Ante la imposibilidad de cumplir con el objetivo propuesto y ante la evidente baja

permeabilidad del yacimiento objetivo, en un último intento se decidió reemplazar la

sarta de producción por otra que permitiera alcanzar un límite mayor en la presión de


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Figura No 6. Presiones de tratamiento aplicada previo a la fractura hidráulica

Figura No 7. Presiones de tratamiento aplicadas (9000 lppc)


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CONCLUSIONES

El uso de cemento flexible ha demostrado ser una alternativa confiable para garantizar

el correcto aislamiento zonal, en pozos que serán sometidos a altos esfuerzos

mecánicos.

Planificar los trabajos de construcción de pozos pensado en los tratamientos

posteriores a los cuales estos estarán sometidos permite generar soluciones

focalizadas a los objetivos a largo plazo y no solo basados en el corto plazo.

REFERENCIAS1. Schlumberger. “FlexSTONE* Technology. Client Technical Memo”. Sugar Land

Texas USA.

2. Schlumberger. FlexSTONE* Engineering. Aug 2006.


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ANEXOS

Figura No 8. Metodología de diseño para sistemas de cemento flexible.


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Figura No 9. Rango de aplicación de temperatura del sistema flexible de cementos.

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