pérdidas de circulación

Una red de seguridad para
controlar las pérdidas de circulación
Raafat Abbas
Haitham Jarouj
Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos (EAU)
Steve Dole
EnCana Corporation
Calgary, Alberta, Canadá
Effendhy
Hendri Junaidi
P.T. Caltex Pacific Indonesia
Duri, Indonesia
Hassan El-Hassan
Abu Dhabi Company for Onshore
Oil Operations
Abu Dhabi, EAU
Lee Francis
Cimarron Engineering, Inc.
Tulsa, Oklahoma, EAU
Lee Hornsby
Cabot Oil & Gas Corporation
Charleston, Virginia Oeste, EAU
Steve McCraith
Nigel Shuttleworth
Klaas van der Plas
Shell U.K. Exploration and Production
Aberdeen, Escocia
Eric Messier
Devon de Canadá
Calgary, Alberta
Las pérdidas extremas de circulación producidas durante las operaciones de cementación ponen en peligro al pozo. Para limitar el impacto potencial de la pérdida de
circulación, los ingenieros habitualmente reducen la densidad de la lechada, limitan
las caídas de presión por fricción durante el bombeo, o realizan operaciones de
cementación por etapas; sin embargo, estas prácticas no siempre funcionan. Las operaciones de cementación que utilizan fibras químicamente inertes, permiten mitigar
los problemas de pérdidas de circulación sin comprometer la eficiencia operativa ni
la calidad de la lechada o del cemento fraguado.
¿Cómo se atrapa a un ladrón? Cuando el “ladrón”
es una formación fracturada, una caverna o una
formación de alta permeabilidad, que roba el
fluido que circula en un pozo, su captura
demanda tecnología de vanguardia. Este tipo de
robo, conocido como pérdida de circulación,
constituye un problema común en los campos
petroleros. Las pérdidas de circulación cuestan
a la industria cientos de millones de dólares por
año en términos de producción perdida o demorada, así como en erogaciones necesarias para
abordar problemas de perforación, reparar trabajos de cementación primaria defectuosos y
reposicionar pozos con daños irreparables producidos por pérdidas de circulación.
Grados de pérdida de circulación
Tipo de pérdida
Severidad de la pérdida
Trevor Munk
Clamart, Francia
Filtración
Menos de 1.5 m3/h [10 bbl/h]
Pérdidas de
retorno parciales
Más de 10 bbl/h, pero con
cierto retorno de fluidos
Nils Nødland
Statoil
Stavanger, Noruega
Pérdida de
circulación total
No retorna ningún fluido
del espacio anular
R. Krister Svendsen
Emmanuel Therond
Bergen, Noruega
La pérdida de circulación es la reducción o
ausencia total de flujo de fluido por el espacio
anular comprendido entre la formación y la tubería de revestimiento, o entre la tubería de
revestimiento y la tubería de producción, cuando
se bombea fluido en sentido descendente por la
columna de perforación o la tubería de revestimiento. La pérdida de circulación de fluido
constituye un peligro conocido durante las operaciones de perforación y cementación efectuadas
en yacimientos de alta permeabilidad, en zonas
agotadas, y en formaciones débiles o naturalmente fracturadas, vugulares o cavernosas. La
circulación puede deteriorarse incluso cuando las
densidades de los fluidos se mantengan dentro de
> Clasificación de la severidad de las
pérdidas de circulación por volumen
de fluido perdido.
Salim Taoutaou
Aberdeen, Escocia
20
Oilfield Review
los márgenes de seguridad habituales; gradiente
menor que el gradiente de fracturamiento de la
formación. Detener las pérdidas de circulación
antes de que estén fuera de control es crucial
para el logro de operaciones seguras y rentables
desde el punto de vista económico.
Si bien los ingenieros definen a la pérdida de
circulación de distintas maneras, en general
puede ser clasificada como filtración cuando las
pérdidas son inferiores a 1.5 m3/h [10 bbl/h]
(página anterior). Las pérdidas de retorno parciales implican pérdidas de más de 10 bbl/h,
pero algo de fluido retorna a la superficie.
Durante la pérdida de circulación total, no sale
ningún fluido del espacio anular. En este caso
extremadamente severo, el pozo quizás no
retenga una columna de fluido aunque se detengan las bombas de circulación.
Si el pozo no permanece lleno de fluido, la
altura vertical de la columna de fluido se reduce
y la presión ejercida sobre la formación expuesta
disminuye. En consecuencia, otra zona puede
fluir dentro del pozo mientras la zona de pérdida
primaria está admitiendo fluido. En casos extremos, puede producirse la pérdida del control del
pozo, con consecuencias catastróficas. Aun en
situaciones menos severas de filtración y pérdidas parciales, la pérdida de fluido hacia una
formación representa un costo financiero que
debe abordar el operador. El impacto de la
pérdida de circulación está directamente relacionado con el costo del equipo de perforación,
el fluido de perforación y la velocidad de pérdida
en función del tiempo. Por otra parte, los elevados costos diarios asociados con el equipo de
perforación en aguas profundas y en otras áreas
operativas de frontera, hacen que todo tiempo
invertido para mitigar problemas de pérdidas de
circulación sea extremadamente costoso.1
Por su colaboración en la preparación de este artículo, se
agradece a Brighton Energy LLC, Tulsa, Oklahoma, EUA; Leo
Burdylo, Gerry Kennedy y Erik Nelson, Sugar Land, Texas,
EUA; Walt Chmilowski y Gunnar DeBruijn, Calgary, Alberta,
Canadá; Erick Cunningham, Yakarta, Indonesia; Matt
Garber, Cambridge, Inglaterra; Martin Hyden y Nick Low,
Clamart, Francia; Roger Keese, Midland, Texas; Scott
Lugibihl, Tulsa, Oklahoma; Richard Morgan, Grande Prairie,
Alberta; Craig Vandenborn, Oklahoma City, Oklahoma; Kirby
Walker, Charleston, Virginia Oeste, EUA; y Rioka Yuyan,
Duri, Indonesia.
CemNET, KOLITE, LiteCRETE, PowerDrive y RFC (cemento
de llenado regulado) son marcas de Schlumberger.
1. Para mayor información sobre pérdidas de circulación en
aguas profundas, consulte: Power D, Ivan CD y Brooks
SW: “The Top 10 Lost Circulation Concerns in Deepwater
Drilling,” artículo de la SPE 81133, presentado en la
Conferencia sobre Ingeniería Petrolera para América
Latina y el Caribe de la SPE, Puerto España, Trinidad,
Indias Occidentales, 27 al 30 de abril de 2003.
Primavera de 2004
21
Pérdida de fluido durante las operaciones de cementación
Observar las pérdidas
• Determinar si las pérdidas son naturales o inducidas
• Determinar la ubicación de la zona de pérdida
Caracterizar las pérdidas
• Filtración
• Pérdida parcial
• Pérdida total
Diseñar la operación de cementación adecuada
• Material de obturación
• Cemento tixotrópico
• Cemento liviano
Ejecutar el trabajo utilizando técnicas adecuadas
• Operación de cementación por etapas
• Baja velocidad de bombeo
• Limitación de la caída de presión por fricción para
minimizar la presión sobre la zona de pérdidas
> Secuencia de tareas para contrarrestar las pérdidas de circulación durante las
operaciones de cementación.
Durante las operaciones de cementación, la
pérdida de circulación generalmente se traduce
en insuficiente relleno de cemento en el espacio
anular, ya sea por fuga durante la etapa de
bombeo o por retorno del cemento después de
detener las bombas. Cuando esto sucede, el
nivel final del cemento se encuentra por debajo
del nivel de colocación planeado. La pérdida de
circulación durante la cementación puede producir problemas de perforación en los tramos
subsiguientes del pozo o un aislamiento por
zonas inadecuado. Otras consecuencias perjudiciales, tales como pérdidas de fluido o corrosión
causada por la deficiente distribución del
cemento alrededor de la tubería de revestimiento, quizás no se manifiesten por muchos
años, al cabo de los cuales es probable que estos
22
problemas resulten imposibles de solucionar.
En ciertas situaciones, las operaciones correctivas de la cementación, conocidas como
cementaciones forzadas (o a presión), bastan
para reparar el daño pero se trata de procedimientos costosos y lentos cuyo índice de éxito es
en general bajo. En casos extremos, la pérdida
de circulación total puede producir un reventón—pérdida completa del control del pozo—o
un colapso de las paredes del pozo.
En este artículo, se analiza la pérdida de circulación en el contexto de la cementación del
pozo. Ejemplos tomados de Medio Oriente, del
Sudeste Asiático, del Mar del Norte y de América
del Norte, demuestran la eficacia de la tecnología
avanzada en el abordaje de problemas de pérdidas
de circulación durante la cementación del pozo.
Procedimientos comunes para encarar las
pérdidas de circulación durante la cementación
Ante la presencia de pérdidas de circulación
durante las operaciones de cementación, los
ingenieros seleccionan diversas técnicas y materiales para aliviar el problema (izquierda). Si
se producen pérdidas de circulación, una tarea
clave consiste en localizar la zona de pérdida.
Los medidores de flujo de fondo de pozo, medidores de flujo a molinete, levantamientos, registros
de temperatura, o la inyección y vigilancia rutinaria mediante trazadores radioactivos, revelan
zonas de pérdidas de circulación. La localización
de una zona de pérdida también se pone de
manifiesto si se producen pérdidas inmediatamente después de la penetración de la barrena.
Una vez identificada la zona de pérdida, pueden
iniciarse tratamientos o acciones para evitar pérdidas adicionales.
En ciertos casos, basta con reducir la densidad de la lechada para evitar pérdidas
significativas. La densidad de la lechada puede
reducirse energizándola (espumándola) o agregándole extensores; partículas o materiales de
baja densidad que permiten la adición de cantidades de agua extra.2 El bombeo de diferentes
sistemas de cementación como la lechada inicial
y la lechada de cola puede evitar ciertos problemas de pérdida de circulación.3
La limitación de las caídas de presión por
fricción durante la colocación de la lechada,
permite mitigar algunos problemas de pérdidas
de circulación, porque al reducirse la caída de
presión por fricción también se reduce la presión ejercida por la lechada sobre la formación.
El ajuste de las propiedades reológicas de la
lechada mediante la utilización de dispersantes,
la modificación de las concentraciones de
aditivos para pérdidas de fluido y agentes antifraguado, la utilización de lechadas con
distribuciones de tamaños de partículas optimizadas, o la reducción de la velocidad de bombeo,
pueden aliviar las pérdidas de circulación
durante las operaciones de cementación.4
Algunos operadores optan por implementar
operaciones de cementación por etapas, en las
que porciones individuales de una zona son
cementadas por separado utilizando herramientas
especiales que aíslan cada etapa. Las operaciones
por etapas disminuyen la altura de la columna de
cemento, reduciendo la presión dinámica y la presión hidrostática. No obstante, las operaciones de
etapas múltiples también plantean el riesgo de
contaminación del fluido entre una etapa y la otra,
y las herramientas para cementaciones por etapas
constituyen un punto débil de la columna de
revestimiento.5
Oilfield Review
0
mm 10
0
pulg 0.4
> Tecnología CemNET. Las fibras CemNET secas son fáciles de manipular (izquierda). Una vez
mezcladas con agua, las fibras forman una red similar a una esterilla en las zonas de pérdidas de
circulación (derecha).
Otra alternativa para la minimización de pérdidas durante la cementación es la utilización
de una lechada de cementación tixotrópica sensible al esfuerzo de corte (cizalladura), que se
gelifica cuando cesa la cizalladura; estos cementos desarrollan gran resistencia de gel no bien
fluyen hacia una formación, taponando la zona.6
Los ingenieros también pueden ajustar los
diseños de los tubulares o las profundidades de
asentamiento de la tubería de revestimiento en
base al modelado por computadora. El modelado
ayuda a los operadores a combinar diferentes
técnicas para limitar las pérdidas durante la
cementación. Sin embargo, las recientes innovaciones introducidas en los materiales de
cementación están ayudando a los operadores a
combatir las pérdidas de circulación.
Tecnología de cementación poco frecuente
para problemas de pérdida de circulación
Durante décadas, los especialistas en cementación incorporaron granos, fibras, escamas, u
otros materiales para prevenir las pérdidas de
circulación (LCMs, por sus siglas en inglés) en
las lechadas de cementación.7 Si bien los LCMs
pueden mitigar los problemas de pérdidas de
circulación, muchos LMCs resultan difíciles de
dispersar en las lechadas, además de que cuesta
mezclarlos y bombearlos utilizando el equipo de
cementación convencional. El bajo peso específico de ciertos LCMs hace que floten en la
superficie de la lechada. La incapacidad de algunos de estos materiales de dispersarse en la
lechada o de humedecerse adecuadamente con
agua, ha ocasionado problemas de tapona-
2. Para mayor información sobre cementos energizados y
ultralivianos, consulte: Al Suwaidi A, Hun C, Bustillos JL,
Guillot D, Rondeau J, Vigneaux P, Helou H, Martínez
Ramírez JA y Reséndiz Robles JL: “Ligero como una
pluma, duro como una roca” Oilfield Review 13, no. 2
(Otoño de 2001): 2–15.
3. Las operaciones de cementación primaria pueden implicar hasta cuatro lechadas, pero son más comunes los
trabajos con dos lechadas conocidas como lechada inicial y lechada de cola. “Inicial” se refiere a la primera
lechada bombeada durante las operaciones de cementación primaria. “Cola” se refiere a la última lechada
bombeada durante las operaciones de cementación primaria. Normalmente, la lechada de cola cubre la zona
productiva y es más densa que la lechada inicial.
4. Para mayor información sobre lechadas que utilizan
distribuciones optimizadas de tamaños de partículas,
consulte: Boisnault JM, Guillot D, Bourahla A, Tirlia T,
Dahl T, Holmes C, Raiturkar AM, Maroy P, Moffett C,
Pérez Mejía G, Ramírez Martínez I, Revil P y Roemer R:
“Concrete Developments in Cementing Technology,”
Oilfield Review 11, no. 1 (Primavera de 1999): 16–29.
Para mayor información sobre operaciones de cementación por etapas, consulte: Boisnault et al, referencia 4.
Nelson EB, Baret J-F y Michaux M: “Cement Additives
and Mechanisms of Action,” en Nelson EB: Well
Cementing. Sugar Land, Texas, EUA: Schlumberger
Dowell (1990): 3-30–3-31.
Para mayor información sobre pérdida de circulación en
cementación de pozos, consulte: Nelson et al, referencia 6.
Baret J-F, Daccord G y Yearwood J: “Cement/Formation
Interactions,” en Nelson EB: Well Cementing. Sugar
Land, Texas, EUA: Schlumberger Dowell (1990): 6-7–6-16.
Low N, Daccord G y Bedel J-P: “Designing Fibered
Cement Slurries for Lost Circulation Applications: Case
Histories,” artículo de la SPE 84617, presentado en la
Conferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE,
Denver, Colorado, EUA, 5 al 8 de octubre de 2003.
Primavera de 2004
5.
6.
7.
8.
miento, tanto en los equipos de mezclado como
en los equipos de fondo de pozo.
Una novedosa fibra avanzada puede mezclarse con las lechadas de cemento formando
una red de obturación de alto desempeño en las
zonas de pérdidas de circulación. Las fibras del
cemento con fibras avanzadas CemNET, diseñadas con dimensiones óptimas—en general
menos de 12 mm [0.5 pulgada] de largo y 20
micrones de diámetro—son químicamente inertes y resultan compatibles con la mayoría de los
sistemas y aditivos de cementación a temperaturas de hasta 232°C [450°F].8 Estas fibras pueden
agregarse en la localización del pozo y se pueden
combinar con las porciones de lechada que
serán colocadas en las potenciales zonas de pérdidas de circulación.
La ventaja principal de las fibras CemNET es
su capacidad para dispersarse fácilmente en la
lechada de cementación. A diferencia de las
fibras convencionales, las fibras CemNET están
recubiertas con un surfactante especial que
mantiene las fibras unidas cuando están secas
pero que además las ayuda a dispersarse y mezclarse sin dificultad cuando se incorporan a la
lechada (arriba). Si se agregan en concentraciones óptimas, las fibras CemNET forman una red
de obturación, pero no alteran las propiedades
críticas de la lechada o del cemento, tales como
tiempo de densificación, propiedades reológicas,
23
Pérdida significativa de lechada hacia las fracturas
Pérdidas
Pérdida de lechada mínima con la tecnología CemNET
> Fibras en forma de red para obturar zonas de pérdidas de circulación. La pérdida de fluido en formaciones fracturadas, mostrada esquemáticamente en rojo, constituye un episodio indeseado durante las operaciones de cementación (extremo superior).
Mediante el agregado de fibras a la lechada de cementación, se forma una red fibrosa, la lechada de cementación genera un
revoque de filtración y la lechada circula en forma ascendente por el espacio anular para proveer aislamiento por zonas y evitar
pérdidas de fluido adicionales (extremo inferior).
pérdida de fluido, contenido de agua libre, resistencia a la tracción, resistencia a la cizalladura y
resistencia a la compresión (arriba).
Mediante la incorporación de fibras avanzadas, los operadores pueden evitar problemas
tales como topes de cemento bajos, la necesidad
de implementar operaciones de cementación
forzada, así como pérdidas de cemento y fallas
de pozos más serias. Cuando la acción de obturación de las fibras en la lechada de cementación
sella las zonas de pérdidas de circulación, se
pierde menos lechada durante las operaciones
de bombeo. Experimentos de laboratorio han
demostrado la eficacia de las lechadas cargadas
de fibras en el taponamiento de zonas de pérdidas de circulación, incluyendo fracturas
simuladas y formaciones de alta permeabilidad
(próxima página).9 Los experimentos también
confirmaron que la longitud de las fibras consti-
24
tuye un parámetro crítico para el sellado de las
fracturas; sin embargo, las fibras deben ser suficientemente cortas para impedir que se tapone
el equipo de bombeo. Las concentraciones de
fibras más altas resultaron más efectivas, pero
aumentaron el riesgo de afectar la reología de la
lechada. Para concentraciones de fibras altas, el
aumento de la cantidad de dispersante ayudó a
mantener la bombeabilidad de la lechada.
Para ayudar a los ingenieros responsables del
diseño de las lechadas a superar los desafíos asociados con las pérdidas de circulación en el
campo, Schlumberger y M-I L.L.C. desarrollaron
en forma conjunta el programa Asesor de Pérdidas de Circulación, que puede utilizarse con los
tratamientos CemNET. Este programa de computación utiliza árboles de decisiones para analizar
los casos de pérdidas de circulación y luego recomienda el mejor tratamiento a seguir para
controlar las pérdidas.10 Independientemente de
si se trata de pérdidas parciales o totales, o de si
la aplicación corresponde a perforación o cementación, el Asesor de Pérdidas de Circulación
permite examinar los datos de pozos, los tratamientos para pérdidas de circulación previos, la
velocidad de pérdida estimada y la estratigrafía
del tramo de pozo expuesto. A partir de estos
datos de entrada, el programa de computación
9. Para mayores detalles de los experimentos, consulte:
Low et al, referencia 8.
10. Para mayor información sobre árboles de decisiones,
consulte: Coopersmith E, Dean G, McVean J y Storaune
E: “La toma de decisiones en la industria del petróleo y el
gas,” Oilfield Review 12, no. 4 (Primavera de 2001): 2–9.
11. Las operaciones asociadas con trabajos de relleno del
espacio anular implican el bombeo de cemento por el
espacio anular en sentido descendente desde la superficie, en vez de hacerlo en sentido descendente por la
columna de perforación o en sentido ascendente por el
espacio anular, para rellenar el espacio existente entre
la formación y la tubería de revestimiento.
Oilfield Review
Celda de pérdida
de fluido
∆P = 0 a 290 lpc
(0 a 20 bares)
Placa metálica
Retícula metálica
con orificios
Lechada
recolectada
Orificios de 1 mm
Orificios de 2 mm
Orificios de 4 mm
Orificios de 6 mm
Ranura de 1 mm
Ranura de 2 mm
Ranura de 1 mm taponada
con lechada CemNet
Primavera de 2004
Orificios de 2 mm taponados
con lechada CemNet
ayuda a identificar el tipo de pérdida y calcular
su profundidad. A continuación, recomienda el
tratamiento para pérdida de circulación óptimo a
aplicar a partir de una base de datos de sistemas
genéricos y especializados que ofrecen M-I L.L.C.
y Schlumberger. Una vez seleccionado el tratamiento, el programa proporciona datos técnicos
completos para su diseño.
La optimización de la selección y el diseño de
los tratamientos para pérdidas de circulación
normalmente ayuda a los operadores a reducir el
volumen de lechada de cementación que bombean. La estimación exacta del volumen de
lechada requerido para una operación implica
menos volúmenes de cemento excedente, lo que
a su vez reduce los costos de eliminación del
cemento. Como lo demuestran los ejemplos que
se presentan a continuación, la selección de la
lechada y el diseño y ejecución de los trabajos
correctos contribuyen al éxito del tratamiento
con la tecnología CemNET.
Mitigación de los problemas de pérdidas
de circulación en Medio Oriente
Las rocas carbonatadas de Medio Oriente son
conocidas no sólo por sus prolíficas reservas de
petróleo y gas, sino también por los problemas
de pérdidas de circulación. La Abu Dhabi
Company for Onshore Oil Operations (ADCO) se
enfrenta a estos problemas regularmente
durante la perforación de las Formaciones Umm
El Radhuma y Simsima. En el pasado, la compañía trataba de controlar las pérdidas de
circulación mediante operaciones de cementación por etapas y de relleno del espacio anular
utilizando cementos livianos y colocando tapones durante las operaciones de cementación
primaria.11 Ninguno de estos procedimientos es
satisfactorio porque cualquier tubería de revestimiento que no esté rodeada de cemento queda
expuesta a la acción corrosiva de las salmueras.
No obstante, el operador sigue realizando operaciones de relleno del espacio anular cuando se
producen las pérdidas más severas a fin de proteger al máximo la tubería de revestimiento
frente a la corrosión.
< Pruebas de lechadas fibrosas en laboratorio.
Se modificó una celda de pérdidas de fluido API
para verificar las lechadas CemNET (extremo
superior). El tope de la celda de prueba actúa
como un pistón; la placa del fondo simula una
zona de pérdidas. Los orificios circulares de las
placas, con un diámetro de 1, 2, 4 y 6 mm [0.04,
0.08, 0.16 y 0.24 pulgadas], simulan zonas de alta
permeabilidad; las placas ranuradas representan fracturas de 1 y 2 mm de ancho (centro).
Después de las pruebas, las placas con ranuras
u orificios son taponadas con lechada fibrosa
(extremo inferior).
25
Recientemente, ADCO cementó dos pozos
utilizando lechadas que contenían fibras
CemNET.12 Durante la perforación de uno de los
pozos, la velocidad de pérdida de circulación
alcanzó 23.8 m3/h [150 bbl/h], aunque se bombeaba un fluido de perforación relativamente liviano
de 1091 kg/m3 [9.1 lbm/gal] de densidad. Entonces, se planificó una lechada de cementación más
pesada—1283 kg/m3 [10.7 lbm/gal]—de manera
que al operador le preocupaba la ocurrencia de
pérdidas adicionales. Se bombeó entonces una
combinación de lechada cargada de fibras con
lechada liviana de alto desempeño, seguida de
una lechada de cola de 2002 kg/m3 [16.7 lbm/gal]
de densidad. Después de recuperar todo el
retorno consistente en 21.3 m3 [134 bbl] de fluido
de perforación en la superficie, sin experimentar
dificultades en la mezcla o el bombeo de las
lechadas, ADCO consideró exitosa la operación.
El segundo pozo sufrió pérdidas a velocidades
aún superiores—79.5 m3/h [500 bbl/h]—durante
la perforación con lodo de 1036 kg/m 3 [8.65
lbm/gal] de densidad. La compañía decidió asentar la tubería de revestimiento a 152 m [500 pies]
por encima de la posición planificada originariamente para abordar las pérdidas. Se
mezcló una lechada ultraliviana con una densidad de 959 kg/m3 [8.0 lbm/gal] en la superficie,
con fibras CemNET. Esta lechada fue seguida de
una lechada de cola de 1882 kg/m3 [15.7 lbm/gal]
de densidad. Si bien no se esperaban retornos,
se observaron algunos retornos parciales en la
superficie. Para proteger la tubería de revestimiento de la corrosión provocada por la
salmuera, se efectuó una operación de relleno
del espacio anular. No obstante, el volumen de
lechada bombeado para el relleno del espacio
anular se redujo en aproximadamente un 40%, ó
15.9 m3 [100 bbl], porque se había colocado más
lechada CemNET en el espacio anular durante la
operación de cementación primaria. A la luz de
estos resultados, ADCO tiene previsto utilizar las
lechadas CemNET en forma rutinaria.
Aplicación de tecnología de
cementación avanzada en Asia
El campo gigante Duri, situado en Sumatra,
Indonesia, ha estado sometido a inyección de
vapor de agua para la recuperación asistida de
sus reservas de petróleo pesado desde 1985.13 El
operador, P.T. Caltex Pacific Indonesia (CPI),
produce más de 32,575 m3/día [205,000 barriles
por día] de petróleo de 6800 pozos. Los pozos
que explotan yacimientos de areniscas situados
a una profundidad de 61 a 274 m [200 a 900
pies], tienen terminaciones con empaques de
grava. Las pérdidas de circulación en estos yacimientos no consolidados y fallados a menudo
demandan operaciones correctivas de la cementación. La reciente introducción de la tecnología
CemNET, que limita la necesidad de implementar operaciones correctivas de la cementación,
está reduciendo los costos de cementación.14
Anteriormente, hubo algunos intentos de aplicar
diversas técnicas de cementación en el campo
Duri, tales como tapones de cemento con diversos LCMs incorporados y cemento primario
energizado, tixotrópico o de otro tipo. Aunque
estas técnicas llevaron el índice de éxito de la
cementación primaria al 60%, el índice de ineficiencia siguió siendo inaceptablemente elevado.
Para mejorar el índice de éxito de la cementación, CPI bombeó tapones CemNET—lechada
de cementación de 1797 kg/m3 [15.0 lbm/gal] de
densidad con 7.1 kg/m3 [2.5 lbm/bbl] de fibras—
en los casos de pérdidas de circulación total. En
ciertas circunstancias, un tapón de cemento de
0.8 m3 [5 bbl] permitió remediar las pérdidas, si
bien en los casos más severos no se detuvo la filtración. A continuación, CPI decidió utilizar la
tecnología CemNET en la lechada de cementación primaria para remediar las pérdidas de
circulación, agregando 2.5 lbm/bbl de fibras
durante el bombeo de una lechada de cementación de 1893 kg/m3 [15.8 lbm/gal] de densidad.
En un caso, un pozo del campo Duri sufrió pérdida de circulación total durante la perforación,
lo que fue reducido a pérdidas por filtración después de la colocación de un tapón CemNET. No
obstante, este pozo fue cementado con éxito utilizando la lechada CemNET.
De los 98 tapones CemNET más recientes del
campo Duri, 63 permitieron remediar completamente las pérdidas de circulación, y en otros 18,
las pérdidas se redujeron. De 30 trabajos de
cementación primaria donde se utilizaron fibras
CemNET, 28 tuvieron una cobertura de cemento
completa. En general, el índice de éxito de la
cementación aumentó del 60% al 85%. Mediante
la utilización de tecnología CemNET, CPI ahorra
32 horas de tiempo de equipo de perforación por
pozo, porque la operación de cementación inicial suele ser exitosa y se necesitan trabajos de
remediación con mucho menor frecuencia.
CPI está descubriendo otras aplicaciones
para la tecnología CemNET en otros campos que
opera. Por ejemplo, se bombean lechadas
CemNET a través de tubería flexible para aislar
los disparos que producen agua.15
12. Para mayor información sobre la utilización de la tecnología CemNET en Medio Oriente y Asia, consulte: El-Hassan
HI, Abbas R, Jarouj H y Munk T: “Using a Novel Fiber
Cement System to Control Lost Circulation: Case Histories
from the Middle East and the Far East,” artículo de la SPE
85324, presentado en la Conferencia y Exhibición de
Tecnología de Perforación de Medio Oriente de las
SPE/IADC, Abu Dhabi, EAU, 20 al 22 de octubre de 2003.
13. Para mayor información sobre petróleo pesado y el
campo Duri, consulte: Curtis C, Kopper R, Decoster E,
Guzmán-García A, Huggins C, Knauer L, Minner M,
Kupsch N, Linares LM, Rough H y Waite M: “Yacimientos
de petróleo pesado” Oilfield Review 14, no. 3 (Invierno de
2002/2003): 32–55.
14. Effendhy, Junaidi H, Abbas R y Malik BZ: “Fibers in
Cement Form Network to Cure Lost Circulation,” World
Oil 224, no. 6 (Junio de 2003): 48–50.
15. Effendhy et al, referencia 14.
Para mayor información sobre la utilización de la tecnología CemNET en Indonesia, consulte: El-Hassan et al,
referencia 12.
16. Para mayor información sobre aislamiento por zonas en
el área Tampen, consulte: Abbas R, Cunningham E, Munk
T, Bjelland B, Chukwueke V, Ferri A, Garrison G, Hollies D,
Labat C y Moussa O: “Soluciones de largo plazo para el
aislamiento zonal,” Oilfield Review 14, no. 3 (Invierno de
2002/2003): 18–31.
17. Una prueba de admisión se realiza para determinar la
resistencia o la presión de fracturamiento de la formación descubierta, y habitualmente se lleva a cabo
inmediatamente después de perforar por debajo de una
nueva zapata de la tubería de revestimiento. Durante la
prueba, el pozo se cierra y se bombea fluido en su interior para aumentar gradualmente la presión ejercida
sobre la formación. A cierta presión, el fluido ingresará
en la formación, o fugará, ya sea desplazándose a través
de trayectorias permeables en la roca o creando un
espacio mediante el fracturamiento de la roca. Los resultados de la prueba de admisión determinan la máxima
presión o densidad del lodo que puede aplicarse al pozo
durante las operaciones de perforación. Para mantener
un pequeño factor de seguridad que permita la ejecución de operaciones de control de pozo seguras, la
presión de operación máxima es normalmente un tanto
inferior al resultado de la prueba de admisión.
18. El tramo de la zapata es el espacio comprendido entre la
zapata flotante o guía y el collar de colocación o collar
flotador. La función principal de este espacio es asegurar que la zapata esté rodeada por cemento de alta
calidad y que cualquier contaminación que pase por alto
el tapón de cemento superior quede contenida en forma
segura dentro del tramo de la zapata.
26
Remediación de pérdidas en el
sector británico del Mar del Norte
Shell Expro experimentó severas pérdidas de
circulación en el campo Brent, situado en el sector británico del Mar del Norte, en yacimientos
atravesados por pozos de alcance extendido y
casi horizontales. Este campo petrolero, que
comenzó a producir petróleo en 1976, posee
importantes reservas de gas disuelto en zonas
petroleras residuales y pasadas por alto. La
compañía implementó operaciones de despresurización para recuperar el gas liberado del
petróleo, interrumpiendo la inyección de agua
en 1998.
La despresurización dio como resultado una
ventana más estrecha entre la presión de poro y
la presión de fracturamiento, porque el gradiente de los esfuerzos a los que está sometida la
formación disminuyeron al declinar la presión de
yacimiento. La perforación exitosa de las seccio-
Oilfield Review
Primavera de 2004
Se requieren operaciones
correctivas de la cementación
mediante inyección forzada
100
90
Buena prueba de admisión
80
Índice de éxito, %
nes de lutitas exigió una densidad de fluido de
perforación mínima para evitar el atascamiento
de la tubería y contrarrestar la inestabilidad de
las arenas y las lutitas interestratificadas. La
combinación de la ventana de presión estrecha
con la reducción del gradiente de fracturamiento
también planteó serios problemas durante las
operaciones de cementación de pozos.
Para garantizar que los pozos del campo
Brent pudieran ser cementados con éxito, los
ingenieros simularon las operaciones de cementación para optimizar las velocidades de
bombeo, la eliminación del lodo y las densidades
de circulación equivalentes. En el pozo BD-42s4
del campo Brent Delta, perforado en el año
2002, los ingenieros enfrentaron pérdidas de circulación potenciales. Este pozo de re-entrada
fue perforado con un sistema rotativo orientable
PowerDrive para recuperar gas del yacimiento
Statfjord. El tramo del pozo de 81⁄2 pulgadas de
diámetro, con una inclinación de 57°, y el tramo
de 6 pulgadas, con una inclinación de hasta 72°,
no experimentaron pérdida de circulación
alguna durante la perforación. Sin embargo,
todos los pozos del campo Brent perforados en el
año 2002 sufrieron pérdidas durante la perforación o la cementación, de modo que los planes
de cementación para el pozo BD-42s4 del campo
Brent Delta fueron adaptados de acuerdo con las
necesidades de cada caso.
El operador asentó 305 m [1000 pies] de
tubería de revestimiento de 7 pulgadas después
de perforar el tramo de 81⁄2 pulgadas. Los 76 m
[250 pies] inferiores cubrieron la Formación
Statfjord. La deficiente cementación primaria de
la sarta de revestimiento de 95⁄8 pulgadas hizo
que la sarta de 7 pulgadas necesitara 1000 pies
de cemento efectivo para aislar las zonas en
forma eficaz. Después de bombear un lavado químico no densificado y un espaciador densificado
para la eliminación del lodo, los ingenieros bombearon la lechada de cemento. A esta lechada,
densificada hasta 1737 kg/m3 [14.5 lbm/gal] de
densidad, se incorporaron fibras CemNET para
mitigar pérdidas potenciales. La operación se
desarrolló según lo planificado y el retorno completo a la superficie indicó la ausencia de
pérdidas durante la cementación.
El siguiente tramo, que atravesó el yacimiento Statfjord, experimentó pérdidas de
retorno parciales de 10 m3/h [66 bbl/h] al sacar
la columna de perforación del pozo. Antes de
bajar la tubería de revestimiento de 41⁄2 pulgadas, se bombeó LCM, pero las pérdidas
continuaron, aumentando a 19 m3/h [122 bbl/h]
antes de la cementación. A raíz de las altas pre-
70
60
50
40
30
20
10
0
Operaciones de
cementación
originales
Después de la
implementación de
las mejores prácticas
Después de la
introducción de la
tecnología CemNET
> Índices de éxito de las operaciones de cementación utilizando las técnicas de
cementación típicas, las mejores prácticas y la tecnología CemNET en el área
Tampen. Las barras rojas indican la necesidad de efectuar operaciones correctivas con posterioridad a la cementación; las barras azules indican buenos resultados de la prueba de admisión (LOT, por sus siglas en inglés).
siones existentes en el fondo del pozo, el éxito
de la operación de cementación era crítico para
la producción futura. Durante el bombeo de una
lechada de 14.5 lbm/gal con fibras CemNET, las
pérdidas se redujeron a 6.8 m3/h [43 bbl/h] y
hubo retorno a la superficie. Una exitosa prueba
de presión de la tubería de revestimiento superior después de fraguado el cemento indicó que
las zonas estaban correctamente aisladas.
Como quedó demostrado en este pozo del
campo Brent, la nueva tecnología de cementación puede impedir o minimizar las pérdidas de
circulación sin restringir otros aspectos de las
operaciones. En realidad, estas operaciones no
requirieron ningún equipo extra para evitar costosas pérdidas de fluido.
Prevención de zapatas húmedas en
el sector noruego del Mar del Norte
En uno de los campos petroleros del área
Tampen del sector noruego del Mar del Norte,
Statoil asienta una tubería de revestimiento de
185⁄8 pulgadas en formaciones de arenas deleznables. 16 Históricamente, los pozos del área
Tampen han tendido a generar resultados de
pruebas de admisión (LOT, por sus siglas en
inglés) pobres en la zapata de la tubería de
revestimiento, debido a un fenómeno conocido
como “zapata húmeda.”17 Se tiene una zapata
húmeda cuando el cemento no fragua alrededor
de la zapata o cuando el cemento se filtra hacia
zonas de pérdidas de circulación. En un sentido
más general, toda vez que un perforador no toca,
o contacta, cemento duro alrededor de una
zapata, se habla de zapata húmeda.
Ante un caso de zapata húmeda, Statoil
habitualmente realizaba operaciones de cementación forzada para obtener resultados
correctos en las pruebas de admisión, pero este
trabajo correctivo de la cementación implicaba un
alto costo. Llevada a una situación límite, una LOT
inadecuada podría requerir una sarta de menor
diámetro que lo planificado y que la economía
de producción no resultara tan favorable, o que
fuera imposible perforar la formación objetivo.
Trabajando con Schlumberger, Statoil desarrolló nuevas prácticas de cementación para
resolver el problema de la zapata húmeda. Estas
prácticas incluyeron la reducción de la densidad
de la lechada inicial y la cementación de la sección correspondiente al tramo de la zapata con
una lechada de cola.18 Aunque estas técnicas
permitieron reducir la cantidad de zapatas
húmedas, el problema no fue eliminado. En consecuencia, Statoil comenzó a bombear lechadas
de cola que contenían fibras CemNET. Hasta la
fecha, se cementaron dos pozos utilizando lechadas de cola CemNET; ambas operaciones
resultaron exitosas y no requirieron trabajos
correctivos (arriba). Al igual que otras operaciones de cementación con CemNET, las fibras
fueron mezcladas y bombeadas con facilidad.
27
Prevención de problemas de pérdidas
de circulación en América del Norte
Las operaciones terrestres en América del Norte
comprenden una enorme variedad de desafíos
en yacimientos de edades geológicas y litologías
diversas. No obstante, muchas operaciones de
perforación de todo el continente tienen algo en
común: las pérdidas de circulación. Recientemente, numerosos operadores lograron
contrarrestar con éxito los problemas de pérdidas de circulación utilizando la tecnología
CemNET.
En el Occidente de Virginia, EUA, Cabot Oil
& Gas Corporation necesitaba un excelente aislamiento por zonas en un yacimiento productor
de baja presión en el que se implementaría estimulación por fracturamiento hidráulico. Al igual
que la mayoría de los pozos del área, este pozo
fue perforado utilizando aire como fluido de perforación, lo que a menudo se traduce en
pérdidas de circulación durante la cementación.
Debido al bajo gradiente de fracturamiento de
algunas de las formaciones, el cemento tenía
que ser liviano, pero el tratamiento de estimulación planificado exigía que el cemento también
fuera durable.
En operaciones de cementación previas, 12
de 41 sartas de tubería de revestimiento de producción habían requerido operaciones
correctivas de la cementación. Después de estudiar estos resultados, Cabot empleó una
variedad de sistemas de cementación avanzados,
arrojando cada uno de ellos resultados cada vez
mejores. En un comienzo, Cabot utilizó cemento
de llenado regulado RFC, que es una mezcla
tixotrópica y expansiva de cemento Pórtland y
yeso; una formulación aparentemente ideal para
evitar pérdidas de circulación y proveer buena
adherencia del cemento en zonas ladronas. Aunque la lechada RFC ha sido diseñada para
volverse rápidamente inmóvil después de su
colocación, las pérdidas continuaron. El paso
siguiente fue el agregado de fibras CemNET a la
lechada de cementación RFC. Este sistema
arrojó mejores resultados en lo que respecta a la
obtención de las alturas del cemento.
Más adelante, Cabot decidió reducir la densidad de la lechada utilizando el aditivo de
cementación KOLITE para lechadas de baja densidad. Los sólidos granulares livianos KOLITE
tienen una distribución granulométrica específica concebida para combatir las pérdidas de
circulación. Aunque este aditivo produjo ciertas
mejoras, las alturas de cemento siguieron siendo
28
subóptimas, de modo que se agregaron fibras
CemNET a las lechadas KOLITE. Este sistema ha
generado los mejores y más reproducibles resultados logrados hasta la fecha en términos de
altura del cemento, necesaria para cubrir múltiples zonas de interés.
Para satisfacer mejor las necesidades de contar con lechadas livianas y a la vez duraderas,
Cabot utilizó posteriormente un sistema de
lechada LiteCRETE con fibras CemNET a fin de
lograr el aislamiento por zonas. En un pozo de
1067 m [3500 pies] de profundidad, se colocaron
639 m [ 2095 pies] de cemento en el espacio
anular en lugar de perderlos hacia la formación.
Aunque este resultado mantiene la tendencia
hacia un mejoramiento constante de la cementación, Cabot continúa evaluando la utilización de
la mezcla LiteCRETE y CemNET para pozos futuros. Hasta la fecha, Cabot ha utilizado lechadas
CemNET en 51 trabajos de cementación.
Las mejoras introducidas en las operaciones
de cementación no se limitaron a la selección de
la lechada; los ingenieros de Cabot y Schlumberger
también desarrollaron pautas para la utilización
de lechadas más livianas, reduciendo el contenido de agua y minimizando la viscosidad de la
lechada y las pérdidas de fluido.
A cientos de millas del Occidente de Virginia,
la Formación Pérmica Brown Dolomite del
Panhandle de Texas, EUA, presenta importantes
problemas de pérdidas de circulación. No son
inusuales las pérdidas de circulación total
durante la perforación. Este yacimiento naturalmente fracturado tiene propensión al daño como
resultado de las excesivas pérdidas de lodo de
perforación y cemento. Miles de barriles de
cemento fueron bombeados en esta formación
en intentos por compensar las pérdidas de circulación.
En un pozo del Condado de Roberts, Texas,
Brighton Energy LLC descubrió pérdidas de circulación totales en la Formación Brown
Dolomite. Dos intentos de detener las pérdidas
utilizando tapones de cemento convencionales
fracasaron. Al cabo de una semana de pérdidas
de tiempo de equipo de perforación, Brighton
decidió interrumpir el bombeo de volúmenes
masivos de cemento como tratamiento para prevenir las pérdidas de circulación y en cambio
solicitó la asistencia de Schlumberger. En la
zona de pérdidas de circulación de la Formación
Brown Dolomite se colocó un tapón CemNET. La
severidad de las pérdidas provocó la ruptura del
tapón al reanudarse la perforación. Se bombeó
entonces un segundo tapón CemNET, que logró
sellar la zona de pérdidas de circulación con
éxito. Brighton pudo continuar con las operaciones de perforación con circulación completa y
logró ahorrar aproximadamente 26,000 dólares
estadounidenses por día en términos de tiempo
de equipo de perforación, pérdidas de lodo y
otros materiales. Ahora tiene proyectado utilizar
la tecnología CemNET durante la cementación
de los pozos problemáticos de la Formación
Brown Dolomite.
Aproximadamente 3200 km [2000 millas] al
norte del Panhandle de Texas, las capas de carbón y otras formaciones someras del sur de
Alberta, Canadá, muestran propensión a las pérdidas de circulación. Sin embargo, resulta difícil
predecir qué pozos experimentarán problemas
de pérdidas de circulación; estos problemas no
afectan consistentemente a determinadas formaciones o áreas. En ciertas formaciones,
particularmente en las capas de carbón, esa
inconsistencia es el resultado de la distribución
errática de la roca.19
Para proteger los recursos de agua subterránea, los pozos de gas someros de esta
región deben tener retorno de cemento a la
superficie. Al igual que otros operadores del
área, PanCanadian Energy, ahora EnCana
Corporation, habitualmente bombeaba volúmenes sustanciales de lechada excedente para
colocar suficiente cemento a fin de proteger los
recursos de agua subterránea, pero el costo de
eliminación del exceso de cemento era elevado,
porque los pozos se perforaban con mínima perturbación de la superficie y no se disponía de
instalaciones para su eliminación en la localización. Dada la economía marginal de estos pozos
de gas someros, el operador investigó otras
metodologías, tales como el cambio de los fluidos de perforación, pero sólo logró un éxito
limitado. La mayoría de los demás procedimientos tendían a aumentar el tiempo de perforación
sin resolver los problemas de pérdidas de circulación. En realidad, las pérdidas de circulación
se producían normalmente después de la perforación; durante las operaciones de cementación.
19. Anderson J, Simpson M, Basinski P, Beaton A, Boyer C,
Bulat D, Ray S, Reinheimer D, Schlachter G, Colson L,
Olsen T, John Z, Khan R, Low N, Ryan B y Schoderbek D:
“Producción de gas natural a partir del carbón,” Oilfield
Review 15, no. 3 (Otoño de 2003): 8–33.
20. Messier E, Stiles D y Mogan R: “Controlling Cement Tops
Through Use of Fiber-Based Slurries Reduces Drilling
Costs,” artículo 2002-085, presentado en la Conferencia
Internacional del Petróleo Canadiense de la Sociedad del
Petróleo, Calgary, Alberta, Canadá, 11 al 13 de junio de
2002.
Oilfield Review
Localizaciones de los ejemplos CemNET
> Un mundo de éxitos. Las aplicaciones CemNET descriptas en este artículo abarcan tres continentes.
PanCanadian también quería minimizar las
operaciones correctivas de la cementación en
los pozos de gas someros. Previamente, el operador había probado LCMs granulares y laminares
para combatir las pérdidas de circulación, pero
estos materiales resultaron ineficaces. Durante
el desarrollo de un proyecto consistente en 77
pozos, PanCanadian y Schlumberger optimizaron los procedimientos de bombeo y las
concentraciones de CemNET.20 El retorno del
cemento mejoró, lo que permitió a la compañía
reducir los volúmenes de lechada después de la
cementación de los 10 primeros pozos. A medida
que avanzaba el proyecto, se reducía la cantidad
de lechada con fibras CemNET; sin embargo, el
operador siguió bombeando menos volumen de
cemento excedente, redujo los costos de eliminación y eliminó las operaciones correctivas de
la cementación. Después de analizar los resultados del proyecto de 77 pozos, PanCanadian pudo
disminuir en otro 25% los volúmenes de lechada
Primavera de 2004
cargados de fibras, lo que redujo el retorno de
cemento a aproximadamente 2 m3 [12.6 bbl].
Los numerosos cambios introducidos en los
procedimientos y materiales de cementación
con el tiempo, se tradujeron en reducciones de
costos equivalentes a 250 dólares canadienses
por pozo, cifra significativa para proyectos que
implican cientos de pozos.
Ganar sin pérdidas
En los campos petroleros, al igual que en otros
lugares del mundo, siempre existirán ladrones.
Aunque quizás nunca se logre evitar las pérdidas
de circulación durante las operaciones de
cementación de pozos, la captura de este tipo de
ladrón no es en modo alguno una causa perdida.
Como ideal, los problemas de pérdidas de
circulación deberían encararse antes de la
implementación de las operaciones de cementación primaria. Cuando los problemas de
pérdidas de circulación son previstos durante
las operaciones de cementación primaria, el
diseño cuidadoso de la lechada y los trabajos de
cementación son esenciales: sólo existe una
oportunidad de realizar el trabajo con éxito.
La nueva tecnología, incluyendo la tecnología
CemNET, abordará los efectos colaterales más
serios frente a una amplia gama de condiciones
de temperatura y densidades de lechadas. Solución claramente demostrada para los problemas
de pérdidas de circulación, se han bombeado
más de 1300 trabajos CemNET en capas de carbón, yacimientos agotados, yacimientos fallados
y fracturados, rocas carbonatadas, areniscas y
lutitas de todo el mundo (arriba). Sin lugar a
dudas, seguirán proliferando nuevas aplicaciones
para estas excepcionales lechadas de cementación fibrosas.
—GMG
29