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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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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