Metodología Integral para la Cementación de Pozos: Cálculos, Presiones y Operaciones Clave

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Cálculos Fundamentales en la Cementación de Pozos

Este documento detalla los procedimientos y cálculos esenciales para una cementación de pozos efectiva, cubriendo desde la determinación de volúmenes de lechada y presiones críticas hasta la secuencia operativa. Se abordan aspectos clave como la integridad de presión, el control de gas y la prevención del colapso de tuberías, optimizando la seguridad y eficiencia en las operaciones de perforación.

1. Determinación de Volúmenes de Lechada y Presiones Críticas

1.1. Volumen de Lechada para Amarre y Baja Densidad

Pregunta: ¿Cuál es el volumen de lechada de 1.90 gr/cc con 200 metros de lechada de amarre (a zapata) y el resto con lechada de baja densidad de 1.60 gr/cc, necesario para ocupar las longitudes del espacio anular (EA) y tubería de revestimiento (TR) requeridas para obtener una densidad de fractura de 1.35 gr/cc sin baches?

  1. Calcular la presión de fractura.
  2. Calcular la presión del cemento pesado.
  3. Determinar la presión del lodo en el interior (altura total - altura del cemento pesado).
  4. Calcular la presión diferencial (Paso 1 - Paso 2).
  5. Obtener el Delta P (Paso 4 - Paso 3).
  6. Calcular el Delta de densidad (densidad de la lechada de baja densidad - densidad del lodo).
  7. Determinar la altura de la lechada de baja densidad (10 * Paso 5 / Paso 6).

1.2. Volumen de Desplazamiento para Equilibrio de Columna

Pregunta: ¿Cuál es el volumen necesario de desplazamiento para tener en equilibrio la columna, incluyendo los baches, al bombear cemento?

  1. Calcular el volumen de lechada (interior + anular BNA-TR + anular TR-TR).
  2. Sumar las capacidades unitarias de los componentes (capacidad unitaria interior + capacidad unitaria del anular BNA-TR).
  3. Determinar la altura del cemento (Paso 1 / Paso 2).
  4. Calcular el volumen de los baches (capacidad unitaria * longitud del bache).
  5. Determinar la altura del bache en el anular BNA-TR (Paso 4 / capacidad unitaria del EA).
  6. Calcular la presión hidrostática (PH) de los baches (PH del bache limpiador + PH del bache separador).
  7. Calcular la PH interior (densidad del lodo * 0.10 * altura de los baches).
  8. Obtener el Delta P (Paso 7 - Paso 6).
  9. Calcular el Delta H (10 * Paso 8 / (densidad del cemento - densidad del lodo)).
  10. Determinar la profundidad de desplazamiento (profundidad total - Paso 3 - Paso 9).
  11. Calcular el volumen de desplazamiento en equilibrio (Paso 10 * capacidad unitaria interior).

1.3. Cima de Cemento y Presión Diferencial al Finalizar la Cementación

Pregunta: ¿Cuál es la cima del cemento cuando hay un Delta P de 'x' con un bache limpiador de 'x' y un bache separador de 'x' al terminar la cementación?

  1. Calcular el Delta P total: Delta P del bache limpiador (DPbl) + Delta P del bache separador (DPbs) + Delta P del cemento-lodo.
    • DPbl = 0.10 * (densidad del bache limpiador - densidad del lodo) * altura del bache limpiador.
    • DPbs = 0.10 * (densidad del bache separador - densidad del lodo) * altura del bache separador.
  2. Realizar las operaciones y dejar el Delta P del cemento-lodo como incógnita.
  3. Determinar la altura del cemento-lodo (Delta P del cemento (despeje anterior) / (0.10 * (densidad del cemento - densidad del lodo))).
  4. Calcular la longitud del lodo del bache (profundidad total - (Paso 3 + altura del cople)).
  5. Determinar la cima del cemento (última zapata - Paso 4).

Pregunta: ¿Cuál es la presión diferencial si el bache limpiador es de 'x' y el bache separador es de 'x', con 150 metros de longitud cada uno al terminar la cementación?

Procedimiento: Calcular la presión en el espacio anular (baches, lodo, cemento) y restar a la presión en el interior (lodo a la altura total).

1.4. Volumen de Desplazamiento y Tiempo de Atraso

Pregunta: ¿Cuál es el volumen de desplazamiento de la cementación (2 barriles de baches, 3 cajas de cemento), 4 emboladas y tiempo de atraso a 10 barriles por minuto?

  1. Calcular el volumen interior (altura total - altura del cople).
  2. Convertir el volumen a barriles (Paso 1 / 159).
  3. Calcular el tiempo de atraso (Paso 2 / 10 barriles/minuto).
  4. Calcular el volumen de la tubería de revestimiento (1 / (0.038 * Diámetro2 * Longitud * 0.95)).

1.5. Número de Sacos de Cemento por Lechada

Pregunta: ¿Cuál es el número de sacos en cada lechada a utilizar (para una lechada, si son dos lechadas, se calcula el volumen de la baja y se repite el proceso)?

  1. Calcular el volumen de lechada (interior, anular BNA-TR y anular TR-TR), posiblemente multiplicando por un exceso.
  2. Determinar el número de sacos (Paso 1 / volumen total de la tabla de rendimiento).

1.6. Densidad Equivalente y Nivel de Lodo con Diésel

Pregunta: ¿Cuál es la densidad equivalente si se llenaron 'x' metros con diésel y cuál es el nivel del lodo en el interior de la tubería de producción (TP)?

  1. Calcular la capacidad unitaria del espacio anular entre la tubería de revestimiento (TR) y la tubería de producción (TP).
  2. Determinar la altura del diésel (volumen de diésel / Paso 1).

Para la densidad equivalente:

  1. Calcular la presión hidrostática total (PHtotal): PH del lodo (0.10 * densidad del lodo * altura del lodo) + PH del diésel (0.10 * densidad del diésel (0.86) * altura del diésel).
  2. Calcular la densidad equivalente (PHtotal * 10 / altura total).

Para el nivel del lodo interior:

  1. Calcular la longitud del lodo interior (PHtotal * 10 / densidad del lodo).
  2. Determinar el nivel del lodo (longitud total - longitud del lodo interior).

1.7. Volumen de Desplazamiento de la TR en el Fondo

Pregunta: ¿Cuál es el volumen de desplazamiento de la tubería de revestimiento (TR) en el fondo si se empezó a flotar desde los 3000 metros?

  1. Calcular el volumen del lodo interior con el diámetro interior y exterior de la TR a 3000 metros.
  2. Calcular el volumen flotado del diámetro exterior de la TR (altura total - altura flotada).

1.8. Volumen de Lechada para una Delta P Específica

Pregunta: ¿Cuál es el volumen de lechada de 'x' con 200 metros de amarre (en zapata) y baja densidad de 'x' para producir un Delta P de 200 psi (variable) al terminar la cementación con baches de densidades 'x' y 'x' con 100 metros de altura en su posición final?

  1. Calcular el Delta P total: Delta P del bache limpiador (DPbl) + Delta P del bache separador (DPbs) + Delta P de la lechada de baja densidad (DPbbaja).

    Nota: El Delta P de la lechada de alta densidad (DPbalta) se considera si su densidad es diferente a la del lodo. La densidad del espacio anular (EA) va a la izquierda. Se realiza la diferencia de densidades y los psi se convierten a kg con signo negativo. En el DPbbaja, se deja solo la altura (H) como incógnita, se desarrolla y se despeja.

  2. Calcular los volúmenes de la lechada de baja densidad y de amarre (0.5067 * (diámetros al cuadrado * altura)), incluyendo los 25 metros del interior de la TR.

1.9. Cálculo de Agua para Lechada

Fórmula:

AGUA = (Peso Parcial - (Densidad de la Lechada * Volumen Parcial)) / (Densidad de la Lechada - 1)

2. Integridad de Presión (PI) y Control de Gas

2.1. PI en Presencia de Gas

  1. Calcular la presión de inyección (Pinyec): Gradiente de fractura (Gfract) + Factor de seguridad (0.012) * Altura de la zapata anterior (Hzapataant).
  2. Calcular la presión hidrostática del gas (Phgas): 0.27 * Altura de la zapata anterior / 10.
  3. Determinar la presión en cabeza (Pcabeza): Presión de inyección - Presión hidrostática del gas.
  4. Calcular la presión de respaldo (Prespaldo): 1.07 * Altura de la zapata anterior / 10.
  5. Obtener la presión resultante (Presultante): Presión de inyección - Presión de respaldo.
  6. Calcular la presión de diseño en cabeza (Pdiseño cabeza): Presión en cabeza * 1.1.
  7. Calcular la presión de diseño en fondo (Pdiseño fondo): Presión resultante * 1.1.

2.1.1. Gráfica de Presiones (PI Gas)

Representar gráficamente los siguientes puntos:

  • Presión de Inyección (Piny): Desde la presión en cabeza hasta la presión de inyección.
  • Presión de Respaldo (Prespaldo): Desde 0 hasta la presión de respaldo.
  • Presión Resultante (Presultante): Desde la presión en cabeza hasta la presión resultante.
  • Presión de Diseño (Pdiseño): Desde la presión de diseño en cabeza hasta la presión de diseño en fondo.

2.2. PI con Lodo Arriba y Gas Abajo

  1. Calcular la presión de inyección (Pinyec): Gradiente de fractura (Gfract) + 0.012 * Altura de la zapata anterior.
  2. Determinar la altura del gas (Hgas): (Presión de cierre de superficie (Pcsc) - Presión de inyección + (densidad del lodo siguiente * 0.10 * Altura de la zapata anterior)) / (0.10 * (densidad de la etapa siguiente - 0.27)).
  3. Calcular la altura del lodo (Hlodo): Altura total - Altura del gas.
    • PH del lodo: (densidad de la etapa siguiente * Altura del lodo * 0.10).
    • PH del gas: (Densidad del gas * Altura del gas * 0.10).
  4. Calcular la PH en el cambio de fases (PHCambio fases): Presión de inyección - (0.10 * densidad del gas * Altura del gas).
  5. Calcular la presión de respaldo en el cambio de fase (Presp cambio): (0.10 * 1.07 * Altura del cambio de fases).
  6. Calcular la presión de respaldo en fondo (Prespfondo): (0.10 * 1.07 * Altura de la zapata anterior).
  7. Calcular la presión resultante en fondo (Presult fondo): Presión de inyección - Presión de respaldo en fondo.
  8. Calcular la presión resultante en el cambio de fase (Presult cambio): PH en el cambio de fase - Presión de respaldo en el cambio de fase.
  9. Calcular la presión de diseño en fondo (Pdiseño fondo): Presión resultante en fondo * 1.1.
  10. Calcular la presión de diseño en el cambio de fase (Pdiscambio fase): Presión resultante en el cambio de fase * 1.1.

2.2.1. Gráfica de Presiones (Lodo/Gas)

Representar gráficamente los siguientes puntos:

  • Presión de Respaldo (Prespaldo): Desde 0 hasta el respaldo en el cambio de fase y hasta el respaldo en fondo.
  • Presión de Inyección (Piny): Desde la cabeza hasta la presión en el cambio de fase y hasta la presión de inyección.
  • Presión Resultante (Presult): Desde la presión en cabeza hasta la resultante en el cambio de fase y hasta la resultante en fondo.
  • Presión de Diseño (Pdiseño): Desde la presión en cabeza hasta el diseño en el cambio de fase y hasta el diseño en fondo.

3. Colapso de Tubería

  1. Calcular la presión de colapso (Pcolapso): (0.10 * densidad de la etapa anterior * Altura de la zapata anterior).
  2. Calcular el Delta P: (0.10 * (densidad de la etapa siguiente - densidad del agua) * zapata próxima).
  3. Determinar la longitud vacía (Hlong vacia): (10 * Delta P) / Densidad de la etapa siguiente.
  4. Calcular la presión de respaldo (Presp): (0.10 * Densidad de la etapa siguiente * (Altura de la zapata - Longitud vacía)).
  5. Calcular la presión resultante a nivel (Presult nivel): (0.10 * densidad anterior * Longitud vacía).
  6. Calcular la presión de respaldo en fondo (Presp fondo): Presión de colapso - Presión de respaldo.
  7. Calcular la presión de diseño a nivel (Pdiseño nivel): Presión resultante a nivel * 1.125.
  8. Calcular la presión de diseño en fondo (Pdiseño fondo): Presión resultante en fondo * 1.125.

3.1. Gráfica de Colapso

Representar gráficamente los siguientes puntos:

  • Presión de Colapso (Pcolapso): Desde 0 hasta la presión de colapso.
  • Presión de Diseño (Pdiseño): Desde 0 hasta el diseño en el cambio y hasta el final.
  • Presión Resultante (Presultante): Desde 0 hasta la resultante en el cambio y hasta el final.
  • Presión de Respaldo (Presp): Desde 0 en el cambio hasta el respaldo.

4. Tabla de Propiedades y Rendimiento de Cemento

Fórmulas clave para la preparación y rendimiento de las lechadas de cemento:

  • Peso: % * 50
  • Volumen Absoluto (Volabs): 1 / Gravedad Específica (GE)
  • Volumen Total (Vol total): Peso / Gravedad Específica (GE)
  • Suma de Volúmenes: Rendimiento * Sacos
  • Emboladas (Emb): Desplazamiento / Capacidad de la Bomba (Cap Bba)
  • Capacidad de la Bomba (Cap Bba): 0.0386 * Diámetro2 * Longitud * 0.95

5. Secuencia Operativa de Cementación

Pasos detallados para la ejecución de una operación de cementación:

  1. Circular emparejando columnas.
  2. Probar líneas de alta presión con 5000 psi.
  3. Bombear 37 barriles de bache lavador con una densidad de 1.08 gr/cc.
  4. Bombear 37 barriles de bache separador con una densidad de 1.86 gr/cc.
  5. Comprobar el equipo de flotación.
  6. Abrir la varilla contando las vueltas del tapón limpiador.
  7. Bombear 63.35 toneladas de cemento (355.5 barriles de lechada con densidad de 1.80 gr/cc).
  8. Bombear 65.6 toneladas de cemento (319.8 barriles de lechada con densidad de 1.90 gr/cc).
  9. Abrir la varilla del tapón desplazador.
  10. Desplazar con la bomba del equipo a 120 emboladas por minuto (6655 emboladas), un volumen de 1813 barriles con un tiempo aproximado de bombeo de 55 minutos, o bien con la unidad de alta presión en un tiempo de bombeo de 55 minutos.
  11. Bajar el bombeo a 4 barriles por minuto 50 barriles antes de terminar el desplazamiento.
  12. Terminar el desplazamiento y comprobar el equipo de flotación.
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