cimentacao-petroleo

Cimentação dePoços de Petróleo

João Carlos R. Plácidojcrp@petrobras.com.br

Cimentação PrimáriaObjetivos

• 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 SecundáriaObjetivos

• Squeeze: – Corrigir cimentação primária pela pressurização da

pasta através de canhoneios e canais formados por uma má 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, USAWOC – tempo de espera para a pasta atingir 500 psi de resistência à compressão.

• 1910 - Uso de plugs de 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 - Lone Star Cement Co. - Primeiro cimento

específico para poços de petróleo

Cimentação: Histórico• 1928 - Humble Oil and Refining Co. - 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

• 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

Cimentação: Histórico• 1939 - R. F. Farris - Teste do tempo de

espessamento com pressão e temperatura• 1940 - M. M. Kinley - Uso do perfil caliper para

calcular o volume de cimento• 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 Petroleum Co. - Uso de agentes

redutores de filtrado• 1962 - Cias de 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, nitrogênio,

baritina, hematita• Controlador de tempo de pega:

– Acelerador de pega: Cloreto de Cálcio– Retardador de pega: compostos orgânicos

Aditivos• Controlador de perda de circulação:

– fibrosos (fibra de nylon, serragem, feno), granulares (gilsonita, casca de noz) e lamelados (celofane, mica), pasta de escória de alto forno

• Controlador de filtrado: – látex, polímeros orgânicos

• Controlador de viscosidade:– Dispersantes (lignosulfonato de cálcio), polímeros

orgânicos.• Outros Aditivos:

– Alta temperatura: sílica

AditivosSílica: Sob temperaturas maiores que de 230F (110C) ocorre a formação de um composto no cimento que é responsável pela denominada retrogressão, que é uma redução da resistência mecânica e um substancial aumento de permeabilidade da pasta curada. Para evitar isso, usualmente é utilizado sílica 325 mesh na formulação da pasta para que outros compostos sejam formados após a cura garantindo que a retrogressão não ocorra.Somente sob temperaturas superiores a 750F (400C) ocorre a desintegração do cimento curado pela não estabilidade dos compostos formados na hidratação do cimento.

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

sacolbmgallbm

sacolbm /7,10/98,6/33,865,2

/82,2/33,814,3

/94=++

gallbm /48,147,10

)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 lbm de 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

xxxx

galVlbmm /5,17

0036,05,4)34,8(02,5)34,8(14,3

94)0036,05,4(34,894

)()(

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+++

+++==ρ

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 (impedir pega

rápida do Aluminato tricálcico C3A) - Produto final

Fabricação do cimento por via seca

Classificação do Cimento

• Classificação API - 8 classes (Tabela 3.3 Bourgoine)• Mais comuns: A (similar ao da construção civil), B, C, G, H,

Especial (Brasil)• No Brasil: Cimesa (Sergipe – Especial) ; Holcim (Cantagalo –G)

Água demistura(gal/pe3)

Peso dapasta

(lb/gal)

Prof.(ft)

BHST (oF)

A 5,2 15,6 0-6000 80-170B 5,2 15,6 0-6000 80-170

C (res. inicial) 6,3 14,8 0-6000 80-170D (retardado) 4,3 16,4 6-12000 170-260E (retardado) 4,3 16,4 6-14000 170-290F (retardado) 4,5 16,2 10-14000 230-320

G 5,0 15,8 0-8000 80-200H 4,3 16,4 0-8000 80-200

Composição do Cimento

• C3S - Alita - 3CaO.SiO2 -hidratação rápida - resistência inicial (~ 60%)

• C2S - Belita - 2CaO.SiO2 -hidratação lenta - resistência final (~ 20%)

• C3A - Aluminato - 3CaO.Al2O3hidratação muito rápida (~ 3%)

• C4AF - Ferrita -4CaO.Al2O3.Fe2O3

• Gesso

Cimentação: Operação

PREPARANDO A PASTA DE CIMENTO

HOMOGENEIZANDO NA SUPERFÍCIE

DESLOCANDO PARA DENTRO DO POÇO

Cimentação típica em um estágio(Terra e PA)

Cimentaçãotípica em

um estágio

Cimentaçãotípica emum estágio(NS ou SS)

VisualizaVisualizaçção da cimentaão da cimentaçção ão do revestimento 9 5/8do revestimento 9 5/8”” no marno mar

a partir de uma unidade flutuantea partir de uma unidade flutuante

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Riser

Cabeça de Poço

Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação

Plug

Colar Flutuante

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Plug

Dart

Colar Flutuante

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Plug

Dart

Colar Flutuante

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

Plug

Dart

Colar Flutuante

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

PlugDart

Colar Flutuante

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

PlugDartColar Flutuante

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

PlugDart

Colar Flutuante

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Cabeça de Cimentação

Tanque de lama

óleo

Sapata do 30”

Sapata do 13 3/8”

Sapata do 9 5/8”

PlugDart

Colar Flutuante

Riser

Cabeça de Poço

Bomba de lama

Tanque de lama

óleo

FIM DA CIMENTAFIM DA CIMENTAÇÇÃOÃO

CimentaçãoDimensionamento 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 circulation can 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 between the 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 CimentaçãoPerfis: CBL, VDL

9 5/8”

7”

12 1/4”

8 1/2”

Falhana

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 seráusada 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 bentonita e 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 1Componente Volume (pés3)Cimento 94/[3,14(62,4)] = 0,4797Bentonita [0,16(94)]/[2,65(62,4)] = 0,0910Salmoura [108,4+4,7]/[1,0279(62,4)] = 1,7633

Total=2,334 pés3/saco

Exemplo 3• Volume de cada componente da pasta 2Componente Volume (pés3)Cimento 94/[3,14(62,4)] = 0,4797Salmoura [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) + (π/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 6006,0375,13174

pésAa =−=π

Laboratório de Cimentação:Equipamentos

• preparação da pasta• peso específico (balança pressurizada)• tempo de espessamento: consistômetro atmosférico e

consistômetro pressurizado• 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 Blendor• 2 rotações: 4000 e 12000 rpm• Mistura da pasta (em geral, 600 ml)

– 4000 rpm por 15 seg para adição do cimento e aditivos sólidos misturados ao cimento na água de mistura

– 12000 rpm por 35 seg 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 Blendor

– 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: consistômetro atmosférico ou pressurizado

• UC é uma unidade adimensional diretamente ligada àviscosidade, 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)

• Temperatura: é considerado um fator crítico – BHCT - Bottom Hole Circulating Temperature– BHST - Bottom Hole Static Temperature

Consistômetro pressurizado• Copo rotativo (150 rpm)• Pá estacionária: mede torque

(consistência) exercido na pá

• Consistômetro típico– Tmax = 400 oF– Pmax = 25000 psi

• Schedule: programação de pressão e temperatura a que a pasta é submetida até o seu posicionamento final

Consistômetro atmosférico

• 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 Consistometria Típica

Perda de Fluido Estático - BTAP

• Semelhante ao utilizado para fluidos de perfuração

• Peneira 325 mesh suportada por uma de 60 mesh (não tem papel de filtro)

• Pressão diferencial: 1000 psi• Perda de fluido em 30 minutos• Tmax = 180 oF• Homogeneização -

consistômetro atmosférico

Perda de Fluido Estático - ATAP

• HTHP: ΔP = 1000 psi• 1300 psi no topo• 300 psi na base • Tmax = 400 oF

Perda de Fluido com Agitação Stirred Fluid Loss Cell

• em condições de agitação (150 rpm) durante a fase de aquecimento (80oF até BHCT - Tmax = 400oF); estático durante a filtração

• evita a transferência da pasta do consistômetro atmosférico 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 = 150oF

• Schedule - Câmara de cura -Pmax = 3000 psi e Tmax= 400oF

• 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

Resistência à Compressão (UCA)

Teor de Água Livre• Problema crítico em poços inclinados - isolamento deficiente e

migração de gás• Passa-se 250 ml de pasta de um consistômetro atmosférico 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 = 180oF (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:

θ300, θ200, θ100, θ6, θ3

• 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 Spec 10

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