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UNIVERSIDADE PETROBRAS 1 Revestimento e Cimentação Danilo da Costa Hora Melo – Engenheiro de Petróleo BEPF – Ramal.: 8225254 UNIVERSIDADE PETROBRAS UNIVERSIDADE PETROBRAS 2 Revestimento Funções da Coluna de Revestimento • Prevenir Desmoronamento • Evitar Contaminação de Água Potável • Permitir Retorno à Superfície • Controle de Pressões • Permitir Diferentes Tipos de Fluidos • Impedir Migração de Fluidos • Sustentar O ESCP • Sustentar Outro Revestimento • Isolar a Água da Formação Produtora • Alojar Equipamentos de Elevação Artificial • Confinar Produção Tipos Condutor (Pequena Prof.) Superfície (Sustenta ESCP) Intermediario (Zona Problemática) Produção Liner etc.... Condutor É o revestimento assentado a pequena profundidade (10 a 50 metros), com finalidade de sustentar sedimentos superficiais não consolidados. Pode ser assentado por cravação, por jateamento (no mar) ou por cimentação em poço perfurado. Os diâmetros típicos são: 30”, 20”, 13 3/8”. Superfície Com comprimento variando na faixa de 100 a 600 metros, visa proteger horizontes de água e prevenir desmoronamento de formações inconsolidadas. Serve para apoiar os equipamentos de segurança e os revestimentos subsequentes, é cimentado em toda sua extensão para evitar flambagem. Seus diâmetros típicos são: 20”, 18 5/8”, 16”, 13 3/8”, 10 3/4” e 9 5/8”. Intermediário Tem a finalidade de isolar e proteger zonas de alta ou baixa pressão, zonas de perda de circulação, formações desmoronáveis, formações portadoras de fluidos corrosivos ou contaminantes de lama. Seu assentamento é na faixa entre 1.000 e 4.000 metros. É cimentado somente na parte inferior ou, em alguns casos, em algum trecho intermediário. Seus diâmetros típicos são: 13 3/8”, 9 5/8” e 7”. Produção Tem como finalidade permitir a produção do poço, suportando os equipamentos necessários para tal fim, bem como permitindo o isolamento dos intervalos produtores. Seu emprego depende da ocorrência de zonas de interesse e tem como diâmetros típicos 9 5/8”, 7” e 5 1/2” Liner É uma coluna curta de revestimento que é descida e cimentada no poço visando cobrir apenas a parte inferior deste, o poço aberto. Seu topo fica ancorado no revestimento anterior e é independente do sistema de cabeça de poço. Seu uso é crescente devido a sua característica de economia, versatilidade e rapidez. Podendo ser usado em substituição do revestimento intemediário (liner de perfuração) e ao revestimento de produção (liner de produção). Diâmetros típícos: 13 3/8”, 9 5/8”, 7” e 5 1/2”. Scab Liner É um aumento de uma coluna de liner sem atingir a superfície, quando limitações técnicas exigirem a proteção de um trecho do revestimento anterior. Diâmetros típicos: 13 3/8”, 9 5/8”, 7” e 5 1/2”. Pode também ser colocado num trecho. Tie Back É a completação de uma coluna de liner até a superfície, quando limitações técnicas exigirem a proteção do revestimento anterior. Diâmetros típicos: 13 3/8”, 9 5/8”, 7” e 5 1/2”. Especificação • Comprimento da Seção (características) • Diâmetro Nominal • Peso Nominal • Grau do Aço • Tipo de Conexão • Range de Comprimento Comprimento da Seção É o comprimento total dos tubos idênticos que compõem a seção, considerados já enroscados, assim a soma dos comprimentos dos tubos será maior que esse valor tendo em vista a superposição do trecho das roscas. Opcionalmente pode ser informado o número de tubos. Diâmetro Nominal Usualmente expresso em polegadas, refere-se ao diâmetro externo do tubo. Para tubos de mesmo diâmetro nominal e espessura da parede diferente, varia-se o diâmetro interno. Os diâmetros mais usuais no Brasil são: 30”, 20”, 16”, 13 3/8”, 10 3/4”, 9 5/8”, 7” e 5 1/2”. Outros de menor utilização são: 26”, 18 3/4”, 15”, 11 3/4”, 8 5/8”, 7 5/8”, 6 5/8”, 5” e 4 1/2”. Peso Nominal Indica o peso por unidade de comprimento do tubo, usualmente expresso em lb/pé ou kg/m. O valor leva em consideração o peso das conexões distribuído. Opcionalmente pode ser adotada a espessura do tubo. O API limitou a 12,5% a tolerância na espessura da parede de tubos de revestimento. API – Vários tipos de Peso 2pol4,3lb/pé A polpol69,10lb/pé ttDpe 20722,0polpol69,10lb/pé DttDn Peso Nominal (nominal weight) para identificação - tubo de 20 pés com conexão Peso do Tubo (plain end weight) peso do tubo sem as conexões ( ) ou Peso Enroscado (threaded and coupled weight) peso real – tubo de 20 pés com conexão pontasnasremovidopesoluvapeso 2 20 20 1 lb/pé J NL pe 20 pontasnasremovidopesoreforçopeso lb/pé pe Grau do Aço Para atender à grande variedade de situações existem tubos com diferentes resistências e limitações. O API padronizou os graus H-40, J-55, K-55, C- 75, N-80, L-80, C-95 e P-110. A letra não tem significado especial, mas o valor a seguir indica a tensão de escoamento mínima do tubo em 1.000 psi. Não API – X-52, P-105, Q-125, S-135, V-150, etc. (Letra e número não tem significado – Critério Próprio) Grau do Aço Propriedades Mecânicas (psi) Tensão de Escoamento Ruptura Mínima Média Máxima Mínima H-40 40.000 50.000 - 60.000 J-55 55.000 65.000 80.000 75.000 K-55 55.000 75.000 80.000 95.000 C-75 75.000 85.000 90.000 95.000 N-80 80.000 90.000 110.000 100.000 C-95 95.000 100.000 110.000 105.000 P-110 110.000 125.000 140.000 125.000 Código de Cores Grau Cor da Luva K-55 Verde J-55 Verde + Faixa branca N-80 Vermelha L-80 Vermelha + Faixa marrom C-95 Marrom T-95 Cinza P-110 Branca Conexões dos revestimentos Promovem a união, através do enroscamento, entre juntas subsequentes que serão descidas no poço, devendo ser projetadas para: Resistir à tração e compressão devido aos esforços de peso próprio e temperatura Resistir ao vazamento dos fluidos contidos no poço Resistir ao dobramento em poços direcionais. Possibilitar a passagem pelo interior dos revestimentos anteriores e do poço aberto Tipo de Conexão A conexão entre tubos pode ser feita por encaixe ou por enroscamento (integral – luva). O encaixe por conector (Squench Joint) é utilizada exclusivamente em tubos de grande diâmetro (30’) em perfuração marítima. (Vedação borracha) Já o API padronizou 3 tipos de rosca: Conexão 8 fios, Conexão Buttress e Conexão Extreme-Line. Várias Proprietárias – Maior Custo Rosca Encaixe 8 Fios Buttress Extreme Line Rosca 8 fios Perfil em V – Luva curta (STC) e Luva Longa (LTC) STC - Short thread and coupled LTC - Long thread and coupled Problema de Pullout Tração favorece vazamento Buttress – BC ou BTC Perfil Trapezoidal – Luva Regular e Luva Especial (SC) SC - Special clearance – Diâmetro reduzido Eficiência mínima de 100% Extreme Line - XL Integral; Perfil Trapezoidal, vedação metal-metal Conexões API API – São conexões fabricadas segundo especificações da norma API- 5B A única conexão API de revestimento ainda em uso na Petrobras é a Buttress. Vantagens: Facilidade de operação Facilidade de construção Desvantagens: A vedação se dá somente pela ação da graxa entre os filetes de rosca. Torque PRESSÃO EXTERNA A ROSCA NÃO É SELOA ROSCA NÃO É SELOROSCASROSCAS API API PERMITEM PASSAGEM SOB PERMITEM PASSAGEM SOB PRESSÕES EXTERNAS/INTERNASPRESSÕES EXTERNAS/INTERNAS PRESSÃO INTERNA E COLAPSO Conexões Premium Fabricadas segundo especificações particulares dos fabricantes: Ex.: Vam-Top (Vallourec), Supreme-Lx (Hydrill) Resistências superiores aos valores API. Vedação metal-metal fornece maiores resistências. Elevada resistência ao dobramento. Requer controle de torque na conexão. Quanto ao seu diâmetro externo, as conexões premium podem ser: Regular – O diâmetro externo é proximo da conexão equivalente Buttress Flush – O diâmetro externo é praticamente igual ao do corpo do tubo, sendo indicadas par projetos de poços com espaço anular reduzido Range de Comprimento O API estabeleceu 3 range de comprimento. Range Comprimento (m) Var. Max. 85% (m) Comp. Min. 95% (m) 1 4,9 a 7,6 1,8 5,5 2 7,6 a 10,4 1,5 8,5 3 Maior 10,4 1,8 11,0 TUBOS DE REVESTIMENTO Qual o Grau??? O que é, que é??? 900 m; 9 5/8” OD; 47 lb/pé; P-110; But; R-3 Comprimento da secção Diâmetro externo médio Grau do Aço Peso Nominal Rosca Buttress Comprimento do tubo Acessórios do Revestimento Centralizadores São peças de aço fixadas externamente a coluna de revestimento, visando sua centralização. Tampões Os tampões são feitos de borracha, normalmente são utilizados dois, o de fundo e o de topo, com o objetivo de evitar a contaminação da pasta. Arranhador O arranhador tem a função de remover mecanicamente o reboco que se forma na parede do poço. Descida do Revestimento Um a um, com elevador próprio, e cunha (spider) própria Descida do Revestimento Descida do Revestimento UNIVERSIDADE PETROBRAS 39 Cimentação 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Acessórios de cimentação 7. Cálculos de sistemas de pastas 8. A operação de cimentação AGENDA 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Acessórios de cimentação 7. Cálculos de sistemas de pastas 8. A operação de cimentação AGENDA CIMENTAÇÃO PRIMÁRIA Objetivo • Preencher o espaço entre o revestimento e a parede do poço logo após a descida do revestimento. Funções • Prover o isolamento hidráulico entre as diferentes zonas permeáveis; • Suportar a coluna de revestimento; • Proteger o revestimento contra fluidos agressivos. CIMENTAÇÃO PRIMÁRIA Envolve: • Determinar que parte do poço aberto precisa ser cimentado; • Seleção do tipo de cimento; • Seleção dos equipamentos de cimentação; • Determinação da necessidade de colchões espaçadores; • Calcular o volume do cimento e dos colchões; • Determinar os procedimentos de deslocamento dos fluidos (remoção da lama). CIMENTAÇÃO SECUNDÁRIA Definição • Operações emergenciais de cimentação que visam permitir a continuidade das operações. Tipos • Recimentação ou squeeze: Destina-se a corrigir a cimentação primária, quando há necessidade. • Tampões: Para abandono do poço ou para isolamento de zonas inferiores, algumas vezes durante a perfuração pode ser usada no combate de perda de circulação. 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Cálculos de sistemas de pastas 7. A operação de cimentação AGENDA • Classificação API - 8 classes • 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 6-10000 170-260 E (retardado) 4,3 16,4 10-14000 170-290 F (retardado) 4,5 16,2 10-16000 230-320 G 5,0 15,8 0-8000 80-200 H 4,3 16,4 0-8000 80-200 CLASSIFICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND CIMENTO PORTLAND – CLASSE G Definição conforme descrito na norma NBR-9831 da ABNT, de julho de 1993, qual seja: "Aglomerante hidráulico obtido pela moagem de clínquer Portland, constituído em sua maior parte por silicatos de cálcio hidráulicos e que apresenta características especiais para uso em poços de petróleo até a profundidade de 2440 m, assim como produzido. A única adição permitida durante a moagem nestes dois tipos de cimento é a de gesso”. FABRICAÇÃO DO CIMENTO (1) Matérias-primas Calcário + argila + (pequena quantidade de ferro e alumínio) 1. Dosagem - Ensaios químicos; 2. Britador primário + moinho de bolas - Pulverização e homogeneização do material – “farinha”; 3. Silos homogeneizadores – Correção da composição e granulometria da “farinha”; Matéria-prima “Farinha” 4. Forno rotativo inclinado (até 1500ºC)– tratamento térmico da farinha – clínquer; “Clínquer – Material pelotizado de granulação variável resultante do tratamento térmico da farinha” FABRICAÇÃO DO CIMENTO (2) CLÍNQUER DO CIMENTO PORTLAND C3S - Alita - 3CaO.SiO2 - hidratação rápida - resistência inicial – (45-70% concentração) C2S - Belita - 2CaO.SiO2 - hidratação lenta - resistência final – até (10-35% concentração) C3A - Celita - 3CaO.Al2O3 - hidratação rápida – maior calor de hidratação – até 15% C4AF - Ferrita - 4CaO.Al2O3. Fe2O3 - pouca influência na resistência mecânica – resistência à corrosão química Matéria-prima Clínquer 5. Moagem com adição de gesso (3 a 5%) – o gesso (gipsita) serve para impedir a hidratação descontrolada do C3A que causaria a “falsa pega”; 6. Pulverização; 7. Armazenagem; FABRICAÇÃO DO CIMENTO (3) HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND (1) Hidratação dos Silicatos 2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH 2C2S + 4H C3S2H3 + CH C3S2H3 : “gel C – S – H” ou gel de tobermorita – principal aglomerante do cimento endurecido Taxa de hidratação do C3S é rápida e forma grande quantidade de gel C-S-H início da pega e resistência compressiva inicial Hidratação dos Aluminatos Apesar da menor quantidade, influencia a reologia da pasta e resistência inicial do cimento endurecido Hidratação dos Aluminatos não forma gel “protetor” hidratação seguiria incontrolada Controle da hidratação: adição de gesso (3% a 5%) ao clínquer Gesso + C3A mineral etringita precipita na superfície do C3A retardando a hidratação HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND (2) Estágios do Mecanismo de Hidratação do Cimento HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND (3) Taxa de hidratação durante a pega acelera rapidamente Taxa de hidratação e resistência compressiva reduzem com o tempo Efeito da Temperatura HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND (4) DADOS RELATIVOS A UM SACO DE CIMENTO PROPRIEDADES Saco Brasileiro Saco Americano Peso 50 kg 94 lb Volume Aparente 33,1 dm3 1 pé3 Volume de Sólidos (“absolute volume") 15,92 dm3 0,48 pé3 Massa Específica (absolute density") 3,14 kg/dm3 195,83 lb/pé3 Densidade Relativa (“specific gravity") 3,14 3,14 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Acessórios de cimentação 7. Cálculos de sistemas de pastas 8. A operação de cimentação AGENDA Denomina-se “aditivos” os produtos e compostos químicos adicionados à pasta de cimento visando sua adequação ao uso específico previsto; Os aditivos para cimentação podem ser fornecidos em pó ou líquido; Quando em pó sua dosagem é sempre dada em percentagem do peso do cimento – à exceção do sal, cuja dosagemé dada em percentagem do peso da água - enquanto os líquidos são dosados por volume, usualmente em galões/pé3 ou gpc, que significa galões de aditivo por pé3 de cimento. ADITIVOS PARA CIMENTAÇÃO Aceleradores Retardadores Estendedores - aditivos de baixo peso Adensantes Dispersantes Redutores de filtrado Aditivos especiais: - materiais de combate a perda de circulação; para cimentação em zonas de sal; anti-retrogressão da resistência compressiva; anti-migração de gás PRINCIPAIS CLASSES DE ADITIVOS A classificação é feita de acordo com a aplicação. ACELERADORES Aumentar o desenvolvimento de resistência compressiva inicial; Reduzir o tempo de espessamento; Recomendações gerais quanto a resistência compressiva: - para suportar o revestimento e isolar zonas: 100 psi - reiniciar a perfuração: 500 psi - canhoneio: 500 - 2000 psi - tampão de desvio: 2500 psi CaCl2 - mais comum (2 – 4% BWOC); NaCl – (1-10%) ou (20-25%) BWOW acelerador – pode agir como retardador; Água do mar - pequeno efeito. Retardar o tempo de espessamento para permitir o correto posicionamento da pasta de cimento; Aditivos: - Lignossulfonatos e açúcares; - Lignito - mais comum e efetivo; - Salmoura de NaCl saturada; - CMHEC - carbometil hidroxi-etil celulose - retardador e controlador de filtrado. RETARDADORES ESTENDEDORES – ADITIVOS DE BAIXO PESO (1) Reduzir a densidade/aumentar rendimento da pasta de cimento - Zonas de baixo gradiente de fratura - Dano à formação (+ adequado controle de filtrado) - ECONOMIA (pasta de alto rendimento) Cimento classe G - pasta pura - 15,8 lb/gal - Solução: aumentar a proporção de água - problema de água livre, decantação (sólidos suspensos) e resistência da pasta Solução definitiva: aditivos que “absorvam” água Bentonita - mais comum e econômico - pasta de “enchimento”; Silicatos - bastante eficientes - requerem bastante água de mistura. Tende a reduzir o efeito de retardadores e controladores de filtrado; Perlita - material vulcânico de baixo peso - material poroso que absorve bastante água - problemas de quebra e aumento do peso em condições de fundo de poço; Microesferas ocas - baixo peso específico - problemas de quebra e aumento do peso em condições de fundo de poço N2 - pastas espumadas - parâmetro importante: QUALIDADE DA ESPUMA (peso da pasta) é variável em função da pressão ao longo do poço. Problemas com a permeabilidade da pasta. ESTENDEDORES – ADITIVOS DE BAIXO PESO (2) ESTENDEDORES – ADITIVOS DE BAIXO PESO (3) ESTENDEDORES – EXEMPLO 1 Pasta de cimento classe A Determinar volume de água e rendimento da pasta para um saco de 94 lb. Qual a densidade da pasta obtida? Dados API: 46% fator água-cimento(classe A) Densidade do cimento: 3.14 1 pé3 = 7,4805 gal ESTENDEDORES – EXEMPLO 1 Solução • Volume de Água → 0,46 * 94 lb = 43,24 lb → 43,24 lb / (8,33 lb/gal) = 5,1908 ~ 5,2 gal • Rendimento da Pasta (R = Vpasta / pé 3 de cimento) → Vcimento = 94 lb / (3,14 * 8,33 lb/gal) ~ 3,6 gal → R = (3,6 + 5,2) / pé3 de cimento → R = 8,8 gal / pé3 de cimento → R = 1,17 pé3 de pasta / pé3 de cimento ESTENDEDORES – EXEMPLO 1 Solução • Densidade da pasta (ρpasta = Mpasta / Vpasta) → ρpasta = (94 + (5,2*8,33)) / 8,8 → ρpasta = 15,6 lb/gal Pasta de cimento classe A + 3% bentonita Determinar volume de água e rendimento da pasta para um saco de 94 lb. Qual a densidade da pasta obtida? Dados API: 46% fator água-cimento (classe A) + 5,3% para cada 1% de bentonita Densidade da bentonita: 2,65 ESTENDEDORES – EXEMPLO 2 ESTENDEDORES – EXEMPLO 2 Solução • Volume de Água → 46% fator água de mistura (classe A) + 5,3% para cada 1% de bentonita → 0,619 * 94 lb = 58,186 lb → 58,186 lb / (8,33 lb/gal) = 6,98 ~ 7 gal • Rendimento da Pasta (R = Vpasta / pé 3 de cimento) → Vcimento = 94 / (3,14 * 8,33) ~ 3,6 gal → Vbentonita = 0,03 * 94 / (2,65 * 8,33) ~ 0,13 gal → Vágua = 7 gal ESTENDEDORES – EXEMPLO 2 Solução (continuação) → R = (3,6 + 0,13+7) / pé3 de cimento → R = 10,73 gal / pé3 de cimento → R = 1,43 pé3 de pasta / pé3 de cimento • Densidade da pasta (ρpasta = Mpasta / Vpasta) → ρpasta = (94 + 0,03*94 + (7*8,33)) / 10,73 → ρpasta = 14,5 lb/gal DISPERSANTES Reduzir a viscosidade da pasta (permite o afinamento da mesma) e propiciar melhor vazão de deslocamento (aumento da eficiência de deslocamento); Fluxo turbulento em menores vazões de deslocamento; Controle da reologia na superfície e à BHCT; Aditivos: - Diversos polímeros; - Maioria dos retardadores e aditivos controladores de filtrado; - Sal de polinaftaleno sulfonato de sódio (PNS) CONTROLADORES DE FILTRADO A perda de fluido para zonas permeáveis adjacentes causa: - Dano à formação; - Problemas de desidratação da pasta - perda de propriedades ao longo do deslocamento; Os redutores/controladores de filtrado atuam: - Aumentando a viscosidade da fase líquida da pasta; - Reduzindo a permeabilidade do reboco da pasta; - Geralmente são polímeros, ex.: celulose, álcool polivinílico. Recomendações práticas/referências: - Pasta para cimentação de produção - 50 - 100 cc/30 minutos; - Pasta para zonas de gás/migração de gás - < 50 cc/30 minutos. - Pasta sem controle de filtrado - ≥ 300 cc/30minutos Controle da pressão de poros da formação; Peso máximo = 20 lb/gal (sérios problemas de reologia, decantação, mistura na superfície, etc.); Alta resistência à compressão devido baixa; quantidade de água; Aditivos: - Hematita - S.G. = 5,1; - Baritina - Mais comum - S.G. = 4,2 - problema: necessita água de mistura - menor peso que pastas com hematita; - Pastas salinas - aumento de até 1 lb/gal. ADENSANTES ADENSANTES – EXEMPLO 3 Pasta de cimento classe G + baritina Deseja-se rpasta = 17,5 lb/gal Determinar massa de baritina para misturar a um saco de 94 lb. Dados: API: 44% fator água-cimento (classe G) + 2,4 gal/saco de 100 lbm de baritina Densidade da baritina = 4.2 ADENSANTES – EXEMPLO 3 Solução Deseja-se : rpasta = 17,5 lb/gal Mas ρpasta = Mpasta / Vpasta • Massa da Pasta → Cimento = 94 lb → Água = 0,44*94 + 0,199 m → Baritina = m • Volume da Pasta → Cimento = 94 / (3,14 * 8,33) ~ 3,6 gal → Água = 41,36/8,33 + 2,4*m/100 → Baritina = m/(4.2*8,33) ADENSANTES – EXEMPLO 3 Solução (continuação) → 17,5 = (94 + 41,36 + 0,2 m + m) (3,6 + 0,02858 m + 5 + 0,024 m) → m = 53 lb / 94 lbm de cimento ADITIVOS ESPECIAIS: COMBATE À PERDA DE CIRCULAÇÃO Selar as zonas de perda tais como zonas inconsolidadas e fraturas; Material altamente dependente do tipo da perda; Aditivos: - Materiais de combate a perda semelhante aos utilizados em fluidos de perfuração - preenchimento do espaço poroso - casca de nozes, perlita, materiais fibrosos (polímeros inertes como nylon) e floculados (celofane e similares), etc; - Pasta tixotrópica - desenvolvimento de alto gel em condições estáticas por um curto período de tempo; -“Pastas leves” - combate - prevenção ou diminuir problema. Tendência da perda gradual de resistência da pasta curada em temperaturas (BHST) > 230 oF Aumento da permeabilidade da pasta curada Formação de fases instáveis do cimento - Silicato de cálcio hidratado - Alfa silicato dicálcio hidratado Adição de Sílica - 30 - 40% - Usual: 35% Formação de fases estáveis do cimento - Tobermotita - Truscottlita - Xonolita ADITIVOS ESPECIAIS: AGENTE ANTI-RETROGRESSÃO ADITIVOS ESPECIAIS: AGENTE ANTI-MIGRAÇÃO DEGÁS (1) Migração pode ser causada por canalização dentro da pasta devido a má remoção da lama ou sedimentação (instabilidade da pasta) Indução de fluxo de gás por desequilíbrio hidrostático Filtrado alto Redução da hidrostática do cimento durante hidratação Redução da hidrostática do cimento durante gelificação (SGS – Static Gel Strength) Aditivos para diminuir a permeabilidade da matriz da pasta (látex) durante gelificação e redutores de filtrado ADITIVOS ESPECIAIS: AGENTE ANTI-MIGRAÇÃO DE GÁS (2) 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Cálculos de sistemas de pastas 7. A operação de cimentação AGENDA TESTES DE LABORATÓRIO Sempre que se realiza uma operação de cimentação, há certas perguntas que são necessárias antes de iniciar o trabalho: A pasta de cimento permanecerá fluida pelo tempo necessário para colocá-la na posição correta? O cimento alcançará uma resistência compressível adequada em um tempo razoável? A pasta de cimento é compatível com a lama presente no poço? A operação causará dano à formação produtora? Para responder a essas perguntas existem alguns testes padrões do API (complementados pelo PROCELAB) para medir algumas propriedades da pasta de cimento e do cimento endurecido. DADOS BÁSICOS PARA TESTES Geometria do poço; Correta configuração do espaço anular Dados sobre formações a serem cimentadas: Pressão de poros e pressão de fratura Presença de gás ou sal? Temperatura Fundo do poço BHST (Bottom Hole Static Temperature) BHCT (Bottom Hole Circulating Temperature) TCCT (Top of Cement´s column Circulating Temperature) Pasta com retardadores – Deve-se assegurar TCCT >BHCT PREPARAÇÃO DA PASTA Equipamento: Waring Blender 2 rotações: 4000 e 12000 rpm Mistura da pasta (em geral, 600 ml) - 4000 rpm por 15 s para adição do cimento e aditivos sólidos misturados ao cimento na água de mistura - 12000 rpm por 35 s para efetiva mistura PREPARAÇÃO DA PASTA Conceito de água de mistura (água + aditivos) 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 Companhia de Serviço. Procedimentos específicos – certos tipos de aditivos: por exemplo, esferas ocas de vidro - quebra acentuada no Waring Blender – simular situações especiais de campo (mesma energia de mistura): ex., pré-mistura da pasta e operações de cimentação através de coiled tubing TESTES COMUMENTE REALIZADOS Peso específico (balança pressurizada); Tempo de espessamento (Consistômetro atmosférico ou Consistômetro pressurizado); Perda de fluido (estático ou em agitação (stirred)); Reologia; Estabilidade da pasta (Teor de água livre e Teste do tubo decantador (BP test) ); Resistência à compressão (Convencional (Câmara de Cura, Moldes, etc.) e UCA - Ultrasonic Cement Analyser); Testes especiais: Permeabilidade, Migração de Gás e Gel. PESO ESPECÍFICO DA PASTA Equipamento: Balança pressurizada A pasta é pressurizada por meio de uma seringa, previamente cheia de pasta, para eliminar a influência de bolhas de ar retidas na amostra. Balança Pressurizada Balança Convencional TEMPO DE ESPESSAMENTO Conhecido também como tempo de pega - intervalo de tempo durante o qual a pasta ainda pode ser bombeada, nas condições de pressão e temperatura antecipadas para o poço. Consistência é medida em unidades Bearden (Bc) ou unidades de consistência (Uc). Uc é uma unidade adimensional, relacionada a viscosidade, entretanto sem uma relação direta. O fim do tempo de espessamento é definido quando a pasta de cimento atinge 100 Uc. Entretanto, foi definido o tempo de bombeabilidade quando a pasta atingir 50 Uc. Consistômetro Pressurizado Copo rotativo (150 rpm) com pá estacionária: mede torque (consistência) exercido na pá, a partir da deformação da mola ligada à mesma. - Tmax = 400 oF/Pmax = 25000 psi Schedule: programação de P e T a que a pasta é submetida até o seu posicionamento final. Consistômetro Atmosférico - tempo de espessamento em condições de baixa temperatura (pouco usado) - por exemplo, água profunda e revestimento condutor/superfície Grande uso no processo de homogeneização da pasta para testes de perda de fluido, reologia, água livre, etc. COPO CONSISTÔMETRO DESMONTADO Curva de Consistometria Típica O comportamento ideal da pasta de cimento deve ser uma consistência inicial entre 10 e 30 Uc, permanecendo abaixo de 40 Uc por 75% do tempo do teste, com crescimento agudo ao final. A tangente à curva deve ser praticamente vertical quando ao curva atinge a consistência de 100 Uc. PERDA DE FLUIDO ESTÁTICO - BTAP O teste de filtrado procura medir a desidratação da pasta no fundo do poço, semelhante ao utilizado para fluidos de perfuração. Primeiro a pasta passa pelo consistômetro pressuridado – Schedule P e T pré-definido. Em seguida, a pasta é transferida para o filtro-prensa onde a perda de fluido é registrada em 30 minutos. Para tempos inferiores a 30 minutos pode extrapolar a perda de fluido pela expressão Q30 = 5,447 Qt / (t) 1/2 FILTRO-PRENSA ΔP = 1000 psi Peneira 325 mesh sobre 60 mesh Tmax = 180 oF PERDA DE FLUIDO ESTÁTICO - ATAP FILTRO-PRENSA HTHP DP = 1000 psi 1300 psi no topo 300 psi na base (condensador) Tmax = 400 oF CÉLULA PARA MEDIÇÃO DO FILTRADO API DESMONTADA REOLOGIA Consiste na obtenção das leituras em viscosímetros Fann a partir das quais é feito o estudo do regime de fluxo e do modelo reológico a adotar para o deslocamento. Esse viscosímetro rotativo é igual ao utilizado em fluidos de perfuração e mede a tensão de cisalhamento em presença de diversas taxas de deformação em rotacões selecionadas (600, 300, 200, 100, 6 e 3 rpm) Fluido de Bingham: VP, LE ou Potência: n’ e K’ Gi e Gf 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Temperatura, oC P ro f. a b a ix o d o B O P , m Grad. Geotérmico (1,5 oF/100 ft) Lama da Coluna Lama do Anular q= 300 gpm q = 600 gpm PERFIS DE TEMPERATURA DE CIRCULAÇÃO REÔMETRO ROTATÓRIO COM COPO PARA ALTA TEMPERATURA REÔMETRO ROTATÓRIO COM CALIBRADORES PARA AS MOLAS ESTABILIDADE DA PASTA Problema crítico em poços inclinados - isolamento deficiente e migração de gás Em uma proveta de 250 ml em condições estáticas, mede o teor de água acumulada (sobrenadante) após 2 horas no topo da proveta Em geral, proveta vertical selada. Existem provetas inclinada (limitação - 45 graus) para avaliar a água livre em poços direcionais. Testes à temperatura ambiente ou Tmax = 180 ºF (banho térmico - completa submersão da proveta) O teor de água livre é limitado pelo API em 3,5 ml, o que equivale a uma porcentagem de 1,4% de água, em relação ao peso do cimento. Teor de Água Livre PROVETA DE 250 ML PARA MEDIÇÃO DO TEOR DE ÁGUA LIVRE. ESTABILIDADE DA PASTA Grau de Sedimentação Cilindro de Cobre Bipartido para Teste de Sedimentação Teste do tubo decantador - BP test Tubo de 8” de comprimento por 1” de diâmetro Após pega da pasta, são medidos rebaixamento do topo diferença do peso entre o topo e a base da amostra RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO - MOLDE São testes que medem o esforço necessáriopara romper corpos de prova moldados em condições que simulem as do fundo do poço. Os corpos de prova são preparados em moldes padronizados e deixados em câmara de cura. Molde - Cubo 2” A variação da temperatura e pressão na câmara de cura é controlada segundo schedules ou listagens em função do tempo. Cura à pressão atmosférica - banho térmico - Tmax = 150 oF Schedule - Câmara de cura - Pmax = 3000 psi e Tmax= 400 oF Após cura, a amostra pbanho de resfriamento Câmara de Cura RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO - CURA Aplica carga uniaxial com velocidade controlada até romper e calcula-se então a resistência do corpo-de- prova com base na área real da amostra Os testes são realizados a tempos padronizados 8, 24, 48 e 72 horas. A resistência à compressão mínima a 8 horas de cura varia de 300 a 1500 psi para o cimento classe G, a depender da natureza da operação. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO - TESTES Prensa Hidráulica Testes não destrutivo, que interpreta continuamente o crescimento da resistência à compressão através de atenuação sonora, pela emissão de ondas de ultra-som e análise de sua recepção. 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; Resistência ao longo do tempo - não é um ensaio pontual; RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO - TESTES UCA – Ultrasonic Cement Analyser Resistência à Compressão - UCA CÉLULA DO UCA 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Acessórios de cimentação 7. Cálculos de sistemas de pastas 8. A operação de cimentação AGENDA Para que seja realizada uma cimentação são necessários diversos equipamentos, para armazenagem do cimento, seu transporte, preparação dos aditivos, mistura da pasta e seu deslocamento ao poço. Os principais deles são: EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO Silos de cimento; Unidades de cimentação; Linhas de cimentação; Cabeça de cimentação Para as operações de perfuração em terra em geral o cimento é estocado na base da companhia de cimentação, em grandes silos, sendo enviado para a sonda por meio de carretas apropriadas. EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO Silos de Cimento Nas plataformas marítimas são disponíveis silos para armazenamento de cimento e outros materiais a granel. Durante a operação de cimentação o cimento é transferido gradualmente dos silos de armazenamento para um silo menor, denominado “surge tank” ou “cebolinha”, próximo à unidade de cimentação. EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO Silos de Cimento Montadas em caminhões para operações em terra ou sobre skids em sondas marítimas, as unidades de cimentação constam geralmente de: – dois motores para fornecer energia; – dois tanques de 10 bbl cada, para a água e aditivos; – duas bombas triplex; – bombas centrífugas auxiliares – um sistema de mistura de pasta EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO Unidades de Cimentação A proporção da água injetada determinará a densidade da pasta e é controlada pelo operador. EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO Linhas de Cimentação A ligação entre a unidade de cimentação e o poço é feita por tubulação de alta pressão, formada por uma série de tubos curtos interligados por meio de conexões móveis (chicksan) dotadas de rolamento para possibilitar montagem até qualquer posição que fique o topo do revestimento. Atualmente há a tendência de utilização de mangueiras especiais de borracha, mais práticas. EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO Cabeça de Cimentação Equipamento de superfície - enroscado no tubo de revestimento ou na coluna de assentamento Ligação entre o sistema de circulação de fluidos da sonda e a coluna de revestimento a ser cimentada Alojador dos plugs de topo e fundo Pino de segurança de liberação do plug EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO Cabeça de Cimentação 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Acessórios de cimentação 7. Cálculos de sistemas de pastas 8. A operação de cimentação AGENDA ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO Sapata Colar Plugs de topo e fundo Centralizadores Arranhadores e raspadores Colar de Estágio ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO Sapata Sapata Guia ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO Colar ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO Plug de Topo e Fundo ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO Centralizadores ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO Arranhadores e raspadores Reciprocação Rotação Colar de estágio ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO Colar de Estágio Longo intervalo a ser cimentado - cimentação em ETAPAS Economia global da operação (pasta de cimento + tempo de sonda + …); Problemas de fratura da formação - diminuir hidrostática exercida pela pasta de cimento. Cimentação em 2 estágios 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Acessórios de cimentação 7. Cálculos de sistemas de pastas 8. A operação de cimentação AGENDA Cálculos Básicos de Cimentação - Volume • Capacidade - poço aberto (D), revestimento (ID), etc. bbl/m = 0,0031871 D2 pe3/m = 0,0178942 D2 • Capacidade anular - poço aberto vs. revestimento (OD), etc. bbl/m = 0,0031871 (D2-OD2) pe3/m = 0,0178942 (D2-OD2) • Volume da pasta de cimento. – Pasta 1 e Pasta 2. – volume anular - topo do cimento, profundidade da sapata, diâmetro do poço (caliper, excesso) e diâmetro externo do revestimento. – volume interno sapata-colar: distância sapata-colar e ID do revestimento. Pasta de Cimento - Definições básicas • Concentração de aditivos – sólidos: expresso em %BWOC (by weight of cement), isto é, em relação ao peso do cimento. Exceção : NaCl - %BWOW (by weight of water). • Misturados a seco (por exemplo, sílica) • Misturados na água de mistura (maioria dos aditivos) – líquido: expresso em galões por pe3 de cimento (gpc). • Rendimento da pasta de cimento: Volume da pasta produzido por volume de cimento. Expresso em pe3 de pasta/pe3 de cimento. Cálculos Básicos de Cimentação Peso da pasta de cimento: Relação entre peso e volume da pasta. Expresso em lb/gal. Fator água-cimento: Relação, em peso, entre a água doce e /ou do mar e o cimento. É expresso em percentual. Fator água de mistura: Ou simplesmente água de mistura. É o volume total de água doce e/ou do mar e os demais aditivos nelas dissolvidos e/ou dispersos por cada pé cúbico de cimento, expresso em galões por pé cúbico de cimento(gpc). Cálculos Básicos de Cimentação Cálculo de Sistemas de Pastas Determinar as propriedades da pasta (rendimento, fator água/cimento e fator água de mistura/cimento) e as quantidades dos produtos utilizados na fabricação de 50 pés3 de pasta de cimento, de 15,9 lb/gal, com os aditivos abaixo listados. Obs: Aditivos da DOWEL, HALLIBURTON e BJ utilizados numa mesma pasta somente para efeito didático. Água doce e água do mar utilizadas em igual proporção; Aditivos: • 0,1 gpc de D080LB (Anti-espumante); • 0,1 gpc de A-3LB (Estendedor); • 2% de cloreto de sódio; • 0,3% de HALAD-9 (Controlador de filtrado - aditivo sólido adicionado/misturado à água); • 35% de sílica (agente anti-retrogressão). CÁLCULO PARA 1 SACO DE CIMENTO (94 lb) PRODUTO PESO (lb) VOLUME ABSOLUTO (gal/lb) VOLUME (gal) Cimento 94 0,0382 Água V% a 0,1199 Água do mar X% d = a 0,1176DO80LB 0,1gpc 0,1017 0,1 A-3LB 0,1gpc 0,0848 0,1 NaCl 2% 0,02.a 0,0553 HALAD-9/B1 0,3% 0,0975 Sílica 35% 0,0453 SOMATÓRIO t u PRODUTO PESO (lb) VOLUME ABSOLUTO (gal/lb) VOLUME (gal) Cimento 94,0000 0,0382 3,5908 Água V% a 0,1199 0,1199.a Água do mar X% d = a 0,1176 0,1176.a DO80LB 0,1gpc 0,9833 0,1017 0,1000 A-3LB 0,1gpc 1,1792 0,0848 0,1000 NaCl 2% 0,02.a 0,0553 0,0011.a HALAD-9/B1 0,3% 0,2820 0,0975 0,0275 Sílica 35% 32,9000 0,0453 1,4904 SOMATÓRIO t u a = 25,3333 gal/lb9,15 u t a.2386,03087,5u a.02,23445,129t CÁLCULO PARA 1 SACO DE CIMENTO (94 lb) PRODUTO PESO (lb) VOLUME ABSOLUTO (gal/lb) VOLUME (gal) Cimento 94,0000 0,0382 3,5908 Água V% 25,3333 0,1199 3,0375 Água do mar X% 25,3333 0,1176 2,9792 DO80LB 0,1gpc 0,9833 0,1017 0,1000 A-3LB 0,1gpc 1,1792 0,0848 0,1000 NaCl 2% 0,5067 0,0553 0,0280 HALAD-9/B1 0,3% 0,2820 0,0975 0,0275 Sílica 35% 32,9000 0,0453 1,4904 SOMATÓRIO 180,5178 11,3534 gal2722,60275,0028,01,01,09792,20375,3AM PROPRIEDADES DA PASTA DE CIMENTO 15,9 lb/gal 3534,11 5178,180 u t p r de cimentopé de pastapé 518,1 4805,7 3534,11 Rp 3 3 %90,53 94 6666,50 CFA 6,2722 gal/pé3FAM de cimento Obs.: todos os produtos utilizados para um saco de cimento devem ser multiplicados por 32,94, para se encontrar a quantidade de produtos a ser utilizada. PRODUTO PESO (lb) VOLUME ABSOLUTO (gal/lb) VOLUME (gal) Cimento 3.096,36 0,0382 118,28 Água v% 834,48 0,1199 100,05 Água do mar x% 834,48 0,1176 98,13 DO80LB 0,1gpc 32,39 0,1017 3,29 A-3LB 0,1gpc 38,80 0,0848 3,29 NaCl 2% 16,29 0,0553 0,92 HALAD-9/B1 0,3% 9,29 0,0975 0,91 Sílica 35% 1.083,73 0,0453 49,09 SOMATÓRIO 5.946,22 373,96 QUANTIDADE DE PRODUTOS . 2722,6AM total gal6,20694,32 == de cimentopé94,32518,1/50Vc 3== •Dados do problema: – Volume de pasta = 500 pe3; – peso da pasta = 15,9 lb/gal; – 60% água doce e 40% água do mar; – 35% sílica (misturado a seco - Vabs = 0,0453 gal/lb); – 0,1 gpc dispersante (Vabs = 0,1017 gal/lb); – 0,3 gpc controlador de filtrado (Vabs = 0,0975 gal/lb); •Calcular: – Volume de cimento (pe3); – Volume de água doce e do mar para a operação (bbl); – Quantidade de aditivos utilizados na operação (lb ou gal); – Volume de tanque mínimo (água de mistura) para a operação. PROBLEMA 1 • Dados do problema: – Geometria anular; • Revestimento anterior - rev 20” - ID 19” - sapata = 150 m • Poço 17 1/2”- profundidade = 810 m – Revestimento a ser cimentado - 13 3/8” - 68 lb/ft - ID 12,415”; • Sapata = 800 m e Colar = 780 m – Pastas; • Pasta 1 - 100 % AD - 2% Bentonita BPH - 13,2 lb/gal - topo = 100 m - excesso 30% • Pasta 2 - 100 % AD - Pasta pura - 15,8 lb/gal - topo = 700 m - excesso poço aberto 30% – Colchão: 30 bbl de água doce - peso = 8,33 lb/gal; – Vazão de mistura e deslocamento = 5 bpm; – Peso da lama = 9 lb/gal. PROBLEMA 2 • Calcular: – Volume da pasta 1 e 2 (pe3); – Volume de cimento total (pe3); – Volume de água doce para a operação - pasta 1 e 2 (bbl); – Quantidade de bentonita (lb); – Volume de deslocamento (bbl); – Pressão aproximada (hidrostática - desprezar as perdas de carga devido ao deslocamento) no anular no fundo do poço (800 m) nos seguintes tempos: colchão chegando na sapata; pasta 1 chegando na sapata; pasta 2 chegando na sapata; ao final do deslocamento. PROBLEMA 2 - CONTINUAÇÃO 1. Tipos de cimentação 2. O cimento 3. Aditivos para cimentação 4. Testes de laboratório 5. Equipamentos de cimentação 6. Acessórios de cimentação 7. Cálculos de sistemas de pastas 8. A operação de cimentação AGENDA Cimentação Primária - Estágio Único CIMENTAÇÃO EM FLUTUANTES C im e n ta ç ã o P ri m á ri a – D o is E s tá g io s CIMENTAÇÃO EM LINERS Fatores que Influenciam no Sucesso da Operação Condicionamento da lama Centralização do revestimento Movimentação do revestimento (rotação e reciprocação) durante circulação de lama e cimentando Colchões (lavadores e espaçadores) compatíveis com lama e pasta Volumes de fluidos adequados (tempo de contato) Escolha das vazões de bombeio (preferência altas vazões e regime turbulento) através de simulação computacional
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