CEMENT-REBELS. Diseño de Cementación, Pozo CARAGUAJA-13

CEMENT-REBELS. POZ0 CARAGUAJA-13 ING. LUIS ANTONIO CASTRO SÁNCHEZ 2010192167

CEMENT-REBELS.

PROGRAMA DE CEMENTACIÓN

POZO CARAGUAJA-13

Etapa 1 (600ft)

Etapa 2 (8000ft)

Ingeniero a cargo: Luis Antonio Castro Sánchez 2010192167

Cliente: Petro-USCO.

Neiva/Huila

15-DIC-2013


INTRODUCCIÓN

En este documento se enseña el diseño de cementación en el pozo Caraguaja-13 para el

casing de superficie (600ft) y el casing de producción (8000ft). Se describen los detalles

del diseño de cementación, como el cálculo de volúmenes, cálculos de presiones

hidrostáticas de tal manera que no se sobrepase la presión de fractura de la formación y

de esta manera tener una cementación exitosa, etc. Como archivo adjunto se presenta el

programa realizado en Excel donde se enseñan los diferentes cálculos realizados para la

etapa de casing de superficie y de producción respectivamente.

OBJETIVOS

El objetivo de este trabajo es diseñar el proceso de cementación tanto de superficie como

de producción para el pozo Caraguaja-13

Dar una breve explicación del por qué se tomaron ciertas decisiones al momento de

escoger los diferentes parámetros necesarios en el diseño de la cementación.

Evaluar la cantidad de producto necesaria para desarrollar la tarea de cementación y dar

una aproximación de los respectivos costos.

ANTECEDENTES

El casing de superficie va hasta los 590 pies. La tubería es N-80 con un diámetro interno

de 8,835 pulgadas y un diámetro externo de 9,625 pulgadas.

Habría 10 pies de bolsillo, por lo que la profundidad medida del hueco sería 600 pies, con

una broca de 12,25 pulgadas.

El casing de producción va hasta los 7990 pies. La tubería es N-80 con un diámetro

interno de 6,184 pulgadas y un diámetro externo de 7 pulgadas.

Habría 10 pies de bolsillo, por lo que la profundidad medida del hueco sería 8000 pies,

con una broca de 8,5 pulgadas.

El gradiente de fractura de formación utilizado es de 0,75psi/ft

DESARROLLO DEL PROGRAMA

El programa se dividió en dos etapas en donde la primera etapa correspondería al casing

de superficie (600ft) y la segunda etapa al casing de producción (8000ft).

PRIMERA ETAPA

Se muestra un esquema para entender mejor la situación de esta etapa, en donde se

muestra la ubicación de cada uno de los fluidos cuando el cemento haya llegado al lugar

que hemos deseado y una vez que se haya tenido retorno de cemento en superficie.


CEMENTACIÓN-PRIMERA ETAPA

Como se había mencionado anteriormente la profundidad medida sería de 600ft y el

casing llegaría hasta 590ft, dejando 10ft de bolsillo.

En esta etapa se utilizó agua como fluido desplazante y se utilizó 10bbl de fluido

espaciador.

Se procede a calcular la presión de fractura a los 590ft, se calcula la máxima densidad de

trabajo permisible a dicha presión de fractura y se propone una presión máxima

recomendable que es con la que se trabajará y a partir de la cual tendremos como base

para el diseño de las lechadas de cemento; dicha presión calculada de la presión de

fractura tomando como factor de seguridad un 5%.

El cemento elegido para esta etapa es el Cemento Clase B, ideal para la profundiad de

600ft. A continuación se muestra la composición común de dicho cemento.

CEMENTO CLASE B

C3S 0,653

C2S 0,092

C3A 0,062

C4AF 0,116

C 0,0034

M 0,012

S 0,0274

N 0,001

K 0,0042

espaciador

590

600 ft

Formación

H2O

Cemento

442,5 Psi

14,42307692 ppg

420,375 psiMáx Presión recomendable

Presión de fractura a 590ft

Densidad máx (no fractura)


En primera instancia se pensó en realizar el trabajo de cementación con una única

lechada pero se optó por realizar dos lechadas (una principal y una de relleno), ya que

aunque la máxima densidad permisible no era tan baja, por términos de economía resulto

mejor utilizar una lechada de relleno de menor densidad en las zonas más someras que

no ameritaban una densidad de cemento mayor.

Las densidades tanto de la lechada de relleno como la principal se escogieron por ensayo

y error, procurando que la presión hidrostática no sobrepasara nunca la presión de

fractura.

Una vez obtenida la densidad deseada para cada lechada, se procede a calcular el

porcentaje de agua necesaria para cada una y a partir de los pesos se calcula el

rendimiento.

A continuación se presenta la composición de la lechada de relleno y se muestra el

rendimiento de la misma.

LECHADA DE RELLENO

PRODUCTO PORCENTAJE % ppg Peso % Vol (gal)

cemento B 17,4008851 26,06 110,2 4,228702993

Cl2Ca 2 16,32 2,204 0,13504902

Dispersante 0,2 13,16 0,2204 0,01674772

Agua 80,3991149 8,33 88,5998246 10,63623345

SUMA 100 --- 201,224225 15,01673318 Gal/sx

Rendimiento

A continuación se presenta la composición de la lechada principal y se muestra el


LECHADA PRINCIPAL


cemento B 30,47547829 26,06 110,2 4,228702993

Cl2Ca 2 16,32 2,204 0,13504902

Dispersante 0,2 13,16 0,2204 0,01674772

Antiespumante 0,2 8,33 0,2204 0,026458583

Agua 67,12452171 8,33 73,9712229 8,880098791

SUMA 100 --- 186,816023 13,28705711 Gal/sx

Rendimiento

Con tal de no exceder la presión de fractura se decide utilizar un cemento con una densidad de

14,06 ppg

13,4 ppg

Con tal de no exceder la presión de fractura se

decide utilizar un cemento con una densidad de


CÁLCULO DE VOLÚMENES

Para realizar el cálculo de volúmenes se dividió el pozo, según sus fluidos y sus

respectivas secciones como se muestra a continuación.

En donde el volumen 1 corresponde al volumen utilizado de fluido desplazante (agua), el

volumen 2 corresponde al volumen de espaciador (10bbl), el volumen 3 comprende el

volumen de cemento dentro de la tubería que corresponden a 40ft. El volumen 4 es el

volumen de cemento que equivale a los 10ft de bolsillo que se encuentra en el hueco de

12 ¼ in. El volumen 5 corresponde al volumen de cemento de la lechada principal en el

espacio anular desde 590ft hasta su respectivo tope. El volumen 6 es el volumen de

lechada de relleno hasta superficie.

A continuación se calcula las capacidades del casing y del espacio anular.

CÁLCULO DE VOLÚMENES Diámetro int 9,625 in Diámetro ext 8,835 in

Diámetro hueco 12,25 in Cap. Casing 0,07582789 bbl/ft

Cap. Anular 0,05578189 bbl/ft

Conociendo dichas capacidades calculamos los volúmenes y las alturas de cada uno de

los segmentos:

Vol H (ft) bbl

1 418,1223935 31,70533685

2 131,8776065 10

3 40 3,033115407

4 10 1,45776666

5 269,9009324 15,05558345

6 320,0990676 17,85573018

6 6

2

5 5

4

1

3


Las alturas de la lechada de relleno y principal se calcularon luego de igualar la presión

que se esperaría (la máx. presión recomendable), con la suma de las presiones

hidrostáticas con cada una de las lechadas.

Y conociendo que:

De este diseño de lechada se concluye que la lechada principal tendrá una

densidad de 14,06ppg y que irá hasta 320ft.

Que la lechada de relleno tendrá una densidad de 13,4 y que irá hasta superficie.

Se estable un porcentaje de exceso de 60% para la lechada principal y uno de 30% para

la lechada de relleno.

Se calcula la cantidad de sacos equivalente al volumen necesario de acuerdo al

rendimiento de cada lechada y se da una aproximación del valor en dólares de la cantidad

de cemento B necesaria para esta cementación tomando como referencia US$150/ton.

Lechada %Exceso Vtotal (bbl) Sacos Precio U$

Principal 60 24,08893352 76,1444163 571,0831223

Relleno 30 23,21244923 64,9224339 486,9182545

SUMA 47,30138275 141,06685 1058,001377

A continuación a partir de las densidades y las alturas de cada uno de los fluidos

respectivamente se calcula la presión hidrostática de cada uno y teniendo las presiones

hidrostaticás en fondo, de anular y tubería, se calcula la presión de cierre necesaria en

superficie para que no se devuelva el cemento por tubería.

FLUIDOS Densidad ppg P Hidrostatica psi Ph @ 590ft

Casing

Agua 8,33 181,113896

268,305716 Espaciador 8,45 57,94702028

L. Principal 14,06 29,2448

Anular L. Principal 14,06 197,3299697

420,375 L. Relleno 13,4 223,0450303

La presión de cierre equivaldría a la diferencia de presiones de casing y anular.

SIDPP 152,0692837 PSI


SEGUNDA ETAPA

Se muestra un esquema en donde se ilustra el estado del pozo una vez que el cemento

se ha ubicado en la altura que deseamos. En esta etapa también se optó por realizar el

esquema de cementación con dos lechadas (una lechada principal y una lechada de

relleno). Un objetivo de esta etapa de cementación es que la zona de interés que se

comprende entre (6000 a 6100)ft quede cementada con la lechada principal, para

asegurar la integridad de la cementación en esta zona.

590 Lodo

espaciador

Cemento

Formación

7990 ft

8000 ft

Como se había mencionado anteriormente la profundidad medida sería de 8000ft y el

casing llegaría hasta 7990ft, dejando 10ft de bolsillo.

En esta etapa no se utilizó agua como fluido desplazante debido a que si se utilizara este

fluido como desplazante generaría una presión hidrostática muy baja (en comparación a

la presión hidrostática del cemento) y la presión de cierre en superficie será

exageradamente alta, con presiones las cuales sería imposible trabajar en superficie. A

raíz de esto se decide utilizar lodo como fluido desplazante para generar una presión

hidrostática mayor y haciendo que la presión de cierre en superficie no sobrepase los

600psi.

Se utilizó 15bbl de fluido espaciador entre el lodo y la lechada principal de cemento

(ubicado dentro del casing) y 5bbl de fluido espaciador entre la lechada de relleno y el

fluido lavador.

Se procede a calcular la presión de fractura a los 7990ft, se calcula la máxima densidad

de trabajo permisible a dicha presión de fractura y se propone una presión máxima

recomendable que es con la que se trabajará y a partir de la cual tendremos como base

para el diseño de las lechadas de cemento; dicha presión calculada de la presión de

fractura tomando como factor de seguridad un 5%.

CEMENTACIÓN - SEGUNDA ETAPA


El cemento elegido para esta etapa es el Cemento Clase G, ideal para la profundidad de

8000ft. A continuación se muestra la composición común de dicho cemento

CEMENTO CLASE G

C3S 60

C2S 18

C3A 3

C4AF 10

C 0

M 0,7

S 2,34

N 0,1

K 0,42

Al igual que en la primera etapa las densidades tanto de la lechada de relleno como la

principal se escogieron por ensayo y error, procurando que la presión hidrostática no

sobrepasara nunca la presión de fractura.

Una vez obtenida la densidad deseada para cada lechada, se procede a calcular el

porcentaje de agua necesaria para cada una y a partir de los pesos se calcula el

rendimiento.

A continuación se presenta la composición de la lechada de relleno y se muestra el


LECHADA DE RELLENO


cemento G 15,37583328 26,7 110,2 4,12734082

Cl2Ca 2 16,32 2,204 0,13504902

Dispersante 0,2 13,16 0,2204 0,01674772

Agua 82,42416672 8,33 90,8314317 10,9041335

SUMA 100 --- 203,455832 15,183271 Gal/sx

Rendimiento


13,4 ppg

5992,5 Psi

14,4230769 ppg

5692,875 psi

Presión de fractura a 7990ft

Densidad máx (no fractura)

Máx Presión recomendable


A continuación se presenta la composición de la lechada principal y se muestra el


LECHADA PRINCIPAL


cemento G 35,83727695 26,7 110,2 4,12734082

Cl2Ca 2 16,32 2,204 0,13504902

Dispersante 0,2 13,16 0,2204 0,01674772

Antiespumante 0,2 8,33 0,2204 0,02645858

Agua 61,76272305 8,33 68,0625208 8,1707708

SUMA 100 --- 180,907321 12,476367 Gal/sx

Rendimiento


14,5 ppg


Para entender mejor la situación en el pozo y realizar el cálculo de volúmenes se dividió el

pozo, según sus fluidos y sus respectivas secciones como se muestra a continuación

igual que se hizo en la primera sección.

En donde el volumen 1 corresponde al volumen utilizado de fluido desplazante (lodo), el

volumen 2 corresponde al volumen de espaciador (15bbl), el volumen 3 comprende el

volumen de cemento dentro de la tubería que corresponden a 40ft. El volumen 4 es el

volumen de cemento que equivale a los 10ft de bolsillo que se encuentra en el hueco de 8

½ in. El volumen 5 corresponde al volumen de cemento de la lechada principal en el

espacio anular desde 7990ft hasta su respectivo tope. El volumen 6 es el volumen de

lechada de relleno hasta el zapato (590ft). El volumen 7 corresponde al volumen de la

lechada de relleno desde 590ft hasta su respectivo tope. El volumen 8 es el volumen de

espaciador (5bbl) y el volumen 9 es el volumen de espaciador que alcanza a quedar en el

anular.

1

2

4

9

8

55

9

6 6

7 7

8

3


A continuación se calcula las capacidades del casing y del espacio anular tanto en el

espacio (casing-.hueco abierto) como en el espacio (casing-casing).


ID Last casing 8,835 in

Diámetro int 6,184 in

Diámetro ext 7 in

Diámetro hueco 8,5 in

Cap. Casing 0,03714966 bbl/ft

Cap. Anular hueco 0,02258597 bbl/ft

Cap. Anular csg 0,02822734 bbl/ft

Conociendo dichas capacidades se calcula los volúmenes y las alturas de cada uno de los

segmentos:

Vol H (ft) bbl

1 7546,2278 280,3397661

2 403,77224 15

3 40 1,485986244

4 10 0,701865164

5 2031,1189 45,87479501

6 5368,8811 121,2614008

7 369,09242 10,41849771

8 177,13323 5

9 43,774353 1,235633585

En esta etapa los cálculos de las alturas para generar las presiones hidrostáticas se

ejecutaron de manera independiente tomando como secciones separadas la que se

comprende entre (0 y 590)ft y la que se comprende entre (590 y 7990)ft.

La altura de la lechada de relleno en la sección de (0 y 590)ft se calculó a partir de la

máxima presión recomendable para esta zona (calculada en la etapa-1) utilizando un

factor de seguridad de 20% por lo que las presiones hidrostáticas se igualarían así:

(

( ))

Sabiendo que:


Para la sección de (590 a 7990)ft el cálculo de las alturas se realizó de manera similar a

como se realizó en la etapa-1.

Sabiendo que:

De este diseño de lechada se concluye que la lechada principal tendrá una

densidad de 14,5ppg y que irá hasta 5960ft asegurando de esta manera la

integridad de la zona de interés (6000-6100)ft.

Que la lechada de relleno tendrá una densidad de 13,4 y que irá hasta superficie

370ft.

Se establece un porcentaje de exceso de 60% para la lechada principal y uno de 40%

para la lechada de relleno.

Se calcula la cantidad de sacos equivalente al volumen necesario de acuerdo al

rendimiento de cada lechada y se da una aproximación del valor en dólares de la cantidad

de cemento G necesaria para esta cementación tomando como referencia US$200/ton.

Lechada %Exceso Vtotal (bbl) Sacos Precio

US$

Principal 60 76,9002343 258,874226 2588,7423

Relleno 40 184,351858 509,954543 5099,5454

SUMA 261,252092 768,828769 7688,2877

A continuación a partir de las densidades y las alturas de cada uno de los fluidos

respectivamente se calcula la presión hidrostática de cada uno y teniendo las presiones

hidrostáticas en fondo, de anular y tubería, se calcula la presión de cierre necesaria en

superficie para que no se devuelva el cemento por tubería.

FLUIDOS

Densidad ppg

P Hidrostatica psi Ph @ 7990ft

Casing

Lodo 12,31 4830,491311

5038,068835 Espaciador 8,45 177,4175239

L. Principal 14,5 30,16

Anular

L. Principal 14,5 1531,463636

5626,5 L. Relleno 13,4 3998,219963

Espaciador 8,45 77,83233946

Lavador 8,34 18,98406123 La presión de cierre equivaldría a la diferencia de presiones de casing y anular.

SIDPP 588,431165 PSI


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Por la metodóloga utilizada para calcular los topes de cemento en este trabajo, si se

desea cambiar la densidad de las lechadas de cemento se debe comprobar que la

presión hidrostática ejercida por éstas no sobrepase la presión de fractura. Si esto

ocurriese se podría evidenciar porque la altura calculada de alguna de las dos lechadas

arrojaría un valor negativo.

Se debe procurar que la presión de cierre no sea demasiado alta porque con esta presión

se trabajará en superficie y si se tiene presiones muy altas es más difícil trabajar. Para

esto en la segunda etapa se escogió lodo como fluido desplazante de 12,31ppg.

Siempre que sea posible se puede hacer la cementación con dos lechadas (una principal

y una de relleno) para de esta manera ahorrar cemento y que si el gradiente de fractura

es muy bajo, podamos utilizar lechadas de cemento de densidad alta en las zonas de

interés, aliviando la presión en fondo con lechadas de relleno menos densas. Según las

aproximaciones hechas aquí se irían US$8750 en el valor de los sacos de cemento

necesarios.

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