UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 Manual Teórico-Práctico para el Conocimiento de los alumnos de la carrera de Ingeniería Petrolera sobre los Equipos, Cementos y Aditivos empleados en la Cementación de Pozos Petroleros. ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 MENSAJE DEL ING. JOSÉ FRANCISCO GOMEZ MARTÍNEZ. A toda la comunidad de la carrera de Ingeniería petrolera: El objetivo de este manual es facilitar a toda la comunidad de la carrera de ingeniería petrolera en especial a todos aquellos que estan cursando la materia de Ingeniería de Perforación de Pozos (y a la rama de Perforación de Pozos en general), el vocabulario necesario para “hablar” o comunicarnos dentro del laboratorio, los conocimientos básicos para la buena comprensión y retención de la nueva información que cada uno de los lectores estará aprendiendo a lo largo del semestre, durante el desarrollo de cada práctica con el empleo de este manual fuera o dentro del Campus de Ciudad Universitaria, así también el de la operación y manejo del equipo y materiales. Estoy seguro que esta manual te facilitará las herramientas básicas de lo que es el fascinante mundo de la CEMENTACIÓN DE POZOS y se verá reflejado en el desempeño de tus exámenes. Mi objetivo con este manual es: a) Invitarte un clavado al área de la perforación de pozos y sus vertientes si eres afín a otras. b) Capacitarte con los conocimientos básicos sobre algunas de las pruebas realizadas en campo con los cementos y demás materiales empleados en toda la industria. c) Hacerte responsable de la gama de conocimientos que deseas adquirir o en su caso el de ampliarlos y del impacto que estos tendrán no solo en tu vida profesional sino en el MEDIO AMBIENTE y su ENTORNO SOCIAL. ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 d) Que este manual complemente tus conocimientos adquiridos en su parte correspondiente de laboratorio y también muy importante la parte que son…. tus clases de teoría!. e) No subestimes a las personas que estan paradas al frente del pizarrón con sus conocimientos, LA INDIFERENCIA ES UNA VENDA QUE DEBE DE QUITARSE Y ERRADICAR para valorar lo que se te esta brindado con un esfuerzo muy grande por detrás. f) No olvides esto: CUIDA ESTA CASA, tu casa llamada LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS. NO ENCONTRARAS OTRO LABORATORIO IGUAL EN OTRA INSTITUCIÓN, CUIDA SUS PLANCHAS DE TRABAJO, SUS EQUIPOS ESPECIALES Y DE MARCAS QUE SON IDENTICOS A LOS DE CAMPO, SU INFRAESTRUCTURA E INMOBILIARIO, ES UNA JOYA ÉSTA TU SEGUNDA CASA. Te confieso algo compañero y amigo universitario (docente, alumno, lector, profesional, maestro, doctor), de la UNAM, del Instituto Politécnico Nacional, de cualquier otra Institución, de otra facultad, de otra carrera con interés a esta, cuando tomé protesta en mi examen profesional y leí con mis propias palabras el peso que estaba adquiriendo en ese momento y para toda la vida profesional, me sentí con la obligación de ampliar mis conocimientos y plasmarlos en algún documento. Hoy tienes la oportunidad de este manual, no lo desaproveches, pregunta, acércate al laboratorio estamos para servirte, ahonda, profundiza tus conocimientos, porque al igual que tú, yo también estuve sentado estudiando en este mismo laboratorio y se ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 lo difícil que es muchas veces asentar los conocimientos y plasmarlos en un examen. Esto es solo una pequeña rebanada de ese fabuloso pastel que fui aprendiéndolo a elaborar yo solo, a conocer la receta, a cocinarlo, te confieso que quisiera compartirte más rebanadas que tengo pues estas tienen otro delicioso sabor. Gracias por descargar este manual. Concluyo las sugerencias antes mencionadas compartiéndote una frase que la hice mía desde muy pequeño (a la edad de 8 años) y que he querido que me acompañe toda la vida: Lo que no haga hoy…difícilmente lo haré mañana!!! YO PUEDO, YO SIEMPRE PUEDO, YO SIEMPRE PODRÉ HACERLO!!!... porque las condiciones van a cambiar y no tendré todo aquello que no alcance a verlo EN ESTE MOMENTO o que se fue perdiendo o desgastando en el camino y ya no es lo mismo ahora. Esta declaración me ha servido muchísimo y la aplico a cualquier caso de mi vida. SALUDOS CORDIALES. ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 PRÁCTICAS REALIZADAS EN LA MATERIA LABORATORIO DE INGENIERÍA DE PERFORACIÓN DE POZOS. 1. PREPARACION DE UNA LECHADA DE CEMENTO. 2. DENSIDAD DE UNA LECHADA DE CEMENTO. 3. ESTABILIDAD EN UNA LECHADA DE CEMENTO. 4. EFECTO DE AGUA LIBRE EN UNA LECHADA DE CEMENTO. 5. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE AGUA NORMAL Y MÍNIMA EN UNA LECHADA DE CEMENTO. 6. COMPORTAMIENTO REOLOGICO DE UNA LECHADA DE CEMENTO. 7. PÉRDIDA DE FLUIDO POR FILTRADO EN UNA LECHADA DE CEMENTO. 8. DETERMINACION DE LA RESISTENCIA AL ESFUERZO COMPRESIVO DE UNA LECHADA DE CEMENTO. 9. TIEMPO BOMBEABLE DE UNA LECHADA DE CEMENTO. ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 INTRODUCCION El objetivo de este trabajo es dar a conocer al lector y a toda la comunidad de la carrera de Ingeniería Petrolera un panorama general de la problemática que existe en la rama de Perforación de Pozos y puntualmente en la Cementación de Pozos, sobre el diseño de lechadas convencionales y/o lechadas de baja densidad, los equipos empleados en los laboratorios para la elaboración de los diseños de lechadas, algunas medidas básicas sobre la seguridad que debe de manejar el diseñador de lechadas a la hora de operar aditivos especiales y su impacto tanto en el medio ambiente como los riesgos a su salud por el manejo de estos: como problemas severos en los sistemas del cuerpo humano (sistema nervioso central, ojos, piel, riñón, sistema circulatorio, etc.) por el contacto, la ingesta o inhalación de estos materiales pulverizados o líquidos; así como la tecnología formulada y aplicada en el desarrollo de nuevos fluidos empleados solo en la parte de Cementación de Pozos. Así mismo describo la metodología para la comprensión de elaboración del diseño, balance de materia y elaboración de lechadas convencionales y/o de baja densidad (aligeradas) con el manejo de cualquier tipo de Cemento, empleadas hoy día en el Golfo de México, en pozos someros y alrededor del mundo, método que seguirá vigente por muchos años en muchas partes del mundo en la industria del Petróleo. Este trabajo comprende desde el desarrollo y valoración de las Lechadas Convencionales hasta la Tecnología en los equipos empleada en los laboratorios por HALLIBURTON y SCHLUMBERGER bajo un sistema riguroso de creación y empleo de esta tecnología en los Servicios a Pozo por parte de nuestra empresa PEMEX y el INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO. ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 Las cementaciones son operaciones que se realizan utilizando cemento con el fin de lograr cuatro objetivos específicos en los pozos petroleros: proteger y soportar la tubería de revestimiento, prevenir el movimiento de fluidos a través del espacio anular fuera de la tubería de revestimiento, detener el movimiento de fluidos dentro de formaciones vugulares o fracturadas y sellar un intervalo abandonado del pozo. La tecnología de cementación de pozos es una amalgama de varias disciplinas científicas y de ingeniería. Cada una de ellas es esencial para lograr una adecuada operación de cementación. La capacidad de un pozo petrolero para alcanzar su potencial de producción se ve influenciada de manera importante por el grado de aislamiento o sello, alcanzado durante la cementación. La calidad de la columna de cemento es el factor más importante del aislamiento zonal. Por consiguiente, la cementación tiene una importancia crítica para cualquier empresa petrolera. Es responsabilidad del ingeniero petrolero tanto en diseño como en operación, la selección de la mejor composición de la lechada de cemento y la mejor técnica de colocación para cada operación en particular, de modo que el cemento tenga un comportamiento adecuado durante su bombeo hacia la zona donde será colocado y exhiba características que le permitan cumplir de manera apropiada con las funciones requeridas para cada operación de cementación en particular; dentro de las mejores condiciones de seguridad para el personal involucrado, el medio ambiente y el equipo; buscando los menores costos para hacer más rentable al pozo. Cada trabajo, debe diseñarse de manera que la densidad y la longitud de cemento generen la presión de fondo de pozo suficiente para controlar el flujo de los fluidos de la formación hacia la superficie, y al mismo tiempo asegurar que no se fracture la misma. Así mismo, ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 deben hacerse las consideraciones necesarias con respecto a los fluidos contaminantes con los que el cemento tendrá contacto dentro del pozo. El cemento base utilizado en la industria petrolera para la elaboración del Cemento Clase H o Cemento petrolero (clasificación API) es el Cemento Portland, el cual consiste en una mezcla compleja de caliza, sílice, fierro y arcilla; molidos y calcinados, que al entrar en contacto con el agua forman un cuerpo que al fraguar desarrolla resistencia a la compresión, exhibe baja permeabilidad y es insoluble en agua. Es posible modificar el comportamiento de la lechada mediante el uso de aditivos. Sin embargo, es necesario realizar las pruebas de laboratorio para corroborar que el efecto positivo en una propiedad de la lechada no altere de manera inconveniente a otra. Existen varios factores que deben considerarse en el diseño de lechadas de cemento, su efecto es analizado en los laboratorios de compañías petroleras, de servicios y centros de investigación. Los datos obtenidos de estos análisis son una fuente de información indispensable para lograr el éxito en una cementación. Las pruebas que se realizan en el laboratorio al cemento y a los aditivos que se utilizan para cementar, constituyen una parte fundamental dentro del proceso integral de las cementaciones; éstas inician en las plantas de fabricación para monitorear la calidad del producto, y continúan durante el diseño de la lechada en los laboratorios de las compañías petroleras, de servicio y centros de investigación. La evaluación correcta de la lechada no es posible a menos que las pruebas sean efectuadas utilizando una muestra representativa de los componentes de la misma; por esta razón, los componentes de la lechada en las pruebas de laboratorio deben ser los mismos que se utilizarán para llevar a cabo la operación en campo. ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 Otro aspecto fundamental, dentro del desarrollo de las pruebas de laboratorio, es la confiabilidad de la información disponible correspondiente a la presión y a la temperatura de fondo de pozo a la que se realizará la cementación, con el fin de que en el laboratorio sean reproducidas de la mejor manera las condiciones a las que se verá sometida la lechada de cemento durante el trabajo de cementación. ANTECEDENTES Las pruebas que se realizan en el laboratorio tanto al cemento como a los materiales que se utilizan para cementar son una parte esencial del proceso integral de la cementación. Las pruebas inician en los lugares donde se fabrican el cemento y los aditivos para monitorear la calidad del producto; y continúan durante las etapas de diseño de la lechada en los laboratorios de las compañías de servicios cuando se desarrolla una formulación específica que posea las características necesarias para realizar la cementación en cuestión en las mejores condiciones de operación. La evaluación es frecuentemente realizada a muestras de planta en el momento en que la mezcla es preparada, o a muestras tomadas de los silos de almacenamiento cuando el material es llevado a un lugar operativamente estratégico. Muestras de mezcla tanto secas como de lechada, pueden obtenerse en el proceso de mezclado para una evaluación subsecuente, lo mismo en el laboratorio o en la localización del pozo usando un laboratorio móvil. Las pruebas de laboratorio realizadas a muestras de campo pueden usarse algunas veces como ayuda en investigaciones posteriores a la realización de la operación. En general, existen dos tipos de pruebas de laboratorio para el cemento y los materiales de cementación: evaluación del desempeño y caracterización química. El laboratorio típico de campo está relacionado primordialmente con la evaluación del desempeño de los cementos a través de la medición física de las propiedades específicas de la lechada simulando las condiciones de fondo de pozo. Este tipo de evaluación se usa ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE PERFORACIÓN Y TERMINACIÓN DE POZOS C-205 principalmente en las etapas de diseño de la lechada que va a utilizarse para efectuar la operación, y en las etapas de ejecución para monitorear la preparación adecuada de la mezcla en campo. La caracterización química normalmente incluye análisis cualitativos y cuantitativos de los componentes de la lechada antes de mezclarlos, para asegurar que sean adecuados para su uso. Se utilizan técnicas de análisis para propósitos de control de calidad en el lugar de manufactura, para determinar que los componentes que integran el cemento seco estén presentes en las cantidades deseadas, y que son suficientemente mezcladas en la planta. Tales técnicas se usan también para monitorear la calidad del agua de mezcla en la localización del pozo. La correcta aplicación de una amplia variedad de pruebas de laboratorio provee de información indispensable para alcanzar una cementación exitosa. A continuación se describen los TEST o pruebas Convencionales con lechadas de cemento y su elaboración sin aditivos recomendadas por el API (Instituto Americano del Petróleo), en su publicación correspondiente a las prácticas recomendadas para pruebas efectuadas a cementos utilizados en pozos petroleros que corresponden a las pruebas de control de calidad del cemento, así como los procedimientos operacionales diseñados para incluir todas las lechadas de cemento convencionales que son realizadas normalmente en los laboratorios instalados para tal fin en las zonas petroleras, centros de investigación y en este Laboratorio de la Máxima Casa de Estudios UNAM. Esta descripción contiene también especificaciones para lechadas elaboradas con cemento, aditivos y agua que son de gran importancia para el crecimiento y soporte de las bases de los egresados en la carrera de Ingeniería Petrolera. Los procedimientos están diseñados para simular las condiciones de fondo de pozo para desarrollar las pruebas en un laboratorio de campo razonablemente equipado, teniendo en cuenta las diferencias entre las condiciones reales de fondo de pozo y las limitaciones prácticas para simular tales condiciones en el laboratorio. ELABORÓ APROBÓ AUTORIZÓ Ing. José Francisco Gómez Martínez Cédula Profesional 9903569 CIRCUITO INTERIOR CALLE AV. UNIVERSIDAD 3000 MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. C.P. 04510 COLONIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MEXICO TEL. 56-22-08-50 Ext. 146 [email protected] CD. UNIVERSITARIA, DELEGACIÓN COYOACAN [email protected]