Completação de Poços

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL CURSO DE EGENHARIA DE PRODUÇÃO PERFURAÇÃO E COMPLETAÇÃO DE POÇOS Completação de Poços André da Costa Bruno Castelo Débora Nascimento Flávia Fonseca Gregório Lima da Cruz Gustavo Klein Gustavo Mousinho Luiz Felipe Ferreira Calfa Pablo Seuanez Salgado Vanessa Bandeira Dias Rio, 5 de Dezembro 2000 Objetivo do Trabalho O presente trabalho refere-se à segunda metade da disciplina de Perfuração e Completação ministradas como parte integrante da nova ênfase de Petróleo e Gás criada pela UFRJ -Universidade Federal do Rio de Janeiro. Devido à recente incorporação, ao programa de Engenharia de Produção, das supracitadas ênfase e disciplina, está última encontrava-se desprovida de uma bibliografia básica, problema o qual esta apostila procura solucionar. Além disso, permitiu que os alunos se aprofundassem nos assuntos relativos à completação de poços de uma maneira mais aprofundada durante a realização do trabalho, agregando aos conhecimentos adquiridos na sala de aula. A apostila baseou-se em inúmeros trabalhos realizados a cerca dos temas aqui abordados e nas aulas ministradas ao longo do curso. 2 Índice 1 -Tipos de Completação.4 1.1 -Categorias Básicas de Completação .4 1.2 -Seleção do Tipo de Completação e Critérios de Design .9 2 -Operações de Cimentação na Completação.12 2.1 2.2 2.3 -Tipos de Cimentação.12 -Objetivo das Operações com Cimento.13 -Técnicas Operacionais.16 3 -Avaliação da Cimentação e Perfilagem.31 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 -Introdução.31 -Objetivo da perfilagem sônica.32 -Aderência do Cimento.32 -Movimento Ondulatório.34 -Perfis Sônicos.38 -CBL: Cement Bond Logging.40 -VDL: Variable Density Logging.41 -Revestimento Livre.42 -Revestimento Cimentado.42 -Sinais do Fluido.43 -Interpretação Qualitativa do Perfil CBL/VDL.43 -Perfil Ultra-sônico.44 -Cuidados na Perfilagem Sônica.46 4 -Canhoneio.47 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 -Introdução.47 -Processo.47 -Vantagens.47 -Classificação.48 -Tipos de Canhoneio.53 -Cargas Explosivas.57 -Eficiência do Canhoneio.60 -Segurança.64 -Assentamento de Tampões.64 5 -Tratamento Químico na Completação.66 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 -Ocorrências e Causas de Dano à Formação.66 -Lavagem Ácida das Colunas.69 -Lavagem Ácida Canhoneados.70 -Remoção de Incrustações Solúveis em Ácido.70 -Tratamentos Matriciais de Carbonatos.71 -Diretrizes para Seleção dos Fluidos de Tratamento.71 3 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 -Projeto do Tratamento Ácido.72 -Procedimentos Operacionais de Segurança.72 -Tratamentos Matricias de Arenitos.73 -Método para Seleção dos Fluidos de Tratamento.74 -Outros Sistemas Não-Convencionais.76 6 -Fraturamento Hidráulico.77 6.1 6.2 6.3 -Introdução.77 -Mecânica das Rochas.80 -Fluidos de Fraturamento.83 7 -Gravel Pack.85 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 -Introdução.85 -Arenitos friáveis.85 -Técnicas de Predição de Produção de Areia.87 -Métodos para Controle da Produção de Areia.87 -O Mecanismo de Gravel Pack.89 8 -Completação Submarina.94 8.1 8.2 -Introdução. 94 -Completação submarina.95 4 Completação de Poços de Petróleo A Completação de poços consiste no conjunto de serviços efetuados no poço desde o momento em que a broca atinge a base da zona produtora de produção. Este é um conceito operacional da atividade, note que a cimentação do revestimento de produção, ou seja o que entra em contato com a zona produtora é, por esta definição, uma atividade de Completação. Por outro lado a melhor definição seria: A de transformação do esforço de perfuração em uma unidade produtiva completamente equipada e com os requisitos de segurança atendidos, pronta para produzir óleo e gás, gerando receitas. 1 -Tipos de Completação 1.1 -Categorias Básicas de Completação Existem muitos métodos de completação utilizados ao redor do mundo. No entanto, o que ocorre são inúmeras variações de alguns métodos básicos que podem ser classificados quanto: à interface entre a coluna e reservatório: a) Completação a poço aberto b) Liner rasgado ou canhoneado c) Revestimento canhoneado ao método de produção: Surgente Elevação artificial Ao número de zonas completadas: a) Simples b) Seletiva c) Múltiplas (a) (b) (c) ( a ) ( b ) ( c ) 1.1.1 -Completação a poço aberto A completação a poço aberto é freqüentemente utilizada em espessas seções de reservatórios constituídos por tipos de rochas bem firmes. É o método mais antigo de completação de poços. As vantagens deste método são as seguintes: 5 a zona de interesse inteira é aberta para a coluna; não há gasto com canhoneio do revestimento; existe a intercomunicação de fluidos em todo o intervalo aberto para produção; drawdown pode ser reduzido por causa da larga área de fluxo; há uma redução no custo do revestimento; o poço pode ser facilmente aprofundado; a completação pode ser facilmente convertida para um outro tipo de completação como o liner rasgado ou revestimento canhoneado; pelo fato de não haver revestimento, não há risco de haver dano à formação causada pelo cimento. A completação a poço aberto é particularmente atrativa quando há dificuldade de identificação do retorno líquido financeiro durante o período de completação; ou onde perdas com uma filtragem ruim do fluido de perfuração pode levar a grandes prejuízos. Porém existem desvantagens e limitações deste método de completação, são elas: formações que apresentam grandes razões gás-óleo / água-óleo normalmente não podem ser controladas porque todo o intervalo é aberto para produção; o controle do poço durante a completação pode ser mais difícil; a técnica não é aceitável para formações constituídas por reservatórios separados que contêm fluidos com propriedades incompatíveis; as diversas zonas dentro do intervalo de completação não podem ser facilmente selecionadas; este tipo de completação vai requerer freqüentes limpezas se houver produção de areia ou se a formação não estiver estável. 1.1.2 -Liner rasgado ou canhoneado Para controlar problemas de desmoronamento ,os primeiros produtores de petróleo colocaram tubos com fendas ou telas na parte inferior do poço como um filtro de areia. O uso deste tipo de completação como método para controle de areia vem se tornando muito popular hoje em dia em algumas áreas. Este método tem praticamente as mesmas vantagens e desvantagens da completação a poço aberto. Na maneira mais simples e antiga um tubo com fendas é colocado dentro do poço. As fendas são pequenas o suficiente para que a areia fique retida. Para areias muito finas são colocadas telas de arame. Esta técnica é um método de controle de areia razoavelmente eficaz. Algumas vezes este é o único método de controle de areia que pode ser usado por causa da perda de pressão e considerações sobre a geometria do poço. Entretanto, este método não é muito recomendado porque: O movimento da areia para a coluna faz com que haja um impedimento da permeabilidade devido a mistura de diferentes de tamanhos de grãos. Grãos de areia finos tendem a obstruir a tela. A tela pode sofrer desgaste devido à movimentação da areia. Um suporte ineficaz da formação pode causar desabamento. 6 Para solucionar estes problemas, o anular entre o poço e a tela é preenchido com grãos de areias mais grossos. A areia ou cascalho serve como suporte para a parede do poço e para prevenir o movimento de areia. Este método pode remover alguns dos estragos causados pelo fluido de perfuração. 1.1.3 -Revestimento canhoneado O método mais comum de completação envolve cimentação do revestimento na área de interesse, onde a comunicação com a formação é feita através de buracos perfurados no revestimento e no cimento, denominados canhoneados. Este canhoneio é feito para comunicar o interior do poço com a zona de interesse. Se o poço é revestido e não-perfurado durante os estágios iniciais da operação de perfuração, o controle do poço é mais fácil e os custos de completação podem ser reduzidos. Usando várias técnicas de controle de profundidade, é possível decidir quais zonas serão perfuradas e abertas para produção, evitando assim, a comunicação de fluidos indesejáveis como gás e água, zonas fracas que podem produzir areia ou ainda, zonas improdutivas. Esta seletividade que é completamente dependente de um bom trabalho de cimentação e canhoneio adequado também permite que um simples poço produza vários reservatórios separados, sem que haja comunicação entre eles. Este canhoneio pode também ser usado para controlar o fluxo da zona de interesse, fechando o canhoneado ou injetando fluidos para transformar as zonas em menos permeáveis. A decisão de colocação do revestimento pode ser adiada até que a avaliação do reservatório seja concluída, reduzindo gastos com poços secos. Em suma, as vantagens desta completação incluem: Operações mais seguras; Seleção mais segura das zonas a serem completadas; Redução da relevância de estragos causados pela perfuração; Facilitação da estimulação seletiva; Possibilidade de completação em zonas múltiplas; Custos reduzidos com poços secos; Planejamento mais fácil de operações de completação. Este tipo de completação é geralmente usada a menos que haja uma razão específica para preferir um outro tipo de completação. 1.1.4 -Completação para poços com bombas A completação também é classificada de acordo com o método de produção e o número de zonas produzidas. Poços equipados com bombas de fundo são completados com 7 anular aberto através do qual o gás vai para a superfície. Todos os sistemas de bombeamento se tornam ineficientes na presença de gás. 1.1.5 -Completação de Múltiplas Zonas Para completação de múltiplas zonas o principal é saber o que se deseja produzir. Quando um poço encontra mais de uma zona de interesse, a decisão deve ser tomada frente aos seguintes aspectos: Produzir as zonas individualmente, uma depois da outra, através de uma linha única; Completar o poço com várias linhas e produzir várias zonas simultaneamente; Misturar várias zonas numa única completação; ou Produzir uma única zona por esse poço, e perfurar poços adicionais para as outras acumulações; Esta decisão deve ser baseada numa comparação econômica das alternativas, porém a completação de múltiplas zonas, com uma única linha de produção, são freqüentemente preferíveis porque quando se trabalha com linhas duplas, o tamanho do revestimento limita o diâmetro, que, por sua vez, limita o fluxo obtido através de cada linha. Estas completações podem também ser usadas para minimizar custos de completação, que é freqüentemente a razão para limitar o tamanho do revestimento de produção. Completações com linhas duplas podem ser paralelas ou concêntricas. Onde a elevação artificial pode ser requerida, linhas paralelas são freqüentemente usadas. Linhas concêntricas requerem menos remoção de cascalhos e podem alcançar uma capacidade mais alta de fluxo. Completações com linhas triplas têm sido também utilizadas em algumas áreas, mas são muito limitadas em capacidade de poço para que sejam economicamente atrativas como completações convencionais. Completações com múltiplas linhas sem tubulação são, às vezes, usadas para completação de reservatórios empilhados que têm reservas individuais pequenas e pressões normais. Estas completações são particularmente atrativas para retirar pequenas acumulações de óleo abaixo de grandes reservatórios de gás e para baixo custo com o gás. A melhoria no design e qualidade dos equipamentos dos mais convencionais métodos de completação tem resultado numa diminuição de popularidade deste último tipo de instalação. 1.2 -Seleção do Tipo de Completação e Critérios de Design Assim como o método de produção varia, o design da completação vai variar significativamente com: Taxa de produção; Pressão e profundidade do poço; Propriedades da rocha; 8 Propriedades do fluido; Localização do poço. Dada a variedade de condições de produção ao redor do mundo, a definição dos limites é naturalmente algo nebuloso (uma baixa taxa de produção num poço no Oriente Médio pode ser considerada uma taxa respeitável em muitos campos Norte-americanos). É importante que o engenheiro de completação leve em consideração o impacto do retorno da produção, custo de capital e custo de operação dos projetos. Os custos de instalação só são significantes na medida em que os requisitos de completação têm um impacto significativo no tempo total de perfuração e completação. O custo real dos equipamentos de completação são relativamente baixos se comparado a produção incremental conseguida através da melhoria de potencial devido a utilização de materiais mais adequados, porém mais caros. Considerações a respeito dos aspectos geológicos, econômicas e de reservatório ditarão os requisitos funcionais para um projeto de uma completação. Estes requisitos devem ser antecipadas num estágio anterior ao da perfuração. O modelo de completação do poço é também influenciado pelos requisitos de serviço de poço, como monitoramento de rotina e serviço de cabeça de poço e linha de fluxo. 1.2.1 -Considerações de Perfuração Algumas considerações de perfuração podem influenciar o tipo de completação a ser instalada. Dentre os fatores a serem considerados estão: Extensão dos prejuízos deixados pela perfuração e necessidade de utilização de técnicas de estimulação, seleção de fluidos especiais de perfuração, etc. O programa de avaliação, particularmente a necessidade de testes de perfuração; O tamanho e o peso do revestimento de produção; A força de explosão e desmoronamento do revestimento de produção. O revestimento deve se capaz de suportar o máximo de pressão dentro do tubo no caso de uma quebra na superfície; Gasto ou corrosão do revestimento de produção devem ser avaliados em completações com liner, especialmente para poços fundos. Em ambientes ácidos ou quando as condições podem se tornar ácidas, os materiais de revestimento de produção devem se adequar a certas especificações já definidas. 1.2.2 -Resumo Em suma, devemos enfatizar que a avaliação das condições sob as quais um poço deve operar dita quais opções podem ser consideradas dentre uma variedade de possibilidades de modelos de completação. A parte econômica dita qual desses modelos é mais adequado para uma situação particular. 9 Selecionar o melhor modelo de completação para uma dada situação requer que os engenheiros considerem a performance atual e futura do poço, as restrições impostas pelo programa de perfuração, as regulamentações ou políticas que possam ser aplicadas e a operacionalidade da nova tecnologia. Devemos frisar sempre que a regra básica de um projeto de Completação é: SEJA SIMPLES Utilize sempre a alternativa mais simples que atende aos requisitos técnicos e econômicos para a Completação de um poço 10 2 -Operações de Cimentação na Completação 2.1 -Tipos de Cimentação 2.1.1. Cimentação Primária Denomina-se cimentação primária a cimentação principal de cada coluna de revestimento, levada a efeito logo após sua descida ao poço. Seu objetivo básico é colocar uma pasta de cimento não contaminada em determinada posição no espaço anular entre o poço e a coluna de revestimento, de modo a se obter fixação e vedação eficiente e permanente deste anular. TAMPÃO DE CIMENTO Cimentação primária do liner FLUIDO DE PERFURAÇÃO FLAPPER VALVE GÁS ÓLEO 2.1.2. Cimentação Secundária ÁGUA São assim denominadas as demais operações de cimento realizadas no poço, excetuando-se a cimentação primária. Tampões de Cimento Consistem no bombeamento para o poço de determinado volume de pasta, com o objetivo de tamponar um trecho do poço. São usados nos casos de perda de circulação, abandono definitivo ou temporário do poço, como base para desvios, compressão de cimento, etc. Recimentação É a correção da cimentação primária, quando o cimento não alcança a altura desejada no anular ou ocorre canalização severa. O revestimento é canhoneado em dois pontos. A recimentação só é feita quando se consegue circulação pelo anular, através destes canhoneados. Para possibilitar a circulação com retorno, a pasta é bombeada através de coluna para permitir a pressurização necessária para a movimentação da pasta pelo anular. Compressão de Cimento ou Squeeze Consiste na injeção forçada de pequeno volume de cimento sob pressão, visando corrigir localmente a cimentação primária, sanar vazamentos no revestimento ou impedir a produção de zonas que passaram a produzir quantidade excessiva de água ou gás. Exceto em vazamentos, o revestimento é canhoneado antes da compressão propriamente dita. Recimentaçã 11 2.2 -Objetivo das Operações com Cimento 2.2.1. Correção da Cimentação Primária (CCR) Cimentações primárias deficientes podem causar intervenções onerosas. A decisão quanto a necessidade ou não da correção de cimentação primária é uma tarefa de grande importância. A correção implica em elevados custos, principalmente no caso de poços marítimos, onde o custo diário de uma sonda é bastante alto. O prosseguimento das operações, sem o devido isolamento hidráulico entre as formações permeáveis, pode resultar em: produção de fluidos indesejáveis devido a proximidade dos contatos óleo/água ou gás/óleo; testes de avaliação das formações incorretos; prejuízo no controle dos reservatórios (produção, injeção, recuperação secundária); operações de estimulação mal sucedidas, com possibilidade inclusive de perda do poço. Uma outra possível falha da cimentação primária, que precisa ser corrigida, se refere a falta de isolamento do topo do liner. Tais falhas são decorrentes das condições adversas encontradas para a sua cimentação, como anular pequeno e difícil centralização do liner. Cuidados adicionais devem ser tomados na interpretação da qualidade da cimentação nos topos de liner, onde a leitura elevada da amplitude do CBL pode ser decorrente justamente da boa qualidade da cimentação e da presença do revestimento por detrás do liner. 2.2.2. Tamponamento de Canhoneados (RAO, RGO, ISZ) A finalidade básica de uma compressão de cimento para o tamponamento de canhoneados é impedir o fluxo de fluidos através destes canhoneados, entre a formação e o interior do revestimento ou vice-versa. Os problemas mais comuns que geram intervenções para tamponamento de canhoneados são aqueles relacionados com a excessiva produção de água ou gás. Uma razão água-óleo (RAO) elevada apresenta várias desvantagens como perda de energia do reservatório, dispêndio de energia em elevação artificial e custos com tratamento e descarte, além de riscos de degradação ao meio ambiente. Uma elevada produção de água pode ser conseqüência da elevação do contato óleo/água devido ao mecanismo de produção (influxo de água), ou injeção de água. Isto ode ser agravado pela ocorrência de cones ou fingerings, falhas na cimentação primária, furo no revestimento ou uma operação de estimulação atingindo a zona de água. Se a zona produtora é espessa, pode-se tamponar os canhoneados e recanhonear apenas na parte superior, o que resolve o problema temporariamente. O aparecimento de água se torna um problema mais complexo quando há permeabilidade estratificada. A variação de permeabilidade ao longo da zona, verticalmente, provoca um avanço 12 diferencial da água conhecido como fingering, cujo efeito pode ser minimizado com a redução de vazão. Quando uma fratura mal dirigida alcança uma zona de água, tal fato geralmente inviabiliza a produção desta zona, visto que este contato se localiza dentro da formação e ainda não se dispõe de metodologia eficiente para correção deste problema. Uma razão gás-óleo alta pode ter como causa o próprio gás dissolvido no óleo, o gás de uma capa ou aquele proveniente de uma outra zona ou reservatório adjacente. Esse ultimo caso pode ser produto de uma falha de cimentação primária, furo no revestimento ou de uma estimulação mal concretizada. A produção excessiva de gás, temporariamente completando-se mais facilmente controlado pela maior diferença de densidade temporariamente, é também uma ou água. devido a formação de cone, pode ser contornada o poço apenas na parte inferior. Um cone de gás é redução da vazão do que o de água. Isto se deve a entre o óleo e o gás. O fechamento do poço, técnica recomendada para a retração do cone de gás 2.2.3. Reparo de Vazamentos no Revestimento Quando o aumento da RAO ou RGO não é observado através dos canhoneados abertos para produção, deve-se suspeitar de dano no revestimento. Perfis de produção, ou pistoneio seletivo, são usados para localizar ponto de dano no revestimento. Vazamentos no revestimento podem ocorrer devido a corrosão, colapso da formação, fissuras, desgaste ou falhas nas conexões dos tubos, sendo necessário identificar a natureza do problema, sua localização e extensão. Basicamente, em se tratando de pontos localizados ou pequenos intervalos de revestimento danificados, a técnica utilizada é semelhante à empregada em tamponamentos de pequeno número de canhoneados. No caso de trechos longos, o tratamento é similar ao de canhoneados extensos. 2.2.4. Combate à Perda de Circulação em Zonas sem Interesse Pastas de cimento podem ser usadas para estancar perdas apenas quando não há preocupação com o dano de formação, isto é, em zonas que vão ser isoladas definitivamente. 2.3 -Técnicas Operacionais 2.3.1. Introdução As operações com cimento na completação podem ser classificadas, quanto ao nível de pressão utilizada, em: operações à baixa pressão; operações à alta pressão. 13 Nas operações à baixa pressão o cimento é colocado nas posições desejadas sem que se frature qualquer zona, e à alta pressão, são impostas pequenas fraturas á formação. O entendimento deste assunto é requisito mínimo necessário ao profissional que se propõe a trabalhar com cimento na completação. Quanto à forma de colocação da pasta de cimento na posição desejada, os tipos possíveis são: tampão balanceado (baixa ou alta pressão); injeção direta (baixa ou alta pressa); recimentação (baixa pressão); caçamba (baixa pressão). Quanto à tubulação que se encontra no poço, excluindo-se as operações com caçamba, tem-se: executadas com colunas de trabalho convencionais (tampão balanceado, injeção direta e recimentação); executadas com flexitubo (tampão balanceado). Para se definir o tipo mais adequado de operação a ser executada, é de fundamental importância diagnosticar corretamente o problema. De posse deste diagnóstico é possível adequar o nível de tecnologia a ser empregado, atendendo todas as restrições detectadas neste diagnóstico. 2.3.2. Compressão de Cimento à Baixa Pressão A pasta de cimento é uma suspensão de partículas solidas de cimento dispersas em água. Na técnica à baixa pressão, a pasta, sujeita a um diferencial de pressão poçoformação, perde parte da água de mistura para o meio poroso e um reboco de cimento parcialmente desidratado é formado. Ao término deste processo de filtração, todo o canhoneado está preenchido por reboco de cimento, e por este reboco ter uma permeabilidade bastante baixa, a pressão na superfície se estabiliza. 14 É de fundamental importância o conhecimento e controle das pressões envolvidas na operação. É bom observar que uma coluna cheia de pasta com peso especifico 15,8 lb/gal pode quebrar uma formação com gradiente de fratura igual ou inferior a 0,82 psi/pé, sem pressão adicional na cabeça. Nos trabalhos à baixa pressão, é essencial que os canhoneados, canalizações e cavidades a serem preenchidas com cimento estejam desobstruídos de lama e/ou sólidos e que contenham um fluido penetrante a ser deslocado pela pasta de cimento para a formação permo-porosa, seja fluido de completação isento de sólidos ou fluido produzido de algum intervalo permo-poroso. A pasta ideal numa operação com cimento deve ter uma taxa de desidratação controlada, de forma a permitir a deposição uniforme do reboco sobre toda a superfície permeável, preencher os vazios e as canalizações por detrás do revestimento, preencher os túneis de canhoneio e deixar pequenos nódulos dentro do revestimento. Nesta situação, o restante da pasta permanece fluida no interior do poço, podendo ser removida por circulação. 2.3.3. Compressão de Cimento à Alta Pressão Em alguns casos, com formações de baixa permeabilidade, o squeeze à baixa pressão pode não ser possível, de forma a permitir que a pasta ocupe os espaços desejados. Por exemplo, a correção de cimentação primária executada com fluido de perfuração dentro do poço, formações de baixíssimas injetividades onde o método de injeção direta é mandatório devido à existência de canhoneado aberto logo acima, etc. Nesses casos alguns autores acreditam que a criação de uma fratura, a fim de permitir a comunicação entre poço e esses espaços a serem preenchidos com cimento, pode ser uma solução. É importante observar que deve ser criada uma pequena fratura, e que a operação deve ser concluída a uma pressão abaixo da pressão de quebra da formação. As antigas operações à alta pressão, muitas vezes associadas ao mito do "block squeeze",(panquecas horizontais), com a criação de grandes fraturas e o uso de grandes volumes de pasta foram definitivamente banidas das práticas recentes. Entretanto, mesmo com a utilização de uma boa técnica, a alta pressão envolve uma série de riscos que podem comprometer o sucesso da operação, sendo recomendado, sempre que possível, as operações à baixa pressão. Como exemplos de riscos têm-se: possibilidade da criação de grandes fraturas que podem propiciar a comunicação indesejada de zonas que se pretendia isolar; por se desenvolver numa direção preferencial ditada pelo estado de tensões da rocha, a fratura pode não interceptar o canal que se pretendia eliminar; a fratura pode se estender ao longo de um intervalo com boa cimentação e promover a comunicação indesejada entre zonas .15 2.3.4 -Tampão Balanceado Esta técnica é normalmente empregada em operações à baixa pressão, sendo que os volumes: (1) da pasta de cimento, (2) do colchão espaçador à frente e atrás da pasta e (3) de deslocamento da pasta são calculados de forma a se obter um tampão balanceado hidrostaticamente em f rente ao local em que será efetuada a cimentação. Para se obter o balanceamento, o colchão separador, bombeado à frente da pasta, deve ter um volume que ocupe uma altura do espaço anular revestimento X coluna equivalente à altura de coluna ocupada pelo colchão separador bombeado atrás da pasta. Normalmente o volume de água atrás da pasta é adotado como sendo 1 barril e à frente o volume correspondente para a mesma altura de coluna de água. A extremidade da coluna deve ficar posicionada cerca de 3 metros abaixo dos canhoneados inferiores garantindo que, após o deslocamento e balanceamento hidrostático, todos os furos estejam cobertos com pasta. A composição da coluna pode ser livre ou com packer. O uso de packer somente é necessário quando existe canhoneados abertos acima do ponto de injeção da pasta, ou quando existir dúvidas quanto à capacidade do revestimento em suportar as pressões de operação. Neste caso, a quantidade de tubos abaixo do packer deve ser dimensionada de forma conveniente, em função do volume de pasta a ser usado, de forma que o tampão de cimento deslocado fique abaixo do packer. Após o balanceamento do tampão, os tubos imersos na pasta são retirados e se procede a uma circulação reversa, com volume correspondente a 1,5 vezes o volume da coluna de trabalho, para completa limpeza da mesma de eventuais resíduos de cimento. A partir daí a pasta é comprimida, geralmente segundo a técnica de hesitação. Hesitação é uma técnica de compressão geralmente utilizada em operações à baixa pressão, na qual a pasta é comprimida em intervalos regulares para diversos níveis de pressão. Após a pressurização inicial, sempre inferior à pressão de quebra, aguarda-se a queda da pressão examinando-se a curva de pressão registrada na superfície. O aumento do raio de curvatura da queda de pressão indica a formação de reboco, ao passo que uma curvatura de raio constante nos diversos ciclos indica a injeção de pasta em alguma cavidade por detrás do revestimento ou a existência de furos ou vazamentos no interior do poço. Após a conclusão da compressão, é necessário liberar a pressão da tubulação e 16 determinar o volume de pasta injetado. Mesmo em intervalos fraturados, a técnica de hesitação é aplicável, com resultados plenamente satisfatórios, sendo recomendado usar pastas com maior filtrado API. Nos casos de zonas fraturadas onde não se consegue atingir pressões estabilizadas é conveniente que, após se injetar um volume desejado de pasta, se feche o poço e aguarde a pega da pasta, para posterior corte do cimento com a broca. Fig. 3.3 Para se obter pressão final estabilizada em tamponamento de canhoneados, nos casos onde a operação está exigindo mais pasta do que se previa, é comum hesitar a pasta deixando-se tempos maiores de decaimento de pressão, visto que, nestes casos a intenção é permitir o início da pega do cimento. Uma operação considerada ideal é aquela onde tudo acontece de acordo com o previsto, sem sobressaltos, resultando em testes de pressão direta e reversa positivos. No caso de correções de cimentação primária, é recomendável que não se sonegue pasta, caso a operação esteja exigindo, visto que se pretende preencher completamente o restante do anular que não tenha sido preenchido durante a cimentação primária. Nas operações de tampão balanceado realizadas sem packer, a pasta é deslocada até o ponto desejado, a tubulação de produção é suspensa acima do tampão de cimento e após circulação reversa para limpeza da coluna, o BOP é fechado, e então, é aplicada a pressão de injeção. Portanto, em tais operações deve-se considerar também como limite, além da pressão de quebra da formação, a resistência a pressão interna do revestimento. Cálculo de Volumes para o Tampão Balanceado: Conhecendo-se: capacidades do revestimento (Cr), da coluna de trabalho (Ct), do anular (Ca) e do anular junto com o da coluna de trabalho (Ca+t); volume de pasta em bbl (Vp); comprimento do intervalo canhoneado (Ic); extremidade da coluna (H), que deve estar 3 metros abaixo da base dos canhoneados. Calcula-se a altura do tampão de cimento com a coluna imersa, que naturalmente deve ser inferior ao comprimento da cauda (Lcauda): Hc (m) =Vp (bbl) / Ca+t (bpm) 17 A altura do tampão de cimento sem a coluna: Hs (m) =Vp (bbl) / Cr (bpm) O volume de água atrás (Vat), normalmente utilizado 1 barril mas podendo ser aumentado, deve gerar uma altura de coluna de água de: Hat =Vat (bbl) / Ct (bpm) O volume de água à frente (Vaf), para uma mesma altura de coluna de água é dada por: Vaf (bbl) =Hat (m) .Ca (bpm) Calculando-se o volume de deslocamento (Vd) para balancear o tampão tem-se: Vd (bbl) =Ct (bpm) .[H (m) Hat (m) Hc (m)] O número de tubos à retirar deve ser tal que deixe a extremidade da coluna fora do tampão de cimento. O volume de circulação reversa é igual a 1,5 vezes o volume de deslocamento. 2.3.5 -Injeção Direta Esta técnica pode ser empregada tanto em operações à baixa pressão (quando há boa injetividade) como em operações à alta pressão. A pasta de cimento é bombeada, continuamente, até a pressão final desejada, que pode ser maior ou menor que a pressão de quebra da formação. Após o final do bombeio, a pressão é monitorada, e caso não fique estabilizada, se reinicia a operação com a injeção de mais pasta até se obter a completa vedação dos furos e a estabilização da pressão. A coluna de operação para os squeeze pode ser livre, com packer ou com retentor de cimento (vide fig. 3.4). Esta técnica de correção deve ser a preferida quando se prevê a utilização de maiores volumes de pasta. 18 2.3.6 -Recimentação É a técnica a ser utilizada quando os perfis sônicos indicam revestimento livre onde o isolamento hidráulico está sendo exigido. Nos casos onde o perfil não indique revestimento livre, possivelmente haverá dificuldade de circulação da pasta em longos trechos. A ausência de cimento em determinados trechos pode ser decorrência de entupimentos do anular, por carreamento de detritos durante a cimentação primária, gerando incremento da pressão de circulação e o fraturamento de alguma formação, ou também pode ser decorrência de sobredeslocamento da pasta. A recimentação consiste basicamente na circulação de colchões lavadores, colchões espaçadores e pasta de cimento entre os pontos previamente perfurados, de forma similar a uma cimentação primária. Como diretriz, a recimentação deve ser executada o mais breve possível, logo após o término da cimentação primária, onde tenha se verificado indícios de falhas. Isto se deve ao fato de que o fluido de perfuração em repouso no anular pode ocasionar decantação dos sólidos, inviabilizando a circulação da pasta de cimento. Um retentor de cimento é enato assentado próximo e acima do canhoneado inferior. Os retentores de cimento (cement retainer) tem constituição semelhante ao tampão mecânico (bridge plug) e possuem uma válvula para evitar o retorno da pasta de cimento para da coluna após a circulação da pasta e o desencaixe do stinger, reduzindo também o perigo de prisão da ferramenta pela deposição de pasta sobre o packer (3.5). 19 2.3.7 -Determinação da Altura Máxima da Pasta O cálculo envolve o gradiente de fratura da formação, do fluido e da pasta, a altura máxima de cimento e canhoneados (profundidade), mais um fator de segurança. Gradiente de Fratura do Fluido X (Prof Canhoneados Altura Max Cimento) +Gradiente de Fratura da Pasta X Altura Max Cimento +Fator de Segurança Gradiente de fratura da formação X Prof Canhoneados =2.3.8 -Composição do Cimento Todos os tipos de cimento apresentam combinações de quatro componentes principais, representados pelas letras C, A, F e S. C: óxido de cálcio, CaO A: óxido de alumínio, Al2 O3 F: óxido de ferro, Fe2 O3 S: sílica, SiO 2 Outros componentes podem ser encontrados no cimento, em baixos teores. Entre eles estão óxido de magnésio (MgO) e sulfatos alcalinos originados de compostos de enxofre presentes nas argilas e no combustível de aquecimento do forno rotativo. 20 2.3.9 -Hidratação do Cimento A adição de água ao cimento produz uma pasta bombeável que tem a propriedade de conservar uma plasticidade durante certo tempo, após o qual sofre um aumento brusco na sua viscosidade. A perda de plasticidade é denominada "pega" do cimento e ocorre em paralelo com um lento processo de endurecimento, responsável pelas propriedade mecânicas das pastas, argamassas e concretos. O fim da pega pode ser determinado quando a aplicação de pequenas cargas deixa de provocar deformações na pasta, que se torna um bloco rígido. As reações de pega e endurecimento do cimento são bastante complexas, pelo fato de ser o cimento uma mistura heterogênea de vários compostos que se hidratam mais ou menos independentemente. O comportamento dos diferentes compostos frente à hidratação é responsável pelas propriedades aglomerantes do cimento. 2.3.10 -Classificação do Cimento quanto ao Tempo de Início da Pega O cimento é dito de pega "normal" quando o início da pega ultrapassa 60 minutos, ou "semi-rápida" quando fica entre 30 e 60 minutos. Pega "rápida" demora menos de 30 minutos. 0 pega rápida 30 60 t (minutos) pega semi- rápida pega normal O fim da pega se dá de 5 a 10 horas após seu início para cimentos normais. Em cimentos de pega rápida, o fim ocorre em poucos minutos. 2.3.11 -Características da Pasta de Cimento O desempenho de uma pasta de cimentos depende basicamente das características do cimento, da temperatura e pressão a que o mesmo é submetido, da concentração e do tipo de aditivos, da ordem de mistura, da energia de mistura e da razão água-cimento. Devido à grande interação entre os vários aditivos incluídos na pasta e à variação da composição do cimento em função da batelada, os testes com as pastas são imprescindíveis para a previsão do desempenho da pasta a ser utilizada. Para a maior parte das operações com cimento na completação, a pasta deve apresentar baixa viscosidade, não gelificar quando estática, manter a viscosidade praticamente constante até a ocorrência da pega, ter baixa perda de filtrado sem separação de água livre ou decantação de sólidos. A verificação dessas características é feita através de testes laboratoriais, dentre os quais podemos destacar: Reologia: As propriedades reológicas estão relacionadas ao comportamento mecânico da pasta. Seu entendimento e controle nas operações com cimento visam otimizar a eficiência com que a pasta de cimento desloca o fluido do espaço anular sob determinado regime de fluxo e a real pressão exercida sobre as paredes do poço. 21 Perda de fluido: O teste de filtrado estático visa medir a taxa de desidratação da pasta. A redução do filtrado de uma pasta através da adição de redutores de filtração previne sua desidratação prematura, protege formações sensíveis a dano e gera reboco de menor espessura e baixíssima permeabilidade. Água livre: Quando os sólidos de uma pasta não estão completamente dispersos na suspensão, pode ocorrer migração ascendente da água, que acumula-se em bolsões nas partes mais elevadas da coluna de cimento. O fenômeno cria canais e altera a pasta ao longo da coluna. Resistência Compressiva: Tem valor inversamente proporcional à razão águacimento e não necessariamente à densidade. Uma boa resistência à compressão deve garantir o selamento de canhoneados. Cálculo da Pasta de Cimento: Além da concentração de aditivos sólidos e líquidos, o cálculo determina o volume de cimento, peso específico e rendimento da pasta, e volume de água da mistura. O entendimento de algumas definições se faz importante para a compreensão do cálculo: A concentração de sólidos é dada pela relação percentual em peso entre o aditivo e um saco de cimento (94 libras). A concentração de líquidos é dada pela relação em volume entre o aditivo e um saco de cimento (um pé cúbico). rendimento da pasta é o volume da mesma produzido por cada pé cúbico de cimento. fator água/cimento é a relação em peso entre água e cimento, expressa em percentual ou fração. Água de mistura é a água já misturada à todos os aditivos, líquidos ou sólidos, pronta para receber o cimento. Aditivos para pasta de cimentos. Controladores de filtrado: Diminuem a permeabilidade do reboco de cimento criado e/ou aumentam a viscosidade do filtrado. Dividem-se em duas classes: materiais finamente divididos e polímeros solúveis em água. A redução do filtrado previne a desidratação prematura da pasta, gerando reboco de menor espessura e baixíssima permeabilidade. Aceleradores de pega: Aumentam a taxa de hidratação do cimento, através do aumento do caráter iônico da fase aquosa. Os mais utilizados são o cloreto de sódio e o cloreto de cálcio. Retardadores de pega: Têm efeito contrário ao dos aceleradores, decrescem a taxa de hidratação. Os mais comuns são celuloses, lignosulfonatos e derivados de açúcar. Atuam inibindo a precipitação do hidróxido de cálcio. 22 Dispersantes: Reduzem a velocidade aparente, o limite de escoamento e a força gel das pastas, melhorando suas propriedades de fluxo. Facilitam a mistura da pasta, reduzem a fricção e permitem a confecção de pastas de elevada densidade. Os sulfonatos são os mais comuns. A adição de dispersantes pode produzir um efeito secundário indesejável: aumento da água livre e da decantação dos sólidos, tornando a pasta menor estável. Adensantes: Têm efeito principal oposto ao dos dispersantes, ou seja, aumentam a densidade da pasta. Estendedores: Visam reduzir a densidade ou aumentar o rendimento da pasta. Dividem-se basicamente em três categorias: estendedores de água (permitem adição de excesso de água), materiais de baixa densidade e gases. 23 3 -Avaliação da Cimentação e Perfilagem 3.1 -Introdução A avaliação de cimentação ocorre após a instalação dos equipamentos de segurança e o posterior condicionamento do revestimento de produção/liner. Avaliar a cimentação consiste em checar se os inúmeros objetivos propostos para esta operação foram alcançados. Nas cimentações primárias, a pasta posicionada no espaço anular entre a parede do poço e o revestimento descido em cada fase de perfuração tem vários objetivos além de suportar o peso dos tubos. Por exemplo, no revestimento condutor, o objetivo é impedir a circulação de fluidos de perfuração e uma possível corrosão de aços. No de superfície, o cimento visa proteger horizontes superficiais de água e suportar equipamentos e colunas a serem descidos posteriormente. No revestimento intermediário, o objetivo é isolar/proteger formações instáveis geologicamente, portadoras de fluidos corrosivos, com pressão anormal e/ou com perda de circulação. No revestimento de produção, o objetivo principal do cimento é promover a vedação hidráulica eficiente e permanente entre os diversos intervalos produtores, impedindo a migração de fluidos. A existência de uma efetiva vedação hidráulica entre intervalos produtores é de fundamental importância técnica e econômica, e condiciona o sucesso de etapas subseqüentes. A intercomunicação de fluidos por detrás do revestimento pode causar a produção de fluidos indesejáveis, testes de produção e de avaliação incorretos, prejuízo no controle dos reservatórios e operações de estimulação mal sucedidas, com possibilidades inclusive de perda do poço. Portanto, a decisão de corrigir ou não a cimentação primária é de grande importância e deve ser tomada com a máxima segurança possível. Ao longo da vida produtiva dos poços, o cimento também pode ser utilizado para tamponar canhoneados, reparar furos e vazamentos no revestimento, isolar zonas produtoras, combater perda de circulação e efetuar operações de abandono do poço. Existem diversos métodos para a avaliação da qualidade de uma c imentação. Dentre os principais, encontram-se os testes hidráulicos, os testes de pressão com diferencial positivo ou negativo, os perfis de temperatura, os traçadores radioativos e os perfis sônicos e ultra-sônicos. A escolha do método de avaliação depende dos objetivos de cada trabalho. Vamos tratar especificamente das técnicas de avaliação de cimentação mediante perfis sônicos. Este é o método mais utilizado e que permite efetivamente avaliar a qualidade da cimentação e a possibilidade de migração de fluidos. 3.2 -Objetivo da perfilagem sônica A perfilagem sônica a poço revestido tem como objetivos principias: inferir a existência ou não de intercomunicações entre os intervalos de interesse, analisar o grau de 24 isolamento entras as zonas de gás, óleo e água, e verificar a aderência do cimento ao revestimento e à formação. 3.3 -Aderência do Cimento O principal objetivo da cimentação primária é fornecer um bom isolamento hidráulico entre as diversas zonas permeáveis, impedindo a movimentação de fluidos, seja líquido ou gás, pelo espaço anular formado entre o revestimento e a formação. 3.3.1 -Tipos de aderência Os principais tipos de aderência são: Aderência Mecânica (Shear Bond Strength): definida como sendo a razão entre a força requerida para iniciar o deslocamento de um tubo cimentado e a área lateral de contato. Geralmente é expressa em psi e traduz o grau de adesão entre o cimento e o revestimento. Aderência Hidráulica (Hydraulic Bond): definida como a pressão de líquido que, aplicada na interface revestimento/cimento ou formação/cimento, provoca vazamento. É expressa em psi e corresponde a aderência que impede a migração de fluidos. 3.3.2 -Fatores que influenciam a aderência do cimento Os principais fatores relacionados às falhas de aderência nas interfaces entre revestimento, cimento e formação, são: Rugosidade da parede externa do tubo: A aderência mecânica e hidráulica é grandemente afetada em função do tipo de acabamento ou rugosidade da parede externa do revestimento. Quanto maior a rugosidade, maior a aderência. Filme de lama e canalizações na interface: A correta remoção da lama de perfuração é apontada como o fator mais importante para se evitar o fluxo de fluidos entre os diferentes horizontes permeáveis. Tipo de fluido no anular: A aderência sofre alteração em função do tipo de fluido que molha a superfície do tubo. Inserir tabela 3.2 25 Microanular Pequenos canais provocados pela expansão/contração do revetimento. Variações de pressão e temperatura podem induzir a deformações no revestimento, que modificam as tensões no cimento e nas interfaces, possibilitando a quebra de aderência e o aparecimento de um pequeno espaço entre o revestimento e o cimento, chamado de microanular. Geralmente admite-se que não há fluxo pelo microanular devido às suas dimensões reduzidas, da ordem de 0,1mm. Devido à redução parcial ou total da aderência na interface, o microanular interfere no perfil sônico, induzindo a uma interpretação equivocada. Uma solução para isto, e a corrida de um perfil pressurizado, de forma a promover a expansão do revestimento, resgatando assim a aderência na interface. 3.4 -Movimento Ondulatório 3.4.1 -A Onda -Conceitos Básicos A propagação de energia acústica em um meio elástico se faz através de ondas mecânicas. Entende-se por meio elástico aquele que uma vez deformado volta ao estado inicial após cessar a causa perturbadora, como os líquidos e os sólidos. Quando um ponto de um meio contínuo experimenta uma modificação qualquer em suas condições físicas devido a uma perturbação ou abalo impelido por uma fonte ou centro emissor de excitação, há uma propagação progressiva do choque mecânico a todos os pontos do meio, gerando um movimento oscilatório com o deslocamento de cada um desses pontos em relação à sua posição de equilíbrio, sem que o meio se desloque como um todo. Entende-se por onda o conjunto de todas as diferentes posições assumidas por uma partícula de um meio e