Tuberías de Revestimiento y Cementación en la Perforación de Pozos

Objetivos y Fundamentos de la Tubería de Revestimiento

Objetivo: Uno de los aspectos más importantes dentro de las operaciones que se efectúan cuando se perfora un pozo es la protección de las paredes para evitar derrumbes y aislar manifestaciones de líquidos o gas. La protección se realiza mediante tuberías de revestimiento (casing), que se bajan al pozo de mayor a menor diámetro por razones técnicas y económicas.

Zonas Problemáticas durante la Perforación

Durante la perforación se atraviesan zonas críticas como:

Zonas de bajo gradiente de fractura.
Intervalos con presiones anormales altas.
Formaciones inestables.
Zonas depletadas o depresionadas.

Los factores mencionados originan que, a medida que se profundiza, se tengan que ir aislando estos intervalos de características diferentes. Se selecciona una tubería de revestimiento de un cierto grado, peso y junta que sea económica y resista los esfuerzos a los cuales estará sometida. El casing representa aproximadamente un 18% del costo total del pozo, por lo cual es estrictamente necesario optimizar su diseño.

Funciones Principales del Casing

Evitar derrumbes y concavidades.
Prevenir la contaminación de acuíferos.
Confinar la producción del intervalo seleccionado.
Dar soporte al equipo de control superficial (BOP).
Soportar el equipo de terminación y posterior producción superficial.

Esfuerzos Actuantes en el Casing

Presión externa: Colapso.
Presión interna: Estallido.
Carga axial y longitudinal: Tensión y compresión.

Clasificación General de las Tuberías de Revestimiento

Conductora (Cañería Guía).
Superficial (Cañería Superficial).
Cañería Intermedia.
Casing de Producción.

Casing Conductor o Guía

Es el primer casing que se baja y cementa al perforar el pozo.
La profundidad de asentamiento varía de 50 a 300 metros.
Su función principal es establecer un medio de circulación del lodo y recortes.
El diámetro depende de la profundidad total del pozo a perforar.

Casing Superficial

Funciones: Instalar válvulas de control.
Aislar capas de agua y gas de superficie.
Aislar zonas de pérdida de lodo superficiales.
Para pozos profundos (4500 m) se emplean diámetros de 20 pulgadas.
Las profundidades varían de 500 m a 1000 m.

Casing Intermedio

Se utiliza para aislar zonas que tienen presiones normales de formación.
Controla influjos de agua, derrumbes y pérdidas de circulación.
En general, se baja para poder incrementar la densidad del lodo y controlar zonas de alta presión.
Se colocan una o más cañerías intermedias para aislar zonas problemáticas.

Casing de Producción

Su objetivo es aislar y separar zonas productoras de zonas con fluidos no deseados en el intervalo de interés.
Permite la instalación de packers y herramientas de fondo empleadas en la terminación del pozo, por lo cual hay que considerar los factores que intervienen en el programa de terminación.

Liners (Tubería de Revestimiento Corta)

Evita utilizar un casing desde la superficie hasta el fondo del pozo, reduciendo costos significativamente.
Se aísla el último tramo del pozo quedando una zona traslapada (overlap) dentro del último casing que va desde 50 a 150 m.

Razones para utilizar Liner:

Control de pozo: Permite aislar zonas de alta o baja presión rápidamente.
Economía: Permite ahorrar casing desde la superficie.
Rapidez: Se baja rápidamente con la sarta de perforación.
Volumen: Evita emplear altos volúmenes de cemento.
Terminación: Permite utilizar herramientas de terminación de mayor diámetro.

Selección del Grado y Peso del Casing

Criterios de Selección (Parte 1)

Realizar el cálculo de cargas resultantes en función de la profundidad, densidad y fluidos de formación.
Realizar un gráfico de esfuerzos resultantes y efectuar la selección del casing con los valores predominantes (colapso, estallido o tensiones).

Criterios de Selección (Parte 2)

Evaluar condiciones especiales como:

Perforación en zonas de alta presión con densidad de lodo hasta 2.28 gr/cm³ (resistentes a alto colapso).
Presencia de domos salinos (requieren alta resistencia al colapso).
Presencia de H₂S y CO₂ (requieren resistencia a la corrosión).
Pozos direccionales y horizontales.
Conexiones Premium (sello metal-metal).

Operaciones de Bajada de Casing

Preparación para Bajar Casing

Antes de bajar el casing se perfila el pozo (logging o registros eléctricos).
Se corre un caliper para confirmar la profundidad, determinar el diámetro real del pozo y el volumen de cemento (se considera usualmente un exceso del 25%).
Se circula con lodo al menos 2 veces el volumen total, chequeando densidad, viscosidad y reología.

Procedimiento de Bajada

Vigilar el desplazamiento: Riesgo de altas presiones de surgencia.
Llenado: Llenar periódicamente la sarta de casing para evitar el riesgo de colapso (cada 5 o 10 juntas).
Velocidad: Bajar lentamente para evitar el efecto pistón y el riesgo de pérdida de lodo hacia la formación.
El volumen desplazado debe ser similar al volumen de llenado del casing.

Esfuerzos durante la Bajada y Cementación

Efecto de choque: Ocurre cuando se está bajando el casing y se detiene bruscamente.
Presión interna: Durante la cementación y el desplazamiento (bombeabilidad).
Presión externa: Por alta densidad del lodo o por presencia de domos salinos.
Efectos térmicos: Pozos de inyección de vapor, geotérmicos, zonas frías, offshore y gradientes geotérmicos anormales.

Efectos de Esfuerzos por Flexión

Curvatura del pozo: El ángulo de desviación vertical influye en los esfuerzos axiales sobre caños y cuplas.
Fricción: En pozos desviados, el rozamiento del caño en la curva del pozo produce esfuerzos axiales adicionales.
Pandeo: La deformación helicoidal produce un pandeo sobre la cañería (según la Ecuación de Lubinsky).

Equipamiento para Casing

Equipo de Superficie

Al igual que para la tubería de perforación, existe equipo especial para manejar los diámetros específicos del casing, tales como elevadores, llaves y enroscadores rápidos, con el fin de levantar y enroscar las juntas con el torque correcto.

Equipo de Bajo Superficie

Zapato: Guía el revestimiento dentro del pozo durante la bajada.
Collar Flotador: Se enrosca entre el primero y segundo casing desde el fondo; contiene una válvula de retención.
Tapón de fondo: Se bombea antes del colchón de limpieza para separar el lodo.
Tapón de desplazamiento: Se bombea al final de la cementación antes de desplazar.
Centralizadores: Se colocan a intervalos para centrar el caño en el pozo y asegurar una cementación uniforme.
Raspadores: Se colocan en el exterior del casing para limpiar el revoque de lodo de la pared del pozo durante la bajada.

Operación de Cementación de Pozos

La cementación es un proceso de mezcla y desplazamiento de una lechada (cement slurry) —compuesta por cemento seco mezclado con agua y aditivos— dentro del espacio anular entre el revestimiento y el pozo abierto.

Funciones de la Cementación

Protege la formación productiva.
Ayuda a controlar surgencias provenientes de zonas sobrepresionadas.
Sella zonas problemáticas o de pérdida de circulación antes de continuar la perforación.
Ayuda a fijar y sostener el casing.
Previene la corrosión de la tubería.

Secuencia de Bombeo

Se instala la cabeza de cementación.
Bombeo de espaciadores y colchones químicos.
Se colocan los tapones de fondo y superior.
Se bombea la lechada; el tapón de fondo separa el colchón.
Se bombea el cemento completo y se lanza el tapón superior.
Se bombea el desplazamiento hasta el tope del tapón en el collar.
Se descarga la presión y se espera el fraguado.

Cementación de Remediación

Son operaciones de cementación secundaria que se realizan durante la terminación del pozo y en trabajos de reparación (workover) para «remediar» la cementación primaria. Si el cemento primario se canaliza o no queda uniforme, se punza el casing y se bombea cemento a presión (squeeze).

Diseño de la Cementación Primaria

Las cementaciones de las cañerías de revestimiento (superficial, intermedia y producción) se denominan cementación primaria y son de las operaciones más importantes para la vida útil y económica del pozo.

Factores Críticos a Considerar

Densidad máxima de la lechada: Para evitar fracturar la formación (la densidad del cemento debe ser usualmente mayor en 1 lb/gal que la del lodo).
Precisión de la temperatura: Es vital conocer la temperatura de fondo de pozo.
Diseño de la mezcla: De acuerdo al tipo de operación y condiciones específicas del pozo.
Uso de NaCl (ClNa): Usar entre 20% – 30% para formaciones salinas.
Mezclado: Asegurar un buen mezclado de los aditivos secos en planta y los aditivos líquidos en sitio.
Muestreo: Tomar muestras de agua, aditivos líquidos y de la lechada durante la operación.
Monitoreo: Controlar constantemente la densidad de la lechada durante toda la operación.