Soluciones de largo plazo para el aislamiento zonal

18 Oilfield Review

Soluciones de largo plazo para el aislamiento zonal

Raafat AbbasErick CunninghamTrevor MunkClamart, Francia

Bente BjellandNorsk HydroBergen, Noruega

Vincent ChukwuekeNederlandse Aardolie Maatschappij B.V.Assen, Países Bajos

Alain FerriAberdeen, Escocia

Greg GarrisonHouston, Texas, EUA

Doug HolliesEnCana CorporationCalgary, Alberta, Canadá

Chris LabatChevronTexacoNueva Orleáns, Luisiana, EUA

Omar MoussaKuala Lumpur, Malasia

Por su colaboración en la preparación de este artículo, seagradece a Mario Bellabarba, La Haya, Países Bajos; LeoBurdylo, Roger Keese, Bill Miller, Erik Nelson y DonWilliamson, Sugar Land, Texas, EUA; Ryan Cammarata, BillDacres, Laurent Delabroy, James Jackson y Randy Tercero,Houston, Texas; Youssef El Marsafawi, Kuala Lumpur,Malasia; Simon James, Clamart, Francia; Brian Koons,Nueva Orleáns, Luisiana, EUA; Christian Mueller, Stavanger,Noruega; Ron Schreuder, Coevorden, Países Bajos; y DavidStiles, Calgary, Alberta, Canadá.CBT (herramienta de Registro de Adherencia del Cemento),CemCADE, CemCRETE, CemSTONE, DeepCEM, DeepCRETE,DuraSTONE, FlexSTONE, GASBLOK, GeoMarket, LiteCRETE,MUDPUSH, SCMT (herramienta Delgada de Construcciónde Mapas de Cemento), USI (generador de ImágenesUltrasónicas), Variable Density (registro de DensidadVariable), VDN (Densidad-Neutrón VISION) y WELLCLEAN IIson marcas de Schlumberger.

El mejoramiento de la integridad del pozo en el largo plazo constituye una prioridad

creciente. Las compañías de exploración y producción reconocen que un excelente

aislamiento zonal requiere un óptimo sistema de eliminación del lodo y un diseño

adecuado del procedimiento de cementación. Los nuevos programas de simulación

numérica, los sistemas de cementación primaria que no dañan el medio ambiente y

el soporte de campo que se brinda a nivel mundial, ayudan a las compañías a lograr

sus objetivos de construcción de pozos desde el principio, a la vez que optimizan la

protección del medio ambiente.

Las compañías de exploración y producción (E&P)se han esforzado por lograr un perfecto aisla-miento zonal desde el surgimiento de los sistemasde cementación de pozos. Las complejas relacio-nes existentes entre la geología, la química y lafísica de la terminación de cada pozo de petróleoo gas, plantean desafíos únicos que quizás no sepuedan resolver sino sólo con décadas de expe-riencia. Estos desafíos se ponen de manifiestotanto en los pozos nuevos como en los existentes.

La envergadura de los problemas de aisla-miento zonal corrientes es enorme. Las operacio-nes de perforación realizadas en todo el mundodurante el año 2001 abarcaron 74,000 pozos nue-vos, de los cuales 48,000 se perforaron enAmérica del Norte.1 Una de las principales preo-cupaciones es que muchos de los pozos estánexperimentando problemas de existencia de pre-sión detrás de las tuberías de revestimiento; unaindicación de que existe un canal entre unafuente de presión y un espacio anular. Solamenteen las áreas marinas del Golfo de México, 11,500espacios anulares en 8000 pozos podrían experi-mentar problemas de existencia de presión detrásde las tuberías de revestimiento.2 Los costos deremediación pueden alcanzar hasta un millón dedólares estadounidenses por pozo, incluyendo loscostos de equipos de reparación y los de detec-ción y remediación de pérdidas. En Canadá, elproblema de existencia de presión detrás de lastuberías de revestimiento afecta a una gran varie-dad de pozos en tierra, desde pozos someros degas hasta pozos de petróleo pesado. La solución

de estos problemas a nivel mundial puede impli-car un costo de hasta 2750 millones de dólaresestadounidenses a lo largo de 10 años.Indudablemente, es deseable evitar estos gastosde remediación.

El problema de existencia de presión detrásde la tubería de revestimiento puede tener distin-tas causas, tales como una cementación primariadeficiente, la vigencia de requisitos inadecuadoscuando se cementaron pozos más antiguos, o eldeterioro de la matriz de cementación con eltiempo. Independientemente de la causa, laindustria y las agencias reguladoras reconocen lanecesidad de proteger el medio ambiente frente apérdidas de fluidos de yacimiento. Un aislamientozonal deficiente puede ocasionar la pérdida del

1. “World Trends: Industry Pace Should Quicken,” WorldOil 223, no. 8 (Agosto de 2002): 33–37.Para obtener mayor información sobre datos de perfora-ción correspondientes al año 2001, consulte:http://www.worldoil.com/magazine/magazine_link.asp?ART_LINK=02-08_world-abraham_T2.htm#top.

2. Bourgoyne AT Jr, Scott SL y Manowski W: “A Review ofSustained Casing Pressure Occurring on the OCS,” estu-dio LSU solventado por el Servicio de Administración deMinerales, Departamento del Interior de EUA,Washington, DC, bajo Contrato Número 14-35-001-30749.

3. Para obtener mayor información sobre remediación depozos existentes, consulte: Barclay I, Pellenbarg J,Tettero F, Pfeiffer J, Slater H, Staal T, Stiles D, Tilling G yWhitney C: “El principio del fin: Revisión de las prácticasde abandono y desmantelamiento,” Oilfield Review 13,no. 4 (Primavera de 2002): 28–41.Boisnault JM, Guillot D, Bourahla A, Tirlia T, Dahl T,Holmes C, Raiturkar AM, Maroy P, Moffett C, Pérez MejíaG, Ramírez Martínez I, Revil P y Roemer R: “ConcreteDevelopments in Cementing Technology,” Oilfield Review11, no. 1 (Primavera de 1999): 16–29.

Invierno de 2002/2003 19

control del pozo o la contaminación de los acuífe-ros, lo cual resultaría catastrófico para el medioambiente y la población local. El mejoramiento dela cementación primaria en los nuevos pozos y lareparación de pozos con pérdidas, constituyenpasos lógicos destinados a mejorar el aislamientozonal y proteger el medio ambiente.3

En este artículo se analizan distintas solucio-nes que permiten mejorar el aislamiento zonal enla cementación primaria, comenzando con la tec-nología de eliminación del lodo. Ejemplos deoperaciones de campo demuestran el impacto delas nuevas técnicas y de los nuevos fluidos. Los

novedosos programas de simulación numérica yuna red mundial de laboratorios interconectadosque proveen soporte a las operaciones de campo,ayudan a los ingenieros a optimizar el diseño delos trabajos de cementación.

Optimización del sistema de eliminación del lodoLa eliminación efectiva del fluido de perforación esun requisito previo para el éxito de la cementaciónprimaria. Cuando la lechada de cementación fragua,el lodo que queda en el pozo puede impedir la for-mación de un sello hidráulico, lo cual a su vez puede

generar fenómenos adversos tales como: produc-ción de fluidos no deseados, pérdida de hidrocarbu-ros hacia zonas de baja presión, existencia depresión detrás de la tubería de revestimiento,reventones subterráneos o corrosión acelerada dela tubería de revestimiento. La solución de estosproblemas demanda gastos adicionales y general-mente inesperados. Además del estado general yde la calidad del pozo, entre los factores que afec-tan la eliminación del lodo se encuentran el acondi-cionamiento del mismo, los procedimientos dedesplazamiento, la geometría del pozo y la centrali-zación de la tubería de revestimiento.

Durante los pasos previos a la cementaciónde una tubería de revestimiento, una cuadrilla decementación bombea una serie de fluidos por latubería de revestimiento para desplazar el fluidode perforación del interior de la misma, y delespacio anular existente entre la tubería derevestimiento y la formación. El primer fluidobombeado suele ser un lavado químico o espa-ciador, que separa el fluido de perforación de lalechada de cementación.

La densidad y viscosidad de los lavados quí-micos son similares a las del agua o el petróleo;se puede utilizar agua, diesel, o petróleo comofluido base para los lavados químicos. Si se bom-bean adelante de la lechada de cementación,contribuyen a la eliminación del lodo porque lodiluyen, reducen su densidad y lo dispersan. Loslavados químicos pueden formularse de maneratal que eliminen tanto los fluidos de perforaciónbase agua como los fluidos base aceite. En últimainstancia, los lavados químicos mejoran la cali-dad de la adherencia entre la tubería de revesti-miento y el cemento, y entre el cemento y laformación. Los lavados químicos, como tienden atener baja viscosidad, se bombean en condicio-nes de flujo turbulento (derecha). Existen lavadosquímicos para una gran variedad de aplicaciones.

Los fluidos espaciadores también proveen untapón que resulta químicamente compatible tantocon el fluido de perforación como con la lechadade cementación durante el desplazamiento. Eldesplazamiento total del fluido de perforación porel espaciador es crucial para el establecimientodel aislamiento zonal; un desplazamiento incom-pleto puede conducir a la formación de un canalde lodo continuo en la zona de interés, creandovías de comunicación entre las distintas zonas.Esa comunicación conduce a la producción de flui-dos no deseados, la pérdida de hidrocarburos eincluso la migración de los fluidos hacia la super-ficie. Para los lodos base petróleo, los surfactan-tes utilizados en los lavados químicos y en losespaciadores modifican la mojabilidad de la tube-ría de revestimiento y de la formación alrededordel pozo, que pasa de la condición de mojada conpetróleo a mojada con agua. Esto contribuye amejorar la adherencia del cemento.

Los espaciadores MUDPUSH II son compati-bles con las lechadas de cemento, con los lodosbase agua y base petróleo, y con el agua dulce,de mar o salobre. Estos espaciadores puedendiseñarse con densidades de entre 1200 y 2400kg/m3 [10 y 20 lbm/gal] y para resistir temperatu-ras de hasta 149°C [300°F]. Los espaciadores handemostrado una excelente correlación entre lascaracterísticas de diseño de laboratorio y el ren-dimiento de campo, y son fáciles de mezclar en lalocalización del pozo.

Las propiedades del espaciador MUDPUSH IIse ajustan para minimizar el impacto ambiental,incluyendo la disminución de la toxicidad, elmejoramiento de la biodegradación y la reducciónde la acumulación biológica.4 Una menor cantidadde productos químicos que la requerida por otrosespaciadores produce las características de ren-dimiento deseadas. Se descargan o manipulanmenos productos químicos a medida que los flui-dos retornan a la superficie, además de reque-rirse menos espacio de almacenamiento ygenerarse menor cantidad de residuos.

La optimización de las propiedades reológicasde un fluido espaciador mejora el aislamientozonal y el desplazamiento del lodo. La aplicaciónWELLCLEAN II—Asesor de Soluciones deIngeniería—ahora posibilita una rápida seleccióny un ajuste de las concentraciones de aditivos enlos fluidos espaciadores. Este programa de com-putación reduce el tiempo y esfuerzo necesariospara optimizar las propiedades de los fluidos,sean éstos diseñados para flujo turbulento o flujolaminar. Los resultados de la simulación efec-tuada con la aplicación de diseño y evaluación dela cementación CemCADE—que se basan endatos reales—pueden ser importados en la apli-cación WELLCLEAN II.5 Cuando esta aplicación seutiliza para diseñar el trabajo de cementación, sereduce el riesgo de error y aumenta la eficacia.

En el diseño de un espaciador MUDPUSH IIconcebido para eliminar el lodo bajo un régimende bombeo de flujo turbulento, la aplicaciónWELLCLEAN II indica la concentración de aditivoóptima para estabilizar el espaciador de modo quelos agentes densificantes no precipiten y que laspropiedades reológicas no se alteren. Al mismotiempo, el programa fija las propiedades de losfluidos en el mejor nivel para lograr el flujo turbu-lento a bajas velocidades de bombeo. En ciertoscasos, las restricciones de la velocidad de bombeoconducen a un régimen de flujo laminar; el flujoturbulento generalmente se desarrolla a velocida-des de bombeo más altas. Si la estrategia a seguirimplica diseñar el espaciador para flujo laminar, elprograma ofrece propiedades de espaciadores yconcentraciones de aditivos optimizadas a la den-sidad y temperatura deseadas. El grado de elimi-nación del lodo y la presencia de canales de lodose vinculan más comúnmente con la geometría, larugosidad y los agrandamientos del pozo, asícomo con la viscosidad y densidad de los fluidoscontenidos en el pozo, que con el régimen de flujo.Simulaciones múltiples demuestran las conse-cuencias de las diversas concentraciones de aditi-vos sobre las propiedades de los espaciadores.Las propiedades de los espaciadores para un tra-bajo en particular siempre se conciben para queresulten compatibles con el lodo y el cemento.

Además de contener una base de datos inte-gral de pruebas de laboratorio, la aplicaciónWELLCLEAN II proporciona modelos matemáti-cos y un elemento de razonamiento que permitededucir las propiedades de los espaciadoresmediante la interpolación de los resultados adiversas temperaturas, densidades y concentra-ciones de aditivos (página siguiente). Esta aplica-ción incorpora distintos modelos reológicos.Entre ellos se encuentran los sistemas plásticosde Bingham, los que se comportan siguiendo unaley exponencial y los que siguen el modelo deHerschel-Bulkley.6

Las mediciones de campo de las propiedadesde los espaciadores diseñados con la aplicaciónWELLCLEAN II han demostrado ajustarse estre-chamente a los datos de diseño pronosticados.Por ejemplo, en un pozo de alta presión de MedioOriente, la densidad del lodo necesaria para con-trolar el pozo era de 2240 kg/m3 [18.7 lbm/gal].Un gradiente de fracturamiento cercano a la pre-sión de poro produjo pérdidas de fluido de perfo-ración en las zonas más débiles. El operadordecidió bajar y cementar una tubería de revesti-miento corta (liner) y solicitó un fluido espaciadoroptimizado de inmediato.

20 Oilfield Review

Flujo laminar Flujo turbulento

Fluido enmovimiento

Capa estáticade lodo

> Dinámica de los fluidos en la eliminación dellodo. En condiciones de flujo laminar (izquierda),las líneas de flujo son paralelas y las partículasindividuales recorren trayectorias paralelas. Laspartículas de lodo tienden a acumularse cerca dela pared del pozo, lo cual dificulta la eliminacióncompleta del mismo. En condiciones de flujo tur-bulento (derecha), los remolinos energéticosarrastran más partículas de lodo que las trayecto-rias de flujos laminares antes de saturarse. Lostorbellinos también mueven a los surfactantes odispersantes en el lavado químico o en el fluidoespaciador en todo el pozo, para deformar y elimi-nar la capa estática de lodo de la pared del pozo.


Normalmente, el diseño de un espaciadorpara esta situación demandaría un prolongadoproceso de laboratorio. Sin embargo, la aplica-ción WELLCLEAN II permitió optimizar rápida-mente el diseño del espaciador utilizando lascondiciones reales del pozo y las propiedades delos fluidos. La tubería de revestimiento corta fuecementada con éxito y el operador se vio favore-cido con el eficaz proceso de diseño de un espa-ciador efectivo para condiciones tan difíciles. Nohubo indicación alguna de pérdida de cementodurante las operaciones de cementación.

En las operaciones de cementación ordina-rias, el espaciador puede ser seguido de múlti-ples lechadas de cemento.7 La serie que incluyecolchón lavador-espaciador-lechada de cementa-ción, debe desplazar todos los fluidos del espacioanular para evitar la formación de canales delodo o de espaciador dentro del cemento fra-guado.8 Tales canales pueden permitir la migra-ción indeseable de fluidos de formación. Lapresencia de lodo también puede producir grietas

por contracción, reducir la resistencia a la com-presión o aumentar la permeabilidad y cualquierade estas situaciones puede afectar negativa-mente las propiedades del cemento fraguado.Una vez bombeada la lechada de cementación, selanza un tapón mecánico dentro de la tubería derevestimiento, que es desplazado hasta el fondodel pozo por otro fluido, normalmente el fluido deperforación necesario para perforar el siguientetramo del pozo. Al final de la operación, elcemento ocupa el espacio anular entre la tuberíade revestimiento y la formación atravesada desdeel fondo del pozo hasta el nivel deseado.

No es posible lograr una eliminación efectivadel lodo—etapa crucial de cualquier operaciónde cementación—sin considerar los efectos detodos los parámetros relevantes. La tecnología deSoluciones de Ingeniería WELLCLEAN II utilizaproductos y herramientas innovadores para mejo-rar el emplazamiento de cemento. En conjunto,estos sistemas de lavado químico optimizados,los espaciadores adaptados a las necesidades

específicas del cliente, los programas de compu-tación innovadores y una metodología de pruebadestinada a evaluar la eficacia de los colchoneslavadores en el desplazamiento de los fluidos deperforación, contribuyen a mejorar la eliminacióndel lodo y el aislamiento zonal.

Eliminación del lodo en acciónEn la madura región marina de Tampen, Noruega,los ingenieros de Norsk Hydro están aumentandola producción de petróleo gracias al mejoramientodel aislamiento zonal con la aplicación de la tec-nología WELLCLEAN II.9 Si bien la subsidencia, lacompactación y los grandes esfuerzos mecánicosexistentes en el subsuelo, que son comunes enesta área, podrían provocar la rotura del cemento,los ingenieros sospechaban que los problemasmás importantes radicaban en la formación decanales de fluido dentro del cemento. Estos cana-les de fluido eran producidos probablemente poroperaciones de cementación deficientes, llevadasa cabo en pozos muy desviados u horizontales.Los resultados del simulador WELLCLEAN II coin-cidían con los registros de cementación que indi-caban la mezcla de fluidos a lo largo de toda latubería de revestimiento corta y una pobre cober-tura de cemento del espacio anular.

4. Acumulación biológica es el enriquecimiento de una sus-tancia en un organismo, tal como la bioconcentraciónresultante de la exposición a la sustancia en el medioambiente o la absorción a partir de la cadena alimentaria.

5. Para obtener mayor información sobre el programa decomputación CemCADE, consulte: Fraser L, Stanger B,Griffin T, Jabri M, Sones G, Steelman M y Valkó P:“Seamless Fluids Programs: A Key to Better WellConstruction,” Oilfield Review 8, no. 2 (Verano de 1996):42–56.

6. Un modelo plástico de Bingham es un modelo reológicode dos parámetros muy utilizado en la industria de losfluidos de perforación, para describir las característicasde flujo de diversos tipos de fluidos. Los fluidos que obe-decen a este modelo se caracterizan por presentar uncomportamiento lineal del esfuerzo de corte y el índice decizalladura una vez alcanzado un umbral de esfuerzo decorte inicial. Un fluido que sigue el modelo de Herschel-Bulkley puede describirse matemáticamente mediante unmodelo reológico de tres parámetros. Se prefiere la ecua-ción de Herschel-Bulkley más que la ley exponencial olas relaciones de Bingham, porque genera modelos másexactos del comportamiento reológico cuando se disponede datos experimentales adecuados. Un fluido que siguela ley exponencial se describe mediante un modelo reoló-gico de dos parámetros de un fluido seudo plástico o unfluido cuya viscosidad disminuye al aumentar el índice decizalladura. Los lodos de polímeros base agua, especial-mente los hechos con el polímero XC, se ajustan mejor ala ley exponencial que al modelo plástico de Bingham uotros modelos de dos parámetros.

7. Las operaciones de cementación primaria pueden con-sistir de hasta cuatro lechadas, pero los trabajos condos lechadas, conocidas como lechada inicial y lechadade cola, son más comunes. “Inicial” se refiere a la pri-mera lechada bombeada durante las operaciones decementación primaria. “Cola” se refiere a la últimalechada bombeada durante las operaciones de cemen-tación primaria. Normalmente, la lechada de cola cubrela zona productiva y es más densa que la lechada inicial.

8. Bonett A y Pafitis D: “Getting to the Root of Gas Migration,”Oilfield Review 8, no. 1 (Primavera de 1996): 36–49.

9. Para obtener mayor información sobre las operacionesde la región de Tampen, consulte: Bjelland B, Hansen K y Abbas R: “Tampen Planning Gets ConcreteResults,”Hart’s E&P 75, no. 8 (Agosto de 2002): 70–72.

> Optimización del diseño de espaciadores. El programa de computaciónAsesor de Soluciones de Ingeniería WELLCLEAN II permite simplificar yacelerar el diseño de los espaciadores.

El simulador WELLCLEAN II constituye unapoderosa herramienta de simulación numéricabidimensional para mostrar resultados críticos,tales como el porcentaje de cobertura de cemento,las concentraciones de fluidos, el riesgo de teneruna película o canal de lodo al final del trabajo decementación y el tiempo de contacto en el flujoturbulento; todo como una función de la profundi-dad y el tiempo. El simulador contempla esosparámetros además de la geometría y la trayecto-ria, las propiedades y los volúmenes de los fluidosdel pozo, las velocidades de bombeo y la centrali-zación de la tubería de revestimiento. El simuladorluego predice la eficacia de la eliminación del lodoy evalúa la posibilidad de que se deje un canal delodo en el cemento. Las simulaciones se presen-tan como mapas bidimensionales que muestranlas ubicaciones y concentraciones de los fluidos,sus velocidades y el régimen de flujo. Las anima-ciones de las simulaciones muestran todo el pro-ceso de desplazamiento de fluidos para unaoperación de cementación.

Las predicciones del simulador WELLCLEAN IIhan sido validadas tanto por experimentos físicos

de laboratorio como por su comportamiento en elcampo. Los ingenieros especialistas en cementa-ción pueden utilizar estas simulaciones paramodificar sus diseños a fin de lograr la optimiza-ción del aislamiento zonal. Por ejemplo, el simu-lador ayuda a los ingenieros a optar entre unrégimen de flujo turbulento y un régimen de flujolaminar, o a decidir cómo evitar el contacto perju-dicial entre el lodo de perforación y el cementodurante las operaciones de bombeo.

Para mejorar el aislamiento zonal en un pozodel área Tampen durante el año 2001, los ingenie-ros de Norsk Hydro seleccionaron un sistemainnovador de colchón lavador con espaciadores debaja toxicidad, con una biodegradación más com-pleta y una menor acumulación biológica que lasofrecidas por otros sistemas. El nuevo pozo erahorizontal, similar a los pozos problemáticos ante-riores. Se colocaron centralizadores adicionalespara mejorar la separación respecto de la pareddel pozo y la distribución del cemento en torno ala tubería de revestimiento. Los resultados delprograma CemCADE demostraron que los centra-lizadores adicionales no generarían fuerzas exce-

sivas durante la bajada de la tubería de revesti-miento, las cuales constituyen una indicación dela posibilidad de que la tubería de revestimientoquede aprisionada al ser bajada en el pozo.

Norsk Hydro también quería mejorar las pro-piedades mecánicas del sistema de cementación.Los ingenieros de Norsk Hydro seleccionaron latecnología CemCRETE de cementación de pozospetroleros a base de concreto; un sistema conuna alta fracción de sólidos, altos valores de vis-cosidad plástica, baja permeabilidad y baja poro-sidad.10 Las simulaciones indicaban que no sefracturaría formación alguna utilizando una mez-cla del sistema de lechada CemCRETE de 1679kg/m3 [14 lbm/gal]. Además, se inyectarían 48 m3

[300 bbl] de agua dulce cuya densidad y viscosi-dad eran relativamente más bajas que las de lalechada, para diluir el lodo en el pozo y reducir laresistencia del gel.

Antes de la operación, las simulaciones predi-jeron que el diseño modificado mejoraría signifi-cativamente la eliminación del lodo. Además depredecir una cobertura de cemento superior al95% a lo largo de la mayor parte de la tubería de

22 Oilfield Review

Impedancia acústica sin procesarMapa de cemento con

clasificación de impedancia

Mínimo deimpedancia acústica

Mrayl 100

Promedio deimpedancia acústica

Mrayl 100

Máximo deimpedancia acústica

Líquido

Adherido

Mrayl 100

-500.00000.31250.62500.93751.25001.56251.87502.18752.50002.81253.12503.43754.06254.37504.68755.0000

-500.00000.31250.62500.93751.25001.56251.87502.18752.50002.81253.12503.43754.06254.37504.68755.0000

Líquido

Micro espacioanular de gas o seco

Micro pérdidade adherencia

Micro espacioanular de gas o seco


AdheridoImpedancia acústicasin procesar

Mapa de cementocon clasificaciónde impedancia

-1000.0-500.00.32.63.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0

-1000.0-500.00.32.63.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0

> Mejoramiento de la adherencia en pozos horizontales de Noruega. Los diseños de espaciadores comunes produjeron una adherencia inadecuada delcemento, tal como se advierte en el registro de evaluación del cemento de la izquierda. En particular, se observa una escasez de sección amarilla, o pobreadherencia en el Carril 2. Los diseños de cementación más efectivos, incluyendo la eliminación más completa del lodo mediante la utilización de espacia-dores MUDPUSH II, permitieron mejorar la adherencia del cemento, tal como lo indica la abundante sección amarilla del Carril 3 (derecha).


revestimiento de producción, los datos del simu-lador no indicaban riesgo alguno de que quedaralodo detrás del cemento. La operación de cemen-tación fue ejecutada con éxito. Los registros deevaluación de la adherencia del cemento de latubería de revestimiento de 7 pulgadas demostra-ron que los resultados eran superiores a los de lostrabajos de cementación previos; excelente adhe-rencia y ninguna indicación de la presencia decanales de fluidos (página anterior). Desde enton-ces, los pozos adicionales del área Tampen fueronterminados con éxito utilizando esta metodología.

En el Golfo de México, el logro de un aisla-miento zonal efectivo resultó crucial para cincocostosos pozos de alcance extendido que atrave-saban un contacto agua-petróleo en la zona conhidrocarburos. La adecuada adherencia entre elcemento y la tubería de revestimiento, y entre elcemento y la formación dentro de estas areniscasproductivas siempre habían representado un ver-dadero desafío; sólo existía buena adherencia enlas secciones de lutitas. Cualquier diseño de tra-bajo de cementación nuevo tendría que ser aptopara desviaciones de hasta 77 grados, lodo deperforación sintético y entrada de gas de la for-mación. La imposibilidad de aislar las zonas acuí-feras dentro de la arenisca productiva, causó lareducción de la producción de petróleo y el incu-rrir en costos adicionales para eliminar el aguaproducida. ChevronTexaco invirtió 200,000 dóla-res estadounidenses por pozo para las operacio-nes de cementación mediante inyección forzada(a presión) y tiempo de equipo de perforación parareparar los trabajos defectuosos de cementaciónprimaria en tres de los cinco pozos.

Con la ayuda de los programas del simuladorWELLCLEAN II, la aplicación CemCADE, y losregistros de calibración adquiridos durante la per-foración con la herramienta Densidad-NeutrónVISION VDN, los ingenieros de Schlumbergerlograron modificar los parámetros de diseño paramejorar la eliminación del lodo.11 Los ingenierosconsideraban particularmente importante laadquisición de datos de calibración porque losdiseños de trabajos previos dependían desupuestos acerca de la forma y el volumen delpozo; parámetros que inciden sustancialmente enla eliminación del lodo y en las predicciones delvolumen de lechada requerido. Los resultados delprograma CemCADE condujeron a cambios res-pecto del emplazamiento de los centralizadores,los fluidos espaciadores, las propiedades de la

lechada de cementación, los volúmenes de fluidoy las velocidades de bombeo. La lechada decementación incorporaba el sistema de cementa-ción para control de migración de gas GASBLOKy un agente de expansión. Estos aditivos elimi-nan la entrada de gas de la formación, controlanla pérdida de fluido hacia la misma y minimizanla reducción volumétrica durante el emplaza-miento y fraguado del cemento.

El mejoramiento de los diseños de los traba-jos y de los fluidos permitió optimizar considera-blemente el aislamiento zonal en los siguientestres pozos. Los resultados de la simulacionesWELLCLEAN II coincidían totalmente con losregistros de evaluación de la cementación(arriba). Los tres nuevos pozos no produjeronagua y no requirieron operaciones correctivas dela cementación. En otros sectores del Golfo de

10. Para una introducción a la tecnología CemCRETE, con-sulte: Boisnault et al, referencia 3.

11. El dispositivo VDN proporciona mediciones de neutróncompensado y litodensidad azimutal adquiridas durantela perforación. La imagen de densidad resultante tam-bién posibilita el análisis geológico estructural.

CCLdiscriminado

03 100-1 APIV

Rayos gamma

0 360grados

Orientación relativa SCMT

0 100mV 200

1.25

2.50

3.75

5.00

6.25

7.50

8.75

10.0

011

.25

12.5

013

.75

15.0

016

.25

17.5

018

.75

20.0

0

1200µs Imagen del mapa del cemento

Min MaxAmplitud

Densidad Variable CBT—5 piesAmplitud CBT—3 pies

0 10mV

Amplitud amplificada CBT—3 pies

0 100API

Tiempo de tránsito CBT—3 pies

11,80011,90012,00012,10012,20012,300

Prof

undi

dad,

pie

s

12,40012,500

Anch

o

Lodo

Cola

CW100

MUDPUSH WHTO

Ango

sto

Anch

o

12,60012,70012,80012,900

11,80011,90012,00012,10012,20012,300

Prof

undi

dad,

pie

s

12,40012,50012,60012,70012,80012,900

Anch

o

Alto

Medio

Bajo

Ninguno

Ango

sto

Anch

o

Mapa de concentración de fluidos Riesgo de presencia de lodo en la pared

12,000

12,100

> Mejoramiento de la eliminación del lodo en el Golfo de México. Los resultados del simulador WELLCLEAN II (arriba) indicaron que modificando la colocación de los centralizadores, los fluidosespaciadores, las propiedades de las lechadas de cemento, los volúmenes de fluidos y las velocida-des de bombeo, se mejoraría la eliminación del lodo y la cementación primaria. El mapa de cementosimulado de la izquierda, muestra una alta concentración de cemento (gris) alrededor del pozo; elárea de color verde en la simulación indica la eliminación completa del lodo. El mapa de cementomostrado en el Carril 5 del registro adquirido con la herramienta Delgada de Construcción de Mapasde Cemento SCMT (abajo) confirma el excelente emplazamiento del cemento alrededor de la tuberíade revestimiento. El despliegue del registro de Densidad Variable del Carril 4 muestra una buenaadherencia del cemento.

México, los resultados de las Soluciones deIngeniería WELLCLEAN II permitieron mejorar lacementación primaria (derecha).

El rol de la tecnología de cementación avanzadaLa eliminación del lodo desempeña un rol crucialen el éxito de las operaciones de cementación,pero la selección de un tipo de cemento apro-piado también es crítica. Desde la primera opera-ción de cementación primaria realizada en 1903,las compañías de servicios han desarrolladovarios tipos de cementos para pozos de petróleoy de gas, concebidos para enfrentar las condicio-nes más extremas existentes en el subsuelo.12

Los sistemas de cementación deben tolerar losefectos de las presiones, de las temperaturas yde los fluidos de formación para proporcionar unaislamiento zonal duradero.

Aun cuando una lechada convencional seacorrectamente emplazada e inicialmente proveaun adecuado aislamiento zonal, los cambios enlas condiciones del pozo pueden inducir esfuerzosque comprometan la integridad del cemento fra-guado. Los esfuerzos tectónicos y los grandesaumentos de presión o temperatura del pozo pue-den fisurar el cemento e incluso reducirlo aescombros. El desplazamiento radial de la tuberíade revestimiento, causado por la contracción delcemento o por reducciones de temperatura o pre-sión, puede hacer que el cemento pierda adhe-rencia con la tubería de revestimiento o con laformación, y genere así un micro espacio anular.13

Las reducciones de la densidad del fluido durantelas operaciones de perforación y terminacióntambién causan la pérdida de adherencia. Lasoperaciones rutinarias de terminación de pozos,incluyendo operaciones de disparos (cañoneos,punzados) y fracturamiento hidráulico, afectannegativamente el revestimiento de cemento.14

24 Oilfield Review

12. Smith RC: “Preface,” en Nelson EB: Well Cementing.Sugar Land, Texas, EUA: Schlumberger Dowell (1990): 1–6.

13. Para obtener mayor información sobre contracción apa-rente del cemento, consulte: Thiercelin M, Baumgarte Cy Guillot D: “A Soil Mechanics Approach to PredictCement Sheath Behavior,” artículo de las SPE/ISRM47375, presentado en la Eurock de las SPE/ISRM de1998, Trondheim, Noruega, 8 al 10 de julio de 1998.

14. Para obtener mayor información sobre la respuestamecánica del cemento al esfuerzo en el fondo de pozo,consulte: Thiercelin MJ, Dargaud B, Baret JF y RodriguezWJ: “Cement Design Based on Cement MechanicalResponse,” artículo de la SPE 38598, presentado en laConferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE 1997,San Antonio, Texas, EUA, 5 al 8 de octubre de 1997.

15. Para obtener mayor información sobre los tapones dedesviación DuraSTONE, consulte: Al-Suwaidi A, Hun C,Babasheikh A y Cunningham E: “Cement Aids ChallengingSidetracks,” Hart’s E&P 75, no. 2 (Febrero de 2002): 51–53.

16. Le Roy-Delage S, Baumgarte C, Thiercelin M y Vidick B:“New Cement Systems for Durable Zonal Isolation,” artí-culo de las IADC/SPE 59132, presentado en la Conferenciade Perforación de las IADC/SPE de 2000, Nueva Orleáns,Luisiana, EUA, 23 al 25 de febrero de 2000.

56

Cobertura del cemento, %

60 64 68 72 76

Trabajo original sin optimización

Ancho Angosto Ancho

Mapa deconcentración

de fluidos

LodoEspaciadorCemento

22,000

23,000

24,000

Prof

undi

dad,

pie

sPr

ofun

dida

d, p

ies

Ancho Angosto Ancho

Riesgo de presenciade lodo en la

pared del pozo

AltoNinguno

70


80 90 100

22,000

23,000

24,000

Ancho Angosto Ancho

AltoNinguno

Trabajo optimizado mediante la utilización del programa de computación WELLCLEAN II

Ancho Angosto Ancho

LodoEspaciadorCemento


de fluidos

Riesgo de presenciade lodo en la

pared del pozo


60 80 100


de fluidos Registro CBTRegistro de

Densidad Variable

Ancho Angosto Ancho

Prof

undi

dad,

pie

s

23,600

23,540

23,480

23,420

DieselLavado químico

EspaciadorCemento

> Exitosa eliminación del lodo en el Golfo de México. En otro sector del Golfo de México, la simulacióndel diseño inicial con el simulador WELLCLEAN II indicó la probabilidad de que se formara un canal delodo en el cemento fraguado (arriba). Después de optimizar la colocación de los centralizadores, las pro-piedades de los espaciadores y las lechadas, así como las velocidades y volúmenes de desplazamiento,el simulador demostró que el nuevo diseño del trabajo impediría la formación de canales (centro). Losregistros de evaluación de la cementación confirman el mejoramiento del aislamiento zonal (abajo).


Los avances más recientes—los sistemas detecnología de cementación avanzada CemSTONE—proporcionan un aislamiento zonal confiable en ellargo plazo a pesar de las condiciones cambian-tes del pozo. Estos sistemas tienen propiedadesde cemento fraguado predecibles, tales como fle-xibilidad, expansión y resistencia al impactoluego del fraguado, de modo que pueden dise-ñarse para tolerar esfuerzos que destruirían a loscementos ordinarios.

Los aditivos patentados y las mezclas proba-das de partículas fabricadas de los sistemasCemSTONE satisfacen requisitos específicos entérminos de propiedades mecánicas, tales comoelasticidad, expansibilidad, resistencia a la com-presión y a la tensión, durabilidad y resistencia alimpacto. Así como en las lechadas CemCRETE,las distribuciones de los tamaños de las partícu-las de los sistemas CemSTONE los hace fácilesde mezclar y bombear.

La integridad del cemento lograda en formarutinaria con los sistemas CemSTONE ayuda areducir los costos de mantenimiento, asegura elaislamiento para los tratamientos de estimula-ción, reduce la posibilidad de que se acumulepresión anular durante la vida productiva de lospozos de gas, y prolonga la vida útil de los pozosde inyección de vapor de agua y de los pozos ubi-cados en áreas tectónicamente activas. Este altogrado de integridad del cemento también mejorael aislamiento para las conexiones de pozos mul-tilaterales, permite ahorrar tiempo y reducir lasdificultades que plantea la colocación de cuñasdesviadoras mecánicas, además de eliminar eldesmoronamiento del cemento detrás de la tube-ría de revestimiento cuando se abren ventanas yse perforan formaciones incompetentes (véase“Nuevos aspectos de la construcción de pozosmultilaterales,” página 56).

Actualmente hay dos tipos de tecnologíaCemSTONE en uso. El sistema de tecnologíaavanzada de cemento durable DuraSTONE y elsistema de tecnología avanzada de cemento flexi-ble FlexSTONE. Cada sistema combina partículasespecialmente dimensionadas y de materialesespeciales, lo cual genera un sistema de cemen-tación que ofrece mayor flexibilidad y más durabi-lidad. A septiembre de 2002, se habían bombeadoen todo el mundo más de 90 sistemas FlexSTONEy 25 lechadas DuraSTONE para enfrentar unaamplia gama de desafíos operativos.

Concebidos para conexiones de pozos multila-terales, tapones de desviación y pozos querequieren cemento resistente al impacto, los sis-temas DuraSTONE mezclan partículas de diferen-tes tamaños fabricadas con tecnología demicrocintas metálicas de alta resistencia. Elresultado es un cemento fraguado, dos a tres

veces más duro y con una resistencia al impactohasta 20 veces mayor que la de los cementosPórtland comunes. En Abu Dhabi, EAU, los tapo-nes de cemento DuraSTONE permitieron mejorarsustancialmente las tasas de éxito de iniciaciónde desviaciones en más de 20 trabajos realizadoshasta la fecha.15 Las mejoras logradas incluyeronla reducción del tiempo requerido para iniciar ladesviación y el aumento de la tasa de éxito de lostapones de desviación, porque los taponesDuraSTONE son muy difíciles de perforar.

Los sistemas FlexSTONE combinan la distri-bución del tamaño de partículas perfectamenteseleccionadas de los sistemas CemCRETE con laspartículas flexibles que se adaptan a amplios ran-gos de temperatura, presión y densidad de fluido.Estas partículas especiales reducen el módulo de

elasticidad de Young, aumentando la flexibilidaddel cemento fraguado (arriba).16 Cuando se pro-cura la expansión, estos sistemas pueden conce-birse para producir una expansión lineal de hastael 3% después de la hidratación completa delcemento; los sistemas comunes de cementoexpandido permiten una expansión lineal inferioral 1%. El mejoramiento de las propiedadesmecánicas hace que los sistemas FlexSTONEresulten ideales para pozos de inyección devapor de agua y pozos ubicados en regiones tec-tónicamente activas.

Las propiedades de las formaciones desem-peñan un papel crucial en el rendimiento de lossistemas de cementación de pozos. La optimiza-ción de la relación entre las propiedades mecáni-cas de la formación y las propiedades mecánicas

F

F

F

F

∆r

∆l

l

r

∆l

l

Relación de Poisson v = – ∆l∆r

Esfu

erzo

axi

al F

(ten

sión

)

Deformación axial I (tensión)

Módulo de Young (e)

Resistenciaa la tensión

Deformación axialEsfuerzo axiale =

> Propiedades del cemento. El módulo de elasticidad de Young describe larelación entre esfuerzo y deformación en una prueba de esfuerzo uniaxial(arriba). Para el cemento, cuanto menor es el módulo de Young, más flexiblees el cemento. La relación de Poisson es la relación entre la deformacióntransversal (∆r) y la deformación axial (∆l) (abajo). La deformación debida ala tracción se considera positiva y la deformación causada por la compre-sión se considera negativa. La definición de la relación de Poisson contieneun signo negativo de modo que los materiales comunes tienen una relaciónpositiva, que para el cemento oscila comúnmente entre 0.15 y 0.25. La resis-tencia a la tensión se refiere a la capacidad que posee el material para esti-rarse antes de la rotura.

del cemento fraguado constituye un requisito parala integridad del cemento en el largo plazo durantelos cambios de presión, los cambios de tempera-tura o la expansión del cemento. Dado que no esposible alterar las propiedades de la formación,los ingenieros deben en cambio manipular las pro-piedades mecánicas del cemento fraguado paralograr la combinación correcta de flexibilidad yexpansión. La tecnología FlexSTONE y el cuida-doso diseño de los trabajos de cementación lohacen posible.

Un nuevo sistema de modelado bidimensionalayuda a los ingenieros a simular el comporta-miento del cemento fraguado en regímenes depresión y temperatura diferentes, y en diversasconfiguraciones de pozos. Los datos de entradadel programa de computación incluyen la configu-ración del pozo, los puntos de interés, las propie-dades del cemento, las propiedades de laformación y las propiedades de la tubería derevestimiento. El programa de computación com-bina esta información con una base de datos delas propiedades del cemento para generar undiseño de cementación optimizado. Conocidocomo Modelo de Análisis de Esfuerzos (SAM, porsus siglas en inglés), este programa permite cal-cular las propiedades necesarias para que elcemento mantenga la integridad, y contribuye adetectar los riesgos de fisuramiento por esfuerzode tensión, ruptura por esfuerzo de compresión ola formación de un micro espacio anular.

Aislamiento entre las formaciones agotadas y las formaciones productivasEl aislamiento de formaciones con presiones muyvariables constituye un desafío, sin embargo,dicho aislamiento es imperativo. En los PaísesBajos, Nederlandse Aardolie Maatschappij B.V.(NAM, una operación de riesgos compartidosentre Shell y Exxon) se enfrentó ante la dificultadde tener que aislar la formación carbonatadaagotada Zechstein 2, de la productiva FormaciónLimburg. La estimulación por fracturamientohidráulico de la Formación Limburg presenta eldesafío adicional de tener que mantener la inte-gridad del cemento fraguado.

El Pozo Coevorden 57, localizado en un áreaterrestre del noreste de los Países Bajos, se des-vía hasta 64 grados respecto de la vertical en sutrayectoria hacia una profundidad medida de3998 m [13,177 pies] en la arenisca Limburg(abajo a la izquierda). Los elementos críticos para

26 Oilfield Review

PAÍSES BAJOS

M a r d e l N o r t e

FRANCIA

BÉLGICA

ALEMANIA

Coevorden

0

0 240 km16080

100 150 millas50

Tubería de revestimientocorta de 41⁄2 pulgadas

Profundidad, m Superficie

GrupoMar del Norte

Grupo Creta

Tubería derevestimiento de

133⁄8 pulgadas

Tubería de revestimientode 95⁄8 pulgadas

Tubería de revestimientocorta de 7 pulgadas

Zechstein

Rijnland

Altena

Keuper

Limburg

0

500

1000

3000

2500

2000

1500

> Ubicación del Pozo Coevorden 57, Países Bajos.El Pozo Coevorden 57 atraviesa las rocas carbo-natadas agotadas Zechstein y el yacimiento pro-ductivo Limburg, tal como se muestra en la sec-ción transversal. El aislamiento permanente deestas formaciones entre sí en un pozo desviadoy fracturado hidráulicamente implica un grandesafío.

Amplitud

Densidad Variable Imagen del mapa de cemento

mVµs

Min Max

200 1200

Amplitud mínima en el mapa

mV0 100

Amplitud

Rayos gammaCCL

discriminadoV3 -1 API0 150

Amplitud CBT

mV0 100

Orientación relativa

grados0 360

Amplitud máxima en el mapa

mV0 1000

Tiempo de tránsito CBT 3—pies

µs100 600

Amplitud promedio en el mapa

mV0 100

Tiempo de tránsitomínimo en el mapa

µs100 600

Amplitud CBT

mV0 10

Tiempo de tránsitomáximo en el mapa

µs100 600

1.25

2.50

3.75

5.00

6.25

7.50

8.75

10.0

011

.25

12.5

013

.75

15.0

016

.25

17.5

018

.75

20.0

0

> Evaluación de una cementación FlexSTONE en los Países Bajos. El registroSCMT muestra excelentes resultados, con amplitudes en el mapa (guioneslargos en el Carril 3) que oscilan entre 3 y 10 mV, lo cual indica una excelenteadherencia entre el cemento y la tubería de revestimiento. El despliegue delregistro de Densidad Variable (Carril 4) muestra fuertes arribos de la forma-ción, lo cual demuestra buena adherencia entre la formación y el cemento.


la cementación exitosa de la tubería de revesti-miento de 41⁄2 pulgadas fueron la eliminacióncompleta del lodo y un sistema de cementaciónque toleraría el aumento de presión durante unaoperación de fracturamiento hidráulico, mante-niendo al mismo tiempo el aislamiento a largoplazo de las formaciones con presiones de yaci-miento diferentes.

Se colocaron los centralizadores de la tuberíade revestimiento de manera tal que había trescentralizadores cada dos uniones de la tubería derevestimiento entre 3386 y 3923 m [11,109 y12,871 pies] y dos centralizadores por unión de latubería de revestimiento entre 3924 y 3998 m[12,874 y 13,117 pies]. La colocación de estoscentralizadores garantizaba la cobertura de latubería de revestimiento por parte del cemento,incluso en las secciones muy desviadas, donde latubería de revestimiento tiende a descansar en ellado bajo del pozo. El cemento se extenderíadesde la profundidad final hasta 150 m [492 pies]por encima del tope del colgador de la tubería derevestimiento, ubicado a una profundidad de3372 m [11,063 pies].

Los ingenieros especialistas en cementaciónutilizaron el simulador WELLCLEAN II y la aplica-ción CemCADE para optimizar el diseño del tra-bajo (derecha). Al comienzo de la operación, seinyectaron 3.18 m3 [20 bbl] de agua dulce paracomenzar a limpiar el pozo. El fluido espaciadorMUDPUSH seguiría al lodo para reforzar la lim-pieza del pozo y evitar que el fluido de perfora-ción contaminara la lechada de cementación.Este tren de desplazamiento sería seguido delechada FlexSTONE de 1.63 g/cm3 [13.6 lbm/gal]de densidad; la primera aplicación de la tecnolo-gía FlexSTONE en Europa. Se utilizó el dispositivoSCMT para evaluar la adherencia del cementoluego del trabajo de cementación y los registrosconfirmaron la excelente adherencia existenteentre la tubería de revestimiento y el cemento, yentre la formación y el cemento (página anterior,abajo a la derecha). El dispositivo SCMT es unaherramienta de adquisición de registros para eva-luar la cementación. La herramienta posee sen-sores múltiples y genera una imagen cartográficadel cemento de 360°.

1 2

3 4

5 6

> Simulación de la secuencia de bombeo de fluido para el Pozo Coevorden 57. Las corridas del simu-lador WELLCLEAN II ayudaron a optimizar la selección de fluidos y el esquema de bombeo para elPozo Coevorden 57. En todas las imágenes, cada par de ilustraciones del simulador muestra la efica-cia de la eliminación del lodo (derecha) y predice la distribución del cemento (izquierda). En todas lasilustraciones de las concentraciones de fluidos, el color marrón representa el fluido de perforación, el azul corresponde al lavado químico, el verde es el espaciador MUDPUSH y el gris representa la lechada FlexSTONE. En la última ilustración (6), el simulador predice que se habrán eliminado todoslos demás fluidos de perforación y que la lechada FlexSTONE cubrirá totalmente la pared del pozo;resultados que fueron confirmados por los registros del pozo.

Cementación de pozos de inyección de vapor de aguaEn el noreste de Alberta, Canadá, EnCanaCorporation está construyendo la primera fase desu Proyecto Térmico del Lago Cristina (derecha).Se espera que este emprendimiento produzca másde 11,123 m3/día [70,000 barriles por día] de bitu-men de las areniscas petrolíferas Athabasca de laFormación McMurray del Cretácico, utilizando dre-naje gravitacional asistido con vapor de agua(SAGD, por sus siglas en inglés). La primera fasedel proyecto permitirá que la compañía evalúe elrendimiento de la tecnología SAGD y las barrerasde flujo dentro del yacimiento. Esta informaciónayudará a la compañía a optimizar los diseños depozos, su emplazamiento y la recuperación de flui-dos en las siguientes fases del proyecto.17

La tecnología SAGD es una tecnología emer-gente, simple en concepto pero compleja encuanto a su aplicación (véase “Yacimientos depetróleo pesado,” página 32). Los pozos donde seaplica la tecnología SAGD se perforan en pares.Los pozos son paralelos entre sí, con una separa-ción que oscila entre 20 y 200 m [66 y 656 pies]entre las secciones horizontales del pozo (abajo ala derecha). El pozo horizontal superior se utilizapara inyectar vapor. El calor proveniente del vaporinyectado permite que el crudo espeso fluya máslibremente con asistencia de la fuerza de grave-dad, hacia el pozo productor inferior.

28 Oilfield Review

17. Para obtener mayor información sobre el ProyectoTérmico del Lago Cristina, consulte: Suggett J, Gittins S yYoun S.: “Christina Lake Termal Project,” artículo de lasSPE/Petroleum Society of CIM 65520, presentado en laConferencia Internacional sobre Tecnología de PozosHorizontales de las SPE/Petroleum Society of CIM 2000,Calgary, Alberta, Canadá, 6 al 8 de noviembre de 2000.

18. Para obtener mayor información sobre simulacionesSAM, consulte: Stiles D y Hollies D: “Implementation ofAdvanced Cementing Techniques to Improve Long TermZonal Isolation in Steam Assisted Gravity DrainageWells,” artículo de las SPE/Petroleum Society ofCIM/CHOA 78950, presentado en el SimposioInternacional de Operaciones Térmicas y de PetróleoPesado, y en la Conferencia Internacional de Tecnologíade Pozos Horizontales SPE 2002, Calgary, Alberta,Canadá, 4 al 7 de noviembre de 2002.

19. Los sistemas GASBLOK controlan la migración de gas enel espacio anular durante la cementación. Estos siste-mas incluyen un líquido no retardador que provee pro-piedades de control de pérdida de fluido y control demigración de gas para lechadas de cemento a tempera-turas que oscilan entre 27 y 71°C [80 y 160°F], en unamplio intervalo de densidades (de hasta 1258 kg/m3

[10.5 lbm/gal]). El aditivo GASBLOK es una suspensión demicrogeles poliméricos que actúan como reductores depérdida de fluido, taponando rápidamente las gargantasde poros del revoque de filtración de cemento. Losmicrogeles en el agua intersticial de la matriz de cemen-tación reducen la permeabilidad de esta última y dismi-nuyen la continuidad entre los poros durante la fasecrítica de transición de líquido a sólido, limitando aúnmás la migración de gas.

20. Si bien los CSLs brindan soporte en términos de cemen-tación y estimulación, este artículo se refiere a su rol enlas operaciones de cementación.

C A N A D Á

ALBERTALagoCristina

0

0 400 800 1200 1600 km

200 400 600 800 1000 millas

> Ubicación del Proyecto Térmico del Lago Cristina, Alberta, Canadá.

Tope de la lechada inicial en la superficie

Tubería de revestimiento desuperficie de 133⁄8 pulgadashasta +/- 175 m de profundidadvertical verdadera

Tubería de revestimiento intermediade 95⁄8 pulgadas hasta +/- 590 m de profundidad vertical verdaderaPunto de

iniciaciónde la desviación a +/- 200 m

Tope de la lechadade cola flexible a +/- 250 m de profundidad medida Tubería de revestimiento ranurada de

7 pulgadas, +/- 750 m de sección horizontal

> Par de pozos típicos para aplicación de la tecnología SAGD. El cementoconvencional protege a la tubería de revestimiento de superficie de 133⁄8pulgadas, que se asienta a 175 m [574 pies] de profundidad. El tramo inter-medio, donde el ángulo del pozo aumenta pasando de vertical a horizontal,se extiende hasta los 590 m [1936 pies] e implica desafíos en términos deeliminación del lodo y cementación. La tubería de revestimiento de 95⁄8 pul-gadas se cementa con lechada inicial LiteCRETE que provee baja densidady alta resistencia a la compresión. Una lechada de cola FlexSTONE brindaflexibilidad en gran parte del tramo de agujero descubierto y mantiene elaislamiento zonal en la zapata de la tubería de revestimiento de 95⁄8 pulga-das. Los sistemas FlexSTONE bombeados en el proyecto del Lago Cristina,se mezclaron en la localización del pozo; primer lugar del mundo enhacerse esto. Debajo de la zapata de la tubería de revestimiento de 95⁄8 pul-gadas, la sección horizontal de 83⁄4 pulgadas se extiende a lo largo de 750 m[2461 pies] del yacimiento, que tiene entre 20 y 58 m [entre 66 y 190 pies] deespesor. Luego, los pozos se terminaron con tubería de revestimiento ranu-rada sin cementar, para el control de la producción de arena.


Para el éxito de la tecnología SAGD, es crucialuna cementación primaria libre de defectos. Laentrada de gas en el espacio anular mientras fra-gua el cemento, puede producir la canalizacióndel vapor. Los pozos en los que se aplica la tec-nología SAGD normalmente experimentan expan-sión térmica y contracción, lo cual puede producirla rotura del cemento. En este caso, el operadordebe optar entre realizar costosos trabajos deremediación con resultados impredecibles oabandonar el pozo. EnCana procuró mejorar lacalidad de la cementación primaria de modo queno se produjera canalización del vapor ni roturadel cemento.

Los ingenieros utilizaron el programa de com-putación SAM para evaluar las posibilidades derotura del cemento como consecuencia de lacompresión, la tensión o la formación de un microespacio anular, y diseñar la mejor lechada posiblepara los pozos del proyecto del Lago Cristina enlos que se utilizó la tecnología SAGD. Las simula-ciones del Modelo de Análisis de Esfuerzos indi-caban que el cemento Pórtland Clase G,térmicamente estabilizado, sufriría rotura portracción al ser expuesto a temperaturas de entre14 y 260°C [57 y 500°F]; valores anticipados paralos pozos con tecnología SAGD.18 Otra simulaciónSAM, que incorpora la misma temperatura, pre-sión, tiempo y otras condiciones utilizadas en lasimulación anterior, demostró que un sistema decementación flexible no experimentaría roturapor tracción.

En el área del Lago Cristina, se cementarontres pares de pozos utilizando una combinaciónde lechada inicial LiteCRETE y lechada de colaFlexSTONE. EnCana seleccionó los sistemasFlexSTONE debido a sus mejores propiedadesmecánicas, particularmente su capacidad parasuperar la expansión térmica de la tubería derevestimiento y del cemento fraguado. Para con-trarrestar los problemas de migración de gassomero, típicos del oeste de Canadá, los siste-mas LiteCRETE y FlexSTONE incorporaron la tec-nología GASBLOK.19 La lechada inicial LiteCRETEse coloca normalmente desde los 250 m [820pies] hasta la superficie. El sistema de colaFlexSTONE se bombea entre los 590 m [1936pies] y los 250 m aproximadamente.

Los registros de evaluación de la cementaciónde los seis pozos construidos para utilizar tecno-logía SAGD indicaron una buena adherencia enlas zonas consideradas críticas para el aisla-miento del yacimiento. Durante las operacionesde reparación de uno de los pozos, se extrajo latubería de revestimiento ranurada y se corrieronel generador de Imágenes Ultrasónicas USI y laherramienta de evaluación de Adherencia delCemento CBT para evaluar la calidad de aislación

del cemento luego de la exposición al vapor(arriba). El registro no indica deterioro de la cali-dad del cemento y muestra fuerte adherenciaentre el cemento y la formación, y entre elcemento y la tubería de revestimiento. No hayindicación alguna de migración de gas o de flujoshacia la superficie debido a ventilaciones de latubería de revestimiento.

El rol de los laboratorios de soporte alcliente en la cementación de pozosLa implementación exitosa de la nueva tecnologíade cementación depende mucho de una red inter-nacional de especialistas en cementación.Schlumberger opera Laboratorios de Soporte alCliente (CSLs, por sus siglas en inglés) enHouston, Texas, EUA; Aberdeen, Escocia; y KualaLumpur, Malasia.20 Los CLSs forman un enlaceesencial entre el desarrollo de productos y lasoperaciones de campo al sustentar la introducciónde nueva tecnología, asistiendo en la capacitacióndel personal de campo y proporcionando retroali-mentación durante el desarrollo de productos.

Toda vez que es posible, los CSLs emprendenproyectos a corto plazo de manera que los cen-tros de productos se puedan concentrar en acti-vidades de más largo plazo. El personal de losCSLs trabaja con las organizaciones de losGeoMarket de Schlumberger para apoyar los pro-cesos de llamado a licitación o de presentaciónde propuestas para las compañías de E&P y a finde aprovechar las oportunidades de desarrollo deproductos en un entorno de colaboración mutua.Todo esto se traduce en productos y servicios demejor calidad, además de innovaciones efectua-das con fines específicos.

Los proyectos típicos de los CSLs incluyendesarrollos de bajo costo, sin embargo, ciertosproyectos han sido establecidos para apoyaralianzas. Los clientes a menudo ponen en marchaproyectos de corto plazo para satisfacer sus requi-sitos técnicos o ambientales específicos. Muchosde esos proyectos implican la colaboración conproveedores de productos regionales para que losproductos de disponibilidad inmediata se ajustena los requisitos específicos del operador.

Micro espacioanular degas o seco

Índice deadherencia

discriminado Curva del registro sónicode densidad variable

Amplitud

01Mrayl 100mm 12292

mm 92122

mm

Excentricidadde la

herramienta

Radio internopromedio

mm 92122

Radio internomáximo

mm 92122

Radio externopromedio

mm 92122

Radio internomínimo

mm 12292

Radio internopromedio

mm 12292

Radio internomáximo

mm 12292

Radio internomínimo

Radio externopromedio

Amplitud deleco menos elvalor máximo

Promedio deimpedancia

acústica

dB/m 500

mm 133

dB/m 500

Atenuacióndiscriminada

Mapa delcemento con

clasificación deimpedancia

-01 µs 1200200

MaxMin

-500.0 -1000.0-500.00.32.63.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0

0.5-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0-2.4-2.8

-4.8-5.2-5.6-6.0

-3.2-3.6-4.0-4.4

API

Rayos gamma

1000

mm

Localizador decoples de tubería de

revestimiento

Señales delprocesamiento

101

0.50001.50002.50003.50006.5000

dB/m 500

Seudo atenuacióncercana

Seudo atenuacióncorta

Promediode espesor

Líquido

Adherido


> Evaluación de la cementación en un pozo para inyección de vapor. Se corrieron el generador deImágenes Ultrasónicas USI y la herramienta de evaluación de Adherencia del Cemento CBT para eva-luar la calidad del cemento luego de la exposición al vapor. El registro no indica deterioro de la cali-dad del cemento y muestra fuerte adherencia entre la formación y el cemento, y entre el cemento y latubería de revestimiento.

En relación con el soporte de las operacionesde campo, todos los CSLs están equipados paraseguir los procedimientos estándar establecidospor el Instituto Americano del Petróleo (API, porsus siglas en inglés) para la realización de estu-dios intensivos de formulación de productos.Estos procedimientos incluyen aseguramiento dela calidad y control de calidad del cemento, prue-bas de compatibilidad de fluido y medicionestales como tiempo de espesamiento, resistenciaa la compresión, pérdida de fluido y agua libre,bajo las condiciones de presión y temperaturaobservadas en el subsuelo (arriba a la izquierda).Existen equipos para simular virtualmente todaslas condiciones de cementación del pozo que per-miten aplicar altas temperaturas y altas presio-nes a las lechadas de cemento. La evaluación delcomportamiento de la lechada bajo condicionesdinámicas de pozo asegura que la lechada per-manezca fluida hasta su adecuado emplaza-miento en el pozo (arriba a la derecha).

La transferencia de tecnología es una funciónclave para los CSLs, porque la diseminación delas lecciones que se aprenden también ayuda a lared mundial de aproximadamente 100 laborato-rios de área y de distrito a mejorar sus operacio-nes. Si bien muchos de los cursos ofrecidos porlos CSLs están destinados a los ingenieros deSchlumberger, ciertos seminarios se ofrecen aclientes. Los CSLs también evalúan equipos y téc-nicas novedosas antes de desplegarse a nivellocal. Por ejemplo, el CSL de Houston participa enel diseño de todos los sistemas FlexSTONE bom-beados en América del Norte y América del Sur.

El CSL de Houston ofrece capacitación téc-nica, implementación de nueva tecnología ysoporte de cementación para operaciones decampo internacionales y para clientes en Américadel Norte y América del Sur. Este laboratorio cum-plimenta los proyectos de ingeniería a cortoplazo, a solicitud del cliente, y desarrolla solucio-nes específicas para problemas locales. Reciente-

mente, expertos en cementación del CSL deHouston y del Centro de Productos Riboud deSchlumberger, ubicado en Clamart, Francia,desarrollaron el sistema de aditivos de cementa-ción líquidos de aguas profundas, DeepCEM, deaplicación mundial. Esta tecnología, que incluyeun dispersante no retardador y un mejorador defraguado de cemento, ha demostrado ser unasolución óptima para la cementación de sartassomeras en aguas profundas. Ha sido implemen-tada con éxito en los mercados de aguas profun-das de todo el mundo. El CSL ofrece un cursobásico de laboratorio—un módulo avanzado deservicios para cementación—introducción denuevas tecnologías en cursos de capacitaciónofrecidos en el Centro de Capacitación deKellyville, Oklahoma, EUA y capacitación para noespecialistas. Debido a su ubicación, disponibili-dad de equipos y proximidad a los proveedoresde productos de campos petroleros, el CSL deHouston desempeña un rol vital en relación conel soporte de operaciones internacionales paralas compañías con base en Houston.

El CSL de Houston también cuenta con equi-pos de laboratorio especializados para el diseñoy la evaluación del comportamiento de lechadasde cemento para un amplio rango de temperatu-ras y presiones; entre 2 y 316°C [35 y 600°F] yhasta 276 MPa [40,000 lpc]. Recientemente, elCSL de Houston adquirió un analizador ultrasó-nico de cemento de dos elementos (próximapágina a la izquierda). Otras adquisiciones deequipos incluyen el analizador de migración defluidos y el reómetro de alta presión y alta tem-peratura (HPHT, por sus siglas en inglés) (próximapágina a la derecha). El reómetro HPHT ayuda aevaluar el comportamiento del fluido frente a unaamplia gama de condiciones de pozo, para ase-gurar la eliminación óptima del lodo en condicio-nes extremas.

El CSL de Kuala Lumpur, que brinda soportede operaciones en una región que se extiendepor el este de África, Medio Oriente y Asia, cubreel territorio más extenso de los tres CSLs. Entrelos proyectos típicos del laboratorio de KualaLumpur se encuentran las pruebas de fluidos decementación a temperaturas altas y bajas, prue-bas de compatibilidad y mezcla de fluidos; todasen conformidad con las especificaciones del API.Entre los proyectos recientes se encuentran losdiseños de sistemas FlexSTONE para MedioOriente, los sistemas LiteCRETE de alta presiónpara China, la cementación de pozos geotérmicosy un sistema DeepCRETE de cementación salina,de baja densidad, para aguas profundas utilizadoen la India, cuya densidad es de 1198 kg/m3 [10lbm/gal]. Debido a que el CSL de Kuala Lumpur

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> Predicción del comportamiento del cemento. Elconsistómetro que se muestra en esta foto tieneun amplio rango de presión y temperatura de operación; de hasta 150 MPa [22,000 lpc] y 204°C[400°F]. Este equipo, que se encuentra ubicado enel CSL de Houston, puede fijarse a un enfriadorque permite provocar un enfriamiento controlado.Otros consistómetros de estas instalaciones pue-den alcanzar temperaturas y presiones más altas.Los CSLs de Aberdeen y Kuala Lumpur tambiéntienen consistómetros.

> Análisis de la migración de fluidos. La migra-ción de líquidos o gases a través de las lechadasde cemento hidratantes, constituye una de lascausas principales de fallas de terminación depozos. El analizador de migración de fluidos quese muestra en esta foto ofrece adquisición y análisis de datos de última generación y permitecorrer la celda de prueba con cualquier ángulopara simular la desviación del pozo. Este disposi-tivo, que se encuentra ubicado en el CSL deHouston, mide la pérdida de fluido a través de fil-tros (cedazos) estándar o en muestras de núcleosde rocas. El análisis y despliegue de los datos semejoran gracias a la captación de más de docecanales de datos, incluyendo presiones absolutasy diferenciales, flujo de gas y líquido y temperatura.


soporta más de 23 laboratorios de campo queatienden a 35 países, la capacitación de ingenie-ros y técnicos de laboratorio constituye una acti-vidad muy significativa.

El CSL de Aberdeen ofrece soporte al clientey pruebas similares a las ofrecidas por las insta-laciones de Houston y Kuala Lumpur, y participaintensamente en actividades de capacitación. Lainstalación de Aberdeen ofrece soporte a Europa,los países de la ex-Unión Soviética (CIS) y ÁfricaOccidental. Su trabajo en el Mar del Norte plan-tea numerosos desafíos y oportunidades dealcanzar soluciones que no dañen el medioambiente, en el entorno donde se aplican las nor-mativas ambientales más exigentes del mundo.En Noruega, por ejemplo, todos los productosquímicos utilizados en los campos petrolerosdeben ser biodegradables, por lo cual el CSL deAberdeen contribuyó a desarrollar agentesantiespuma, surfactantes y retardadores biode-gradables. Respecto de otras áreas, este centroha apoyado la introducción de tecnologías decementación especializadas, tales como las tec-nologías FlexSTONE, LiteCRETE y DeepCRETE. Elcontrol de calidad de los aditivos de las lechadasde cemento, la novedosa optimización del rendi-miento de las mezclas y el desarrollo de aditivosde cemento nuevos y adaptados a las necesida-des específicas de los clientes locales, constitu-yen funciones clave del CSL de Aberdeen.

El CSL de Aberdeen también brinda capacita-ción para la utilización adecuada y la calibración delos equipos, así como para ejecutar los procedi-mientos de pruebas. Se ofrecen cursos básicos yavanzados varias veces por año, y también sebrinda capacitación personalizada cuando resultapertinente, especialmente para la introducción denueva tecnología. Por ejemplo, se puede ofrecercapacitación especializada a los ingenieros decampo cuando su distrito adquiere equipos nuevos.El CSL de Aberdeen también realiza auditoríasregulares de los procedimientos y resultados de laspruebas. Para estas auditorías, cada distrito lleva acabo pruebas específicas, que luego se controlanpara determinar la consistencia de los resultados.

Si bien los tres CSLs tienen distintas capaci-dades y enfoques levemente diferentes, compar-ten el objetivo de mejorar continuamente lacalidad del servicio, transferir y sustentar tecno-logía y capacitar al personal para atender mejor alos clientes. Los líderes de los CSLs se reúnendos veces al año con el grupo de desarrollo deproductos de cementación en el Centro deProductos Riboud de Schlumberger. Estas reunio-nes permiten que los profesionales especialistasen cementación de todo el mundo presenten losproyectos de campo en curso, analicen las nece-

sidades apremiantes, intercambien ideas acercade la implementación de nueva tecnología y pro-vean información para los proyectos de investi-gación y desarrollo, actuales y futuros.

Mejoramiento del aislamiento zonal desde el principioEn un futuro dominado por el desarrollo de cam-pos maduros o “marrones,” las compañías opera-doras necesitarán, como nunca antes, producirpetróleo y gas más eficazmente y con mayoresréditos económicos. Cada pozo juega un papelcrucial en este entorno comercial. Cada opera-ción, se trate de la perforación misma del pozo,la eliminación del lodo, la cementación, la esti-mulación o cualquier otra, desempeña un rolclave en el rendimiento del pozo: cada operacióndebe ser exitosa desde el principio para evitar losaltos costos de remediación.

Así como lo demuestran los ejemplos de esteartículo, la implementación sensata de nueva tec-nología permite solucionar problemas muy costo-sos o técnicamente difíciles de resolver contecnología más antigua. Los operadores se compro-meten a eliminar problemas tales como existenciade presión detrás de la tubería de revestimientosiempre que resulte posible; en muchos casos pres-tando más atención a la optimización de los siste-mas de eliminación del lodo y a la cementación enlas primeras etapas del diseño de pozos.

Schlumberger continúa promoviendo el desa-rrollo de tecnología para asegurar productos deeficiencia y competencia sin precedentes en lasoperaciones de campo. Con innovaciones quecomplementen los productos y servicios existen-tes, se dispondrá de abundantes tecnologías ultraeficientes para abordar los difíciles yacimientos decampos maduros de los próximos años. —GMG

> Evaluación del incremento de la resistencia delcemento. Este analizador de cemento ultrasóni-co de dos elementos permite la determinaciónno destructiva de la evolución de la resistenciadel cemento mientras se tratan las muestras bajocondiciones de temperatura y presión de fondo.El dispositivo mide el cambio de velocidad de lasseñales ultrasónicas transmitidas a través de lasmuestras de cemento a medida que éstas se en-durecen. Al aumentar la resistencia de la mues-tra de cemento, se reduce el tiempo de tránsitode la señal ultrasónica a través de la muestra.Luego se calcula la resistencia relativa del cemen-to utilizando algoritmos empíricos patentados.

> Medición de las propiedades reológicas. Estereómetro de alta presión y alta temperatura, que se encuentra ubicado en el CSL de Houston,ofrece gran capacidad de medición de la visco-sidad debido a los altos rangos del transductordel esfuerzo de torsión (esfuerzo de corte) y dela velocidad del motor (índice de cizalladura).Esto permite medir las propiedades reológicasde una variedad de fluidos diferentes con límitesde presión y temperatura de 138 MPa [20,000lpc] y 232°C [450°F]. En la cementación de pozos,es crucial conocer las propiedades reológicas encondiciones de presión y temperatura de fondode pozo, para colocar correctamente el cementosin poner en peligro la integridad del pozo.

Soluciones de largo plazo para el aislamiento zonal

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