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Cimentação de Poços de Petróleo João Carlos R. Plácido jcrp@cenpes.petrobras.com.br Cimentação Primária Objetivos • Preencher o espaço entre o revestimento e a parede do poço e promover a aderência entre a parede externa do revestimento e formação rochosa / parede interna do revestimento anterior • Deslocar e posicionar a pasta de cimento no anular entre revestimento e poço • Isolar as formações impedindo entrada de fluidos e perdas de circulação • Fornecer suporte mecânico para o revestimento • Isolar um poço para abandono Cimentação Secundária Objetivos • Squeeze: corrigir cimentação primária pela pressurização da pasta através de canhoneiose canais formados por uma má cimentação primária – Corrigir falhas na cimentação primária – Eliminar influxo de água selando alguns canhoneios – Reduzir produção de gás selando alguns canhoneios – Abandonar zonas depletadas – Corrigir vazamentos no revestimento Cimentação primária • Tipos de pasta para: – revestimento de superfície – revestimento intermediário / produção – zonas de sal – zonas de gás – zonas HTHP – perdas de circulação – abandono – fluidos leves (com nitrogênio) Cimentação: Histórico • 1903- Cimento foi utilizado para bloquear fluxo de água de uma zona próxima a de óleo (WOC = 28 dias) - Campo de Lompoc, CA, USA • 1910 - Uso de plugsde topo e de fundo - A. A. Perkins- início de processo de cimentação atual • 1919- E. P. Halliburton- introduziu técnica no Texas (WOC = 10 dias) • 1920- E. P. Halliburton- Mistura à jato (patente) • 1927- LoneStar CementCo. - Primeiro cimento específico para poços de petróleo • 1928- Humble OilandRefiningCo. - Estudo das falhas de cimentação - Efeito da contaminação pelo fluido de perfuração - Condicionamento antes da cimentação e uso de um colchão de água entre o fluido e a pasta Cimentação: Histórico • 1929- Halliburton- Primeiro laboratório específico para pasta de cimento • 1930- H. R. Irvine- Uso de centralizadores • 1934 - Schlumberger- Método de detecção do topo do cimento através de perfil de temperatura • 1935- E. F. Silcox- Teste do tempo de espessamento da pasta de cimento • 1937- API - Estabelecido comitê para estudar cimento para poços petrolíferos • 1939- R. F. Farris- Teste do tempo de espessamento com pressão e temperatura • 1940- M. M. Kinley- Uso do perfil caliperpara calcular o volume de cimento Cimentação: Histórico • 1946- WOC reduzido de 72 horas para 24-36 horas • 1948- G. C. Howard& J. B. Clark - estudo da eficiência de deslocamento lama-cimento • 1952 - API - Primeira edição da norma API para testes em pastas de cimento • 1957- Phillips PetroleumCo. - Uso de agentes redutores de filtrado • 1962- Ciasde Serviço - Uso de dispersantes (ou redutores de fricção) Formulações Básicas • Superfície: água + acelerador + cimento • Produção / Intermediário: água + retardador + dispersante + controlador de filtrado + cimento • Zonas de sal: água + sal + retardador + controlador de filtrado + cimento • Zonas de gás: água + dispersante + latex + controlador de filtrado + retardador + cimento • Zonas HPHT: água + retardador + dispersante + controlador de filtrado + sílica + cimento Aditivos • Controlador de densidade: – razão água/cimento, bentonita, gilsonita, nitrogênio, baritina, hematita, areia (Tabela 3.8 Bourgoine) • Controlador de tempo de pega: – Acelerador de pega: Cloreto de Cálcio, Cloreto de Sódio, Gesso e Silicato de Cálcio – Retardador de pega: compostos orgânicos usados como defloculantesem fluidos de perfuração, também chamados de dispersantes, como por exemplo o lignossulfatode cálcio Aditivos • Controlador de perda de circulação: – fibrosos (fibra de nylon, serragem, feno), granulares (gilsonita, casca de noz) e lamelados (celofane, mica) • Controlador de filtrado: – látex, bentonita com dispersante, CMHEC, polímeros orgânicos • Controlador de viscosidade: – defloculantesorgânicos (lignosulfonatode cálcio), cloreto de sódio e polímeros de cadeia longa. • Outros Aditivos: – Alta temperatura: sílica – Localizadordo cimento: traçadoresradioativos Exemplo 1 • Deseja-se misturar uma pasta de cimento Classe A contendo 3% de bentonita, usando a quantidade de água específica da Tabela 3.6 (Bourgoine). Determine o peso da bentonita e o volume de água necessária para misturar com um saco de cimento (94 lbs). Calcule também o conteúdo de água (percent mix), o volume de pasta obtido com um saco de cimento (yield) e a densidade da pasta. Exemplo 1 • Peso de bentonita a ser misturado com um saco de cimento Classe A: 0,03(94)=2,82 lbm • Da Tabela 3.6, o percentual de água de mistura para o cimento Classe A recomendado pelo API é 46%. Além disso, mais 5,3% de água para 1% de bentonita deve ser adicionado (Nota 1 da Tabela 3.6). • Logo, o conteúdo de água por saco de cimento (percent mix) é: 46 + 3(5,3) = 61,9% • O volume de água a ser adicionado por saco de cimento é: 0,619(94 lbm/sack) / 8,33 lbm/gal = 6,98 gal/saco • Da Tabela 3.8: Densidade relativa do cimento=3,14 e Densidade relativa da bentonita=2,65 • Volume de pasta por saco de cimento (yield): • Densidade da pasta: ( ) ( ) sacogalsacogalgallbm sacolbm gallbm sacolbm /7,10/98,6 /33,865,2 /82,2 /33,814,3 /94 =++ gallbm/48,14 7,10 )33,8(98,682,294 = ++ Exemplo 2 • Deseja-se aumentar a densidade de uma pasta de cimento Classe H para 17,5 lb/gal. Calcule a quantidade de hematita que deve ser misturada a cada saco de cimento. A quantidade de água requerida é de 4,5 gal/saco de cimento e 0,36 gal/100 lbmde hematita. Exemplo 2 • Fazendo x representar a massa (lbm) de hematita por saco de cimento. • Volume total de água requerida: 4,5 + 0,0036(x) • Tabela 3.8: Densidade relativa do cimento=3,14 e Densidade relativa da hematita=5,02 • Densidade da pasta=17,5 lb/gal • Resolvendo a equação acima resulta em x igual a 18,3 lbm de hematita para cada saco de cimento de 94 lbm ( ) gallbm x x xx galV lbmm /5,17 0036,05,4 )34,8(02,5)34,8(14,3 94 )0036,05,4(34,894 )( )( = ú û ù ê ë é +++ +++ ==r Fabricação do Cimento • Matérias-primas- Calcário + argila + pequena quantidade de ferro, alumínio e silício • Britador primário + moinho de bolas- Pulverização e homogeneização do material - FARINHA • Pré-aquecimento • Forno Rotativo- 2600-3000 oF • Resfriamento - CLINQUER (material pelotizado) • Moinho de bolas- Pulverização + Adição de gesso (conferir resistência compressiva inicial) - Produto final Fabricaçãodo cimentoporvia seca Classificação do Cimento • Classificação API - 8 classes (Tabela 3.3 Bourgoine) • Mais comuns: A, B, C, G, H (Brasil) Água de mistura (gal/pe3) Peso da pasta (lb/gal) Prof. (ft) BHST (oF) A 5,2 15,6 0-6000 80-170 B 5,2 15,6 0-6000 80-170 C (res. inicial) 6,3 14,8 0-6000 80-170 D (retardado) 4,3 16,4 6-12000 170-260 E (retardado) 4,3 16,4 6-14000 170-290 F (retardado) 4,5 16,2 10-14000 230-320 G 5,0 15,8 0-8000 80-200 H 4,3 16,4 0-8000 80-200 Composição do Cimento • C3S- Alita- 3CaO SiO2 - hidratação rápida - resistência inicial - 45% • C2S - Belita- 2CaO SiO2 - hidratação lenta - resistência final - 35% • C3A - Aluminato- 3CaO Al2O3 - hidratação rápida - reação exotérmica - 15% • C4AF - Ferrita- 4CAO Al2O3 Fe2O3 - baixo calor de hidratação - pouca influência • Gesso • MgO Cimentação: Operação PREPARANDO A PASTA DE CIMENTO HOMOGENEIZANDO NA SUPERFÍCIE DESLOCANDO PARA DENTRO DO POÇO Cimentação típica emum estágio (Terra e PA) Cimentação típica em um estágio Cimentação típica em um estágio(NS ou SS) Cimentação Dimensionamento da Operação Utilização do programa CEMENT (Maurer) CEMENT has a logical program design and user-friendly input/output format. The first input page (Project) includes basic project information/documentation. Both forward and reverse circulationcan be modeled. The Survey page plots the plan and section views, as well as wellbore inclination and doglegs. Survey data describing the wellpath may be entered manually, imported, or copied from a spreadsheet. Casing/liner sizes through which the cement is pumped are entered on the Tubulars page. Wellbore geometry is entered on the Wellbore page. Excess cement can be modeled by increasing the wellbore ID. User-specified “Points of Interest" can be selected -- depths for which more detailed analyses will be performed. Of major concern during cementing are the dangers of fracturing the formation or of taking a kick. On the Formation page, each formation's pore and fracture pressure are entered (as either actual pressures or as pressure gradients). On the Fluids page, each cementing stage is described (lead cement, spacers, tail cement, etc.) with its own specific rheological properties, pump rates and schedules. After input data are entered, you can immediately view the results. Several of these output graphs are shown in the following slides. Note that the graph output can be either versus time (shown here) or volume pumped. One output graph shows flow rate over time. The blue line is flow rate in; the red line is flow rate out. Note the discrepancy betweenthe two rates during part of the operation. This is caused by free-fall. free fall The length of the free-fall column versus elapsed time is shown here. Note: this graph can also be displayed based on pumped volume (instead of time). In this pressure/time graph are shown formation fracture pressure, bottom-hole pressure (red), formation pore pressure (brown), and pump pressure (blue). Note that when free-fall occurs, the pump pressure is reduced to zero. Similarly, the program calculates equivalent circulating density(ECD) versus time at the preselected depth of interest. This graph can also be shown with volume instead of time. Pore, minimum and maximum fluid pressures, and fracture pressures are shown with depth. This graph immediately highlights lost- circulation/influx problems for the operation. The Flow Animation window is a powerful tool for quickly checking several aspects of job design. The planned operation is simulated at a speed anywhere between actual time to 2000 times faster. Avaliação da Cimentação Perfis: CBL, VDL 9 5/8” 7” 12 1/4” 8 1/2” Falha na Cimentação Falha na Cimentação: Correção através de squeeze Exemplo 3 • Deseja-se cimentar um revestimento com OD 13 3/8”, ID 12,415” com a sapata a 2500 pés. Uma junta de 40 pés será usada entre a sapata e o colar flutuante. Uma pasta de alta resistência será colocada nos primeiros 500 pés a partir do fundo. Uma pasta de baixa densidade cimentará o restante do poço (2000 pés). Calcule o volume das pastas e o número de sacos (94 lbm) necessários considerando um fator de excesso de 1,75. O diâmetro da broca da fase perfurada foi de 17”. • Pasta 1 (baixa densidade): composta por cimento Classe A misturado com 16% de bentonitae 5% de cloreto de sódio (por peso de cimento) e razão água/cimento de 13 gal/saco. • Pasta 2 (alta resistência): composta por cimento Classe A misturado com 2% de cloreto de cálcio (por peso de cimento) e razão água/cimento de 5,2 gal/saco. Exemplo 3 • Da Tabela 3.8: – Densidade relativa do cimento=3,14 – Densidade relativa da bentonita=2,65 • A salmoura de NaCl é formada adicionando-se 4,7 lbm [0,05(94)] de NaCl a 108,4 lbm [13(8,34)] de água. • A salmoura de CaCl2 é formada adicionando-se 1,88 lbm[0,02(94)] de CaCl2 a 43,4 lbm[5,2(8,34)] de água. • Interpolando nas Tabelas 2.3 e 2.4: – Densidade relativa do NaCl=1,0279 – Densidade relativa do CaCl2=1,0329 • Volume de cada componente da pasta 1 Componente Volume (pés3) Cimento 94/[3,14(62,4)] = 0,4797 Bentonita [0,16(94)]/[2,65(62,4)] = 0,0910 Salmoura [108,4+4,7]/[1,0279(62,4)] = 1,7633 Total=2,334 pés3/saco Exemplo 3 • Volume de cada componente da pasta 2 Componente Volume (pés3) Cimento 94/[3,14(62,4)] = 0,4797 Salmoura [43,4+1,88]/[1,0329(62,4)] = 0,7025 Total=1,182 pés3/saco • Área do anular: • Pasta 1: Usando um comprimento de 2000 pés e um excesso de 1,75: 0,6006(2000)(1,75)=2102 pés3 2102 pés3 / 2,334 pés3/saco = 901 sacos • Pasta 2: Usando um comprimento de 500 pés e um excesso de 1,75: 0,6006(500)(1,75) + (p/4)(40)(12,415)2 = 559,2 pés3 559,2 pés3 / 1,182 pés3/saco = 473 sacos • Volume total da pasta é: 2102 + 559,2 = 2661,2 pés3 • Total de sacos: 901 + 473 = 1374 sacos ( ) 222 6006,0375,1317 4 pésAa =-= p Laboratório de Cimentação: Equipamentos • preparação da pasta • peso específico (balança pressurizada) • tempo de espessamento: consistômetroatmosférico e consistômetropressurizado • perda de fluido (estático ou em agitação (stirred)) • resistência à compressão – Convencional: câmera de cura, moldes, etc. – UCA - Ultrasonic Cement Analyser • teor de água livre e teste do tubo decantador(BP test)) • reologia • testes especiais: permeabilidade, migração de gás e gel Preparação da Pasta • Equipamento: Waring Blender • 2 rotações: 4000 e 12000 rpm • Mistura da pasta (em geral, 600 ml) – 4000 rpmpor 15 s para adição do cimento e aditivos sólidos misturados ao cimento na água de mistura – 12000 rpmpor 35 s para efetiva mistura Preparação da pasta • Aditivos – sólidos - podem ser misturados a seco no cimento ou diretamente na água de mistura – líquidos - sempre misturados na água – ordem de adição é importante. Informação fornecida pela Cia de Serviço • Procedimentos específicos – certos tipos de aditivos: por exemplo, esferas ocas de vidro apresentam quebra acentuada no Waring Blender – simular situações especiais de campo (mesma energia de mistura): por exemplo operações através de coiled tubing Peso específico da pasta Equipamento: Balança pressurizada Tempo de Espessamento • Tempo de espessamento- tempo para atingir 100 UC - unidade de consistência (Bc - Bearden unit) - unidade do aparelho: consistômetroatmosférico ou pressurizado • UC é uma unidade adimensional diretamente ligada à viscosidade, entretanto sem uma relação direta • Tempo de bombeabilidade- tempo que a pasta permanece fluida (bombeável) em condições simuladas de poço (pressão e temperatura) – tempo para atingir 50 UC (PETROBRAS) ou 70 UC (várias outras Cias) • Temperatura: é considerado um fator crítico – BHCT - Bottom Hole Circulating Temperature – BHST - Bottom Hole Static Temperature Consistômetropressurizado • Copo rotativo (150 rpm) • Pá estacionária: mede torque (consistência) exercido na pá • Consistômetrotípico – Tmax= 400 oF – Pmax= 25000 psi • Schedule: programação de pressão e temperatura a que a pasta é submetida até o seu posicionamento final Consistômetroatmosférico • Mesmo princípio de funcionamento • Tempo de espessamento em condições de baixa temperatura (pouco usado) - por exemplo, água profunda e revestimento condutor e de superfície • Grande uso no processo de homogeneização da pasta para testes de perda de fluido, reologia, água livre, etc. Curva de ConsistometriaTípica Perda de Fluido Estático - BTAP • Semelhante ao utilizado para fluidos de perfuração • Peneira 325 meshsuportada por uma de 60 mesh(nãotem papel de filtro) • Pressão diferencial: 1000 psi • Perda de fluido em 30 minutos • Tmax= 180 oF • Homogeneização - consistômetroatmosférico Perda de Fluido Estático - ATAP • HTHP DP = 1000 psi • 1300 psino topo • 300 psina base • Tmax= 400 oF Perda de Fluido com Agitação StirredFluid Loss Cell • em condições de agitação (150 rpm) durante a fase de aquecimento (80oF até BHCT - Tmax= 400 oF); estático durante a filtração • evita a transferência da pasta do consistômetroatmosférico para o filtro prensa • mesmo conceito do filtro prensa estático Resistência à Compressão - Convencional • Molde: Cubo 2” • Câmera de Cura à pressão atmosférica - banho térmico - Tmax= 150 oF • Schedule- Câmara de cura- Pmax= 3000 psie Tmax= 400 oF • Após cura, banho de resfriamento • Prensa Hidráulica • Velocidade de aplicação de pressão controlada Resistência à Compressão - UCA - • UCA - Ultrasonic Cement Analyzer • Mede o tempo de trânsito (emissor - receptor) de uma onda ultra- sônica (freqüência muito alta - VHF) através da pasta em condições simuladas de temperatura e pressão • Ensaio não-destrutivo • Resistência ao longo do tempo - não é um ensaio pontual Teor de Água Livre • Problema crítico em poços inclinados- isolamento deficiente e migração de gás • Passa-se 250 mlde pasta de um consistômetroatmosférico para uma proveta • Mede o teor de água acumulada (sobrenadante) após 2 horas no topo da proveta, em geral, em posição vertical • Proveta inclinada (limitação - 45 graus) para medir a água livre em situações de trechos inclinados • Maiores inclinações: valor qualitativo • Temperatura ambiente ou Tmax= 180 oF (banho térmico - completa submersão da proveta) Grau de Sedimentação • Teste do tubo decantador- BP test • Tubo de 8” de comprimento por 1” de diâmetro • Após pega da pasta mede-se o rebaixamento do topo Reologia • Igual ao utilizado em fluidos de perfuração • Viscosímetro rotativo: q300, q200, q100, q6, q3 • Fluido de Bingham: VP, LE • Fluido de Potência: n’ e K’ Testes especiais (raramente realizados) • Permeabilidade (Lei de Darcy) – à água – ao ar • Migração de gás – Gas Flow Model- BJ – simula aplicação de três pressões: • hidrostática (1000 psi), • zona de gás de alta pressão (500 psi), • zona permeável de baixa pressão (300 psi). – mede o gás que atravessa a matriz de cimento com o tempo Cimentação em terra ou no Mar com lâmina d’água de até 500 m • Definição da temperatura é função do gradiente térmico • API Spec10 Águas Profundas: O que é diferente ? • Temperatura mais baixa: profundidade da água, correntes marítimas • Baixos gradientes de fratura: pequena espessura de sedimentos – utilizar fluidos leves: esferas de vidro, pastas nitrogenadas e pastas espumadas
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