cimentacao-petroleo
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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”
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Riser
Cabeça de Poço
Bomba de lama
Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
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Colar Flutuante
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Cabeça de Poço
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Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
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Colar Flutuante
óleo
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Cabeça de Poço
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Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
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Colar Flutuante
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Cabeça de Poço
Bomba de lama
Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
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Colar Flutuante
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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”
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Sapata do 9 5/8”
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Cabeça de Poço
Bomba de lama
Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
Plug
Colar Flutuante
óleo
Sapata do 30”
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Cabeça de Poço
Bomba de lama
Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
Plug
Colar Flutuante
óleo
Sapata do 30”
Sapata do 13 3/8”
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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”
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Cabeça de Poço
Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação
Plug
Colar Flutuante
óleo
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Sapata do 13 3/8”
Sapata do 9 5/8”
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Cabeça de Poço
Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação
Plug
Colar Flutuante
óleo
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Sapata do 9 5/8”
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Cabeça de Poço
Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação
Plug
Colar Flutuante
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Sapata do 30”
Sapata do 13 3/8”
Sapata do 9 5/8”
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Cabeça de Poço
Cabeça de Cimentação Unidade de Cimentação
Plug
Colar Flutuante
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Plug
Dart
Colar Flutuante
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Cabeça de Poço
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Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
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Plug
Dart
Colar Flutuante
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Cabeça de Poço
Bomba de lama
Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
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Sapata do 30”
Sapata do 13 3/8”
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Plug
Dart
Colar Flutuante
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Cabeça de Poço
Bomba de lama
Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
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Sapata do 30”
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PlugDart
Colar Flutuante
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Cabeça de Poço
Bomba de lama
Cabeça de Cimentação
Tanque de lama
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PlugDartColar Flutuante
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PlugDart
Colar Flutuante
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Tanque de lama
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PlugDart
Colar Flutuante
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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