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Universidade Estadual do Norte Fluminense Centro de Ciência e Tecnologia
Laboratório de Engenharia e Exploração de Petróleo
CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO
Julio Cesar do Couto Costa
Macaé Dezembro/2004
ii
Universidade Estadual do Norte Fluminense Centro de Ciência e Tecnologia
Laboratório de Engenharia e Exploração de Petróleo
CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO
___________________________________ JULIO CESAR DO COUTO COSTA
Monografia apresentada à Coordenação do Curso de Engenharia de Exploração e Produção de Petróleo do LENEP/CCT/UENF como parte dos requisitos para obtenção do título em Bacharel em Engenharia de E&P Petróleo, sob a orientação de: ___________________________________
DR. WELLINGTON CAMPOS
Macaé Dezembro/2004
iii
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao professor Carlos Alberto
Dias que desde o início de minha trajetória por este laboratório se
mostrou um grande amigo.
Agradeço também aos demais professores e funcionários, que fazem
desta instituição um centro de excelência, em especial ao Eliezer por
estar sempre pronto para ajudar.
Por último e não menos importante, agradeço aos meus pais, Paulo e
Josélia, pelo apoio e amor incondicional, aos meus irmãos por estarem
sempre ao meu lado, aos meus amigos por momentos memoráveis de
alegria e descontração e a minha namorada Raquel, que neste ano de
2004 foi uma inspiração para que eu alcançasse meus objetivos.
Obrigado.
iv
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS....................................................................... iii
SUMÁRIO.................................................................................... iv
1 – INTRODUÇÃO.......................................................................... 1
1.1 – Histórico ........................................................................... 2
2 – TIPOS DE CIMENTAÇÃO............................................................ 3
2.1 – Cimentação primária........................................................... 3
2.2 – Cimentação Secundária....................................................... 5
Fig. 5: Compressão de cimento ....................................................... 7
3 – O CIMENTO............................................................................. 8
3.1 – Classificação dos Cimentos .................................................. 8
4 – ADITIVOS PARA CIMENTAÇÃO................................................. 11
5 – LABORATÓRIO DE CIMENTAÇÃO .............................................. 14
5.1 – Teste Laboratoriais ........................................................... 18
6 – EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO............................................ 23
7 – ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO................................................ 25
8 – CONCLUSÃO ......................................................................... 33
BIBLIOGRAFIA............................................................................ 34
1
1 – INTRODUÇÃO
Este trabalho tem por finalidade oferecer visão geral sobre as operações
de cimentação, equipamentos, acessórios e testes laboratoriais que
envolvem a cimentação de poços de petróleo. É um trabalho baseado
nas aulas do curso de Engenharia de Petróleo desta instituição e
estágios realizados na BJ Services e Petrobrás.
A operação de cimentação consiste em um trabalho de extrema
importância para as fases de perfuração e completação de poços de
petróleo e tem um grande impacto sobre a produtividade do poço.
A cimentação basicamente consiste no preenchimento do espaço anular
entre os tubos e a parede da formação e tem como principal finalidade a
união da tubulação de revestimento com a parede do poço, além do
objetivo de formar um tampão de selo no fundo do poço ou para corrigir
desvios do furo durante a perfuração.
A falta de integridade do cimento pode comprometer a produção final do
poço e causar uma comunicação não desejada entre as diferentes zonas
do reservatório. Em alguns casos, isto pode até resultar em danos
ecológicos, como por exemplo, a comunicação de uma zona de
hidrocarbonetos com uma zona de água.
2
1.1 – Histórico
O primeiro uso de cimento em poço de petróleo ocorreu na Califórnia em
1883, mas só em 1902 se deu início ao do cimento Portland em
processo manual de mistura. Em 1910 Almond A. Perkins patenteou o
método de bombeamento onde a pasta é deslocada para o poço através
de vapor, água ou fluido de perfuração.
Em 1922, Erle P. Halliburton patenteou o Jet Mixer, um misturador
automático com jatos, ampliando assim as possibilidades operacionais.
Devido a este fato, diversas companhias passaram a adotar a prática de
cimentar os revestimentos.
A partir de 1923, fabricantes americanos e europeus de cimento
passaram a fabricar cimentos especiais para a indústria de petróleo,
onde certas propriedades da pasta de cimento foram trabalhadas ao
longo do tempo. Até então, aguardava-se de 7 a 28 dias para o
endurecimento do cimento, mas com o advento dos aditivos químicos, o
tempo de pega foi sendo paulatinamente reduzido (72 horas até 1946 e
posteriormente de 24 a 36 horas). Hoje, as pastas podem se manter
fluidas a alta temperatura e pressão por cerca de 4 horas, em geral,
permitindo seu deslocamento em poços profundos. A partir deste
tempo, a pasta endurece rapidamente e as atividades no poço só podem
ser retomadas de 6 a 8 horas após a cimentação.
3
2 – TIPOS DE CIMENTAÇÃO
2.1 – Cimentação primária
Denomina-se cimentação primária à cimentação principal da coluna de
revestimento. Seu objetivo básico é colocar a pasta de cimento não
contaminada (pasta de cimento sem contato com o fluido de perfuração)
em uma posição pré-determinada do espaço anular entre o poço e a
coluna de revestimento, de modo a se obter fixação e vedação eficiente
e permanente deste anular. Estas operações são previstas no programa
de perfuração e executadas em todas as fases do poço.
Fig. 1: Cimentação Primária
Cimentação Primária
Revestimento
condutor Revestimento de
Superfície
Revestimento
Intermediário
Revestimento de
Produção
4
Durante embarque realizado na SS-39, como parte do meu estágio
curricular, pude acompanhar a cimentação das duas primeiras fases do
Poço 1-ABL-75D-RJS, sendo essas duas fases realizadas com sucesso.
Seqüência Operacional de Uma Cimentação Primária (Thomas, J.
E., 2001)
1 – Montagem das linhas de cimentação;
2 - Circulação para condicionamento do poço e preparação do colchão
de lavagem;
3 – Bombeio do colchão de lavagem;
4 – Teste de pressão das linhas de cimentação, onde são feitos testes
até uma pressão superior à máxima prevista durante a operação;
5 – Lançamento do tampão de fundo (opcional);
6 – Mistura da pasta mais leve, devendo cobrir o intervalo programado;
7 – Mistura da pasta mais densa e mais resistente à compressão;
8 – Lançamento do tampão de topo;
9 – Deslocamento com fluido de perfuração;
10 – Pressurização do revestimento para teste de vedação do tampão de
topo.
Durante o mesmo embarque citado acima, tive a chance de acompanhar
o trabalho da operação de cimentação realizada pela companhia
Schulumberger, observando que esta seqüência foi seguida
corretamente.
5
2.2 – Cimentação Secundária
São assim denominadas as operações emergenciais de cimentação,
visando permitir a continuidade das operações.
As cimentações secundárias são classificadas como:
Tampão de cimento: Consiste no bombeamento de determinado
volume de pasta para o poço, visando tamponar um trecho deste. É
aplicado nos casos de perda de circulação, abandono (total ou parcial)
do poço, como base para desvios, etc.
Fig. 2: Tampão de abandono
Tampão de Cimento
Tampão de Cimento
Tampão de Cimento
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Fig 3: Tampão para perda de circulação
Como parte do estágio realizado na Petrobrás, no ATEX/AAG (ativo
exploratório/ acompanhamento geológico) em conjunto com outra aluna
do LENEP (Carolina Berthold) foi realizado uma apresentação sobre
normas e técnicas de abandono de poços de petróleo, trabalho este
apresentado em vários congressos internos e externos à Petrobrás.
Recimentação: É a correção da cimentação primária, quando o
cimento não alcança a altura desejada no anular. O revestimento é
canhoneado em dois pontos com profundidades distintas. A
recimentação só é feita quando se consegue circulação pelo anular,
através destes canhoneios (perfuração realizada no revestimento). Para
possibilitar a circulação com retorno, a pasta é bombeada através de
coluna de perfuração, dotada de obturador (Packer) que permite a
pressurização necessária para a movimentação de pasta pelo anular.
CEP
TTuubboo ddee ppeerrffuurraaççããoo
BBuurraaccoo aabbeerrttoo
ZZoonnaa ddee PPeerrddaa TTaammppããoo ddee cciimmeennttoo
7
Fig 4: Recimentação
Compressão de cimento ou Squeeze: Consiste na injeção forçada de
cimento sob pressão, visando corrigir localmente a cimentação primária,
sanar vazamentos no revestimento ou impedir a produção de zonas que
passaram a produzir água.
Fig. 5: Compressão de cimento
CiMENTO
PACKER
8
3 – O CIMENTO
Os principais componentes do cimento Portland são: óxido de cálcio,
alumina e ferro, que combinados formam os seguintes compostos
(Gouvêa, Paulo C. V. M. 1983):
3CaO.SiO – Silicato tricálcio ou Alita, representado por C3S.
2CaO.SiO2 – Silicato dicálcico ou Belita, representado por C2S
3CaO.Al2O3 – Aluminato tricálcico ou Celita, representado por C3A
4CaO.Al2O3.Fe2O3 – Ferro aluminato tetracálcio ou Ferrita,
representado por C4AF.
A proporção destes compostos no cimento determina suas propriedades,
como resistência inicial, retardamento, velocidade de hidratação,
resistência aos sulfatos, etc.
3.1 – Classificação dos Cimentos
A classificação dos cimentos foi estabelecida pelo API (American
Petroleum Institute), visto que as condições às quais os cimentos estão
expostos nos poços podem variar radicalmente. Os processos de
fabricação e composição química do cimento foram padronizados em 8
classes, de A a H, cujas quais estão arranjadas de acordo com a
profundidade, temperatura e pressão aos quais estão expostos na
aplicação do cimento.
Dentro de algumas classes, podem ser encontrados cimentos com
diferentes graus de resistência ao sulfato (que é determinado pelo
9
conteúdo de C3A), são eles: ordinário, resistência moderada e alta
resistência.
Abaixo está apresentado uma descrição de cada classe API.
Classe A – É utilizada desde a superfície até 6000 pés (1830 metros),
quando propriedades especiais não são requeridas. Disponível somente
no tipo ordinário.
Classe B – É utilizada desde a superfície até 6000 pés (1830 metros),
quando é necessária moderada à alta resistência ao sulfato.
Classe C – É utilizada desde a superfície até 6000 pés (1830 metros),
quando as condições exigem pega rápida e grande resistência
compressiva. Esta classe está disponível em todos os graus de
resistência ao sulfato.
Classe D – É utilizada de 6000 pés (1830 metros) até 10000 pés (3050
metros), sob condições de moderadas temperaturas e pressões. Está
disponível nos tipos de média e alta resistência al sulfato.
Classe E – É utilizada de 10000 pés (3050 metros) até 14000 pés
(4270 metros), sob condições de altas temperaturas e pressões. Está
disponível nos tipos de média e alta resistência al sulfato.
Classe F – É utilizada de 14000 pés (4270 metros) até 16000 pés
(4880 metros), sob condições de extremamente altas temperaturas e
pressões. Está disponível nos tipos de média e alta resistência al sulfato.
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Classe G e H – São utilizadas sem aditivos químicos da superfície até
8000 pés (2440 metros), ou com aceleradores e retardadores para
cobrir um grande intervalo de pressões e temperaturas. Nenhum outro
aditivo que não seja sulfato de cálcio ou água, ou ambos, devem ser
misturados durante a manufatura destas classes de cimento. Estão
disponíveis nos tipos de média e alta resistência ao sulfato. A
composição química dos cimentos classes G e H são essencialmente as
mesmas. A principal diferença está na área superficial.
As classes D, E e F são conhecidas como cimento retardados, para
utilização em grandes profundidades. A retardação é acompanhada por
significante redução da quantidade de fases de hidratações mais rápidas
(C3S e C3A), e pelo aumento do tamanho dos grãos de cimento. Desde
que estas classes começaram a ser fabricadas, a tecnologia de
retardadores químicos sofreu grande melhoria.
As classes G e H foram desenvolvidas em resposta ao incremento de
tecnologia na aceleração e retardo da pasta por meio químico. Os
fabricantes estão proibidos de adicionar químicas especiais, tais como
glicol ou acetatos. Estas químicas aumentam a eficiência de moagem,
mas interferem com vários aditivos dos cimentos. Estas classes são de
longe as mais comuns utilizadas na indústria do petróleo.
No Brasil, por muito tempo foi utilizado o cimento comum (classe A),
mas a partir do final da década de 70 foi adotado preferencialmente o
cimento classe G, que pode ser usado em maiores profundidades com
mais segurança.
11
Estes cimentos, por serem de consumo específico da indústria de
petróleo, têm fabricação intermitente, sendo fornecidos em bateladas de
volume limitado, com ligeiras variações de performance de um para
outro.
A tabela a seguir especifica as propriedades físicas das diferentes
classes de cimento.
Tabela – Propriedades Físicas dos Tipos de Cimentos API
Classes Propriedade Física A e B C D e E G H
Densidade 3,14 3,14 3,16 3,15 3,15 Área superficial (cm2/g)
2900-3800
4300-5000
2300-3100
3000-3800
2300-2700
Massa (lb/sc) 94 94 94 94 94 Volume Absoluto (gal/sc)
3,59 3,59 3,57 3,58 3,58
Água de Mistura (l/sc) 19,6 23,9 16,3 18,8 16,3 Rendimento (l/sc) 33 37 30 33 30 Massa Específica (lb/gal)
15,6 14,8 16,4 15,8 16,4
4 – ADITIVOS PARA CIMENTAÇÃO
Denominam-se aditivos os compostos químicos adicionados à pasta de
cimento visando sua adequação às necessidades do poço. Suas
concentrações são determinadas por testes de laboratórios. Os aditivos
podem ser fornecidos em pó ou líquido. Quando em pó, sua dosagem é
dada em percentagem do peso do cimento, enquanto os líquidos são
dosados por volume, usualmente em galões/pé de cimento.
12
A depender de sua aplicação, os aditivos são classificados como Araújo,
(Araújo, R. G. S., Padilha, S. T. C. S., 1980):
Aceleradores – Visam diminuir o tempo de espessamento e aumentar
a resistência compressiva inicial da pasta. O mais comum é o cloreto de
cálcio (CaCl2), em proporção de 0,5 a 2%. O sal comum (NaCl) também
é acelerador a baixas concentrações (até 6%).
Retardadores – Permitem o retardamento do início da pega da pasta
para permitir o deslocamento da pasta quando a temperatura e a
pressão são muito altas para o uso do cimento sem aditivos. Os
retardadores são fabricados à base de lignossulfonatos e seus derivados,
ácidos orgânicos, derivados de celulose e derivados de glicose. Agem
por absorção superficial ou por formações de precipitados superficiais
impermeáveis que retardam o processo de hidratação.
Extendedores – Permitem obter maior rendimento da pasta,
resultando em pastas mais leves, possibilitando maiores alturas de
pasta por causarem menor pressão hidrostática. Podem funcionar por
absorção de água (argilas, como a bentonita, ou produtos químicos,
como silicatos) ou pela adição de agregados de baixa densidade
(pozolana, perlita, gilsonita). Em casos especiais pode-se usar
nitrogênio ou microesferas cerâmicas para criar pastas
excepcionalmente leves.
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Redutores de fricção (ou dispersantes) – Permitem o afinamento da
pasta, como isto permitindo adoção de maiores vazões com menores
perdas de carga, causando melhor remoção do fluido de perfuração e
um menor risco de fratura de formações. São usados secundariamente
como um meio de obter pastas mais pesadas, compensando a
viscosificação que ocorre com a diminuição do teor de água da pasta. A
dispersão é obtida quebrando mecanicamente a suspensão ou pela
modificação química das interações eletrostáticas, produzindo partículas
carregadas eletricamente, que se repelem, por terem a mesma carga.
Os parâmetros reológicos a serem definidos são: Viscosidade e limites
de escoamento.
Controladores de filtrado – Visam evitar a desidratação prematura da
pasta frente às zonas permeáveis, mantendo a bombeabilidade e
impedindo que se cause danos à formação produtora. Como um dos
fatores que afeta o controle de filtrado da pasta é seu grau de
dispersão, os controladores de filtrado são sempre usados
simultaneamente com os dispersantes. Os mecanismos de atuação são a
melhoria da distribuição das partículas e a viscosificação da água
intersticial da pasta.
Outros – Além dos aditivos citados acima, podem ser também usados
outros aditivos como os antiespumantes, para evitar aeração da pasta,
os adensantes, os controladores de perda de circulação, os
descontaminantes, os traçadores radioativos e corantes para se detectar
a presença do cimento e as areias de granulometria controlada (sílica
14
flúor, sílica coarse) para evitar a degradação do cimento a altas
temperaturas (mais de 230ºF).
Uma nova geração de aditivos especiais destina-se a conter a migração
de gás logo após a cimentação, por meio da impermeabilização da pasta
ao gás ou por meio da geração proposital e controlada de gases dentro
da própria pasta.
Como experiência adquirida no laboratório de cimentação da BJ
Services, posso afirmar que um tipo de aditivo bastante utilizado na
fabricação de pastas de cimentos, são os antiespumantes, retardadores
de tempo de pega e aceleradores.
Tive a oportunidade de presenciar a preparação de pastas de cimentos
com aditivos chamados de microesferas, para obtenção de pastas mais
leves, estes tipos de pastas particularmente são bem difíceis de serem
preparadas, levando em conta que o blender em alta rotação pode partir
as esferas e não atingir o objetivo da pasta.
5 – LABORATÓRIO DE CIMENTAÇÃO
Os ensaios realizados no Laboratório de Cimentação englobam
determinações de propriedades de pastas de cimento, tais como
densidade, tempo de espessamento, tempo de pega, parâmetros
reológicos, perda de filtrado, água livre, estabilidade, resistência
compressiva e de bloqueio ao gás. Tais determinações têm por principal
propósito subsidiar os projetos de pastas de cimento, tanto para
cimentações primárias quanto para compressão de cimento (squeeze),
como exemplos.
15
Os principais equipamentos desse laboratório são:
Viscosímetro
Fig 6: Viscosímetro
Balança de Lama Pressurizada
Fig 7: Balança de lama pressurizada
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Balança de Lama Atmosférica
Fig 8: Balança de lama atmosférica
Consistômetro Atmosférico
Fig 9: Consistômetro atmosférico
17
Filtro Prensa
Fig 10: Filtro prensa
Analisador Ultra-Sônico de Cimento
Fig 11: Analizador Ultra-Sônico de cimento
18
Blender
Fig 11: Blender
Consistômetro Pressurizado
Câmara de Cura
Prensa Hidráulica
Filtro Prensa com Agitação
Analisador de Migração de Gás
Analisador de Distribuição Granulométrica
Como parte de meu estágio na BJ Services, manuseei todos os
acessórios acima citados.
5.1 – Teste Laboratoriais São realizados com duas finalidades:
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• Verificação das propriedades básicas e das condições do cimento
antes do envio da fábrica para o campo, visando a aprovação das
bateladas (cimentos).
• Como simulação da operação, visando adequação do sistema da
pasta pelo ajuste da concentração dos aditivos em função da
interpretação dos resultados.
Os parâmetros principais para a realização dos testes de laboratório são
a pressão, a temperatura, o tempo previsto de operação e o regime de
fluxo durante o deslocamento, além do tipo do cimento (batelada) e dos
aditivos disponíveis (Gouvêa, Paulo C. V. M., 1983)
Para padronizar os procedimentos de testes, uma série de normas foram
editadas, inicialmente pelo API (American Petroleum Institute) e pela
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Posteriormente, a
Petrobrás, em conjunto com companhias de serviço atuantes na área de
cimentação, elaborou um manual de Procedimentos e Métodos de
Laboratório Destinados à Cimentação de Poços Petrolíferos (PROCELAB),
que padronizou procedimentos de testes, viabilizando comparações
inter-laboratoriais.
Os principais testes que podem ser realizados em um laboratório de
cimentação são:
Finura – Determina a granulometria do cimento, expressa em função
da superfície específica dos grãos de cimento da amostra. É realizado
como verificação da fábrica. Pode ser feito por dois métodos, um deles
20
com base na permeabilidade ao ar (Teste de Blaine) e outro com base
na velocidade de sedimentação das partículas em solução de querosene
(Teste de Wagner). Só é realizado antes da liberação da batelada.
Água Livre – Visa determinar a quantidade de água que tenderá a
migrar através da pasta. Este valor deve ser limitado principalmente
para evitar canalizações de gás após a cimentação, em poços direcionais
e para evitar diferenciamento do endurecimento da água acumulada
acima da pasta após deixá-la em repouso em proveta graduada de 250
ml. O teor de água livre é limitado pelo API em 3,5 ml, o que equivale a
uma porcentagem de 1,4% de água, em relação ao peso do cimento.
Resistência à compressão – São testes que medem o esforço
necessário para romper corpos de prova moldados em condições que
simulem as do fundo do poço. Os corpos de prova são preparados em
moldes padronizados e deixados em câmara de cura. Os testes são
realizados com tempos padronizados de 8, 24, 48 e 72 horas. A variação
da temperatura e da pressão na câmara de cura são controladas
segundo “schedules” ou listagens em função do tempo. A resistência à
compressão mínima, em 8 horas de cura, varia de 300 a 1500 psi para o
cimento classe G, a depender da natureza da operação.
Perda de fluido – Visa determinar o grau de filtração da água da pasta,
cujas consequências principais são a desidratação da pasta com
obstrução do anular e o dano à formação pelo fluido filtrado. O teste
consiste em confinar certo volume de pasta em um cilindro (filtro
21
prensa) em cuja base é colocada uma tela metálica. A pressão aplicada
(100 ou 1000 psi) faz com que o filtrado escoe pela tela metálica. O
tempo padrão do teste é de 30 minutos, após o que se mede o volume
do filtrado e a pressão padrão é a de 100 psi. Para testes a 1000 psi,
deve-se multiplicar o resultado obtido por 2
O filtrado deve ser menor que 200 ml / 30 min em geral. Para uso em
compressões de cimento deve ser limitado a 50 ml / 30 min.
Reologia – Consiste na obtenção das leituras em viscosímetros
rotativos, a partir das quais é feito o estudo do regime de fluxo e do
modelo reológico a adotar para o deslocamento. Contrariamente ao que
acontece durante a perfuração propriamente dita, onde não se deseja
perturbar a parede do poço, criando ali um reboco protetor, durante a
cimentação deseja-se obter um efeito cisalhante que permita a remoção
deste reboco para melhor aderência do cimento à formação, daí ser
desejável o escoamento em fluxo turbulento.
Densidade e peso específico – São determinados com uso da balança
pressurizada, que consiste em um copo pressurizável para colocação da
pasta, ligado a uma haste horizontal com apoio fixo, um nível de bolha e
um peso móvel. A leitura é feita nas escalas impressas na haste, em
função da posição que o peso fique quando se consegue nivelar a haste.
A pasta é pressurizada por meio de uma seringa, previamente cheia de
pasta, para eliminar a influência de bolhas de ar retidas na amostra.
22
Tempo de espessamento – É o teste mais importante, por indicar o
tempo em que a pasta tem consistência que permite ser movimentada
em condições de fundo de poço. O teste é feito em um aparelho
denominado consistômetro pressurizado, que permite o aumento
gradual da temperatura e pressão ao mesmo tempo em que simula o
movimento da pasta, pelo giro de um copo cilíndrico rotativo, dentro do
qual existe um paleta metálica estacionária, apoiada por pino
pontiagudo no fundo do copo e ligada a uma mola espiral que evita seu
giro. Quanto mais espessa se torna a pasta, maior o torque trasmitido à
mola. A consistência da pasta é associada à quantidade de deformação
desta mola.
A variação desta deformação é transformada em impulsos elétricos por
meio de um reostato associado à mola. Estes impulsos são
decodificados, sendo a consistência indicada por uma unidade
denominada Uc (Unidade de Consistência). A pasta não é mais
bombeável ao atingir 100 Uc.
O comportamento ideal da pasta de cimento deve ser uma consistência
inicial entre 10 e 30 Uc, permanecendo abaixo de 40 Uc por 75% do
tempo do teste, com crescimento agudo ao final. A tangente á curva
deve ser praticamente vertical quando a curva atinge a consistência de
100 Uc.
Para a realização dos testes são adotados schedules, que são listagens
padronizadas para controle da evolução da pressão e temperatura no
consistômetro em função do tempo.
23
6 – EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO
Para que seja realizada uma cimentação são necessários diversos
equipamentos, para armazenagem, preparação e transporte do cimento.
Os principais deles são:
Silos de cimento – Para as operações de perfuração em terra, em
geral o cimento é estocado na base da companhia de cimentação, em
grandes silos, sendo enviados para a sonda por meio de carretas
apropriadas. Nas plataformas marítimas são disponíveis materiais a
granel. Estes silos operam a baixa pressão (cerca de 30 psi), quando da
descarga do cimento.
Fig 12: Silo de Cimento
24
Unidades de cimentação – Montadas em caminhões para operações
em terra ou sobre skids em sondas marítimas, as unidades de
cimentação constam geralmente de dois motores para fornecer energia,
dois tanques de 10 bbl cada, para a água e aditivos, duas bombas
triplex, dois conversores para converter movimento rotativos dos
motores no movimento alternativo das bombas, bombas, centrífugas
auxiliares e um sistema de mistura de pasta, onde a água de mistura
(água e aditivos) é bombeada sob pressão por pequenos orifícios,
fluindo em jatos sob um funil por onde chega o cimento. A proporção da
água injetada determinará a densidade da pasta e é controlada pelo
operador. A pasta resultante é acumulada em um tanque ou cuba para
homogeneização e medidores de fluxo, sendo feito o registro de uma
carta circular onde estes valores são traçados, permitindo análise
posterior.
Fig 13: Unidade de Cimentação
25
Linhas de cimentação – A ligação entre a unidade de cimentação e o
poço é feita por tubulação de alta pressão, formada por uma série de
tubos curtos interligados por meio de conexões móveis (chicksam)
dotadas de rolamento para possibilitar montagem até qualquer posição
que fique o topo do revestimento. Atualmente, existe a tendência de
utilização de mangueiras especiais de borracha, mais práticas.
Cabeça de cimentação – Conectada ao topo da coluna de
revestimento, recebe a linha de cimentação, podendo abrigar em seu
interior os tampões de borracha que separam a pasta do fluido de
perfuração. Um mecanismo de travamento retém estes tampões até o
instante próprio de sua liberação. Pode ter entrada para até 3 linhas,
rolamento para permitir o giro da coluna de revestimento e sistema e
conexão especial para maior rapidez de instalação.
7 – ACESSÓRIOS DE CIMENTAÇÃO
Diversos acessórios são conectados ou afixados à coluna de
revestimento, visando garantir o melhor resultado da cimentação. Os
principais acessórios são (Craft, Holden e Graves, 1962):
Sapata – Colocada na extremidade da coluna, a sapata serve de guia
de introdução no poço, podendo receber em seu interior um mecanismo
de vedação, para evitar que a pasta, por ser mais pesada que o fluido
de perfuração, retorne ao interior do revestimento após seu
deslocamento. O tipo mais comum é a sapata flutuante, com válvula
que impede fluxo para o interior da coluna, exigindo que esta seja
26
preenchida com fluido de perfuração e intervalos regulares durante a
descida, para evitar o colapso da tubulação. Para evitar este
preenchimento pode-se usar a sapata diferencial, que passagem de
fluido nos dois sentidos, até que uma esfera é lançada da superfície
bloqueando o fluxo do anular para o interior da coluna, passando a
funcionar como a sapata flutuante.
Fig 14: Sapata
Colar – Posicionado 2 a 3 tubos acima da sapata, o colar serve para
reter os tampões de cimentação, podendo conter mecanismos de
vedação (flutuante ou diferencial) como os da sapata. Normalmente
usado como colar flutuante. Caso não tenha mecanismo de vedação é
denominado colar retentor. Tem em suas extremidades roscas do
mesmo tipo usadas na coluna, sendo previamente conectado a um tubo
de revestimento, para maior rapidez da operação. Deve ser colado ao
tubo por meio de adesivo especial para evitar seu desgarramento
durante seu corte ao se perfurar adiante o poço.
27
Fig 15: Colar
Tampão de fundo – É um tampão de borracha com uma membrana de
baixa resistência em sua parte central . Lançado na coluna à frente da
pasta de cimento, é por esta empurrado até que toque no colar retentor
(ou flutuante), quando a membrana se rompe permitindo a passagem
da pasta. Visa raspar o filme de sólidos do fluido de perfuração que se
adere à parede do revestimento, evitando a contaminação da pasta.
Fig 16: Tampão de Fundo
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Tampão de topo – É um tampão rígido de borracha, lançado após a
pasta, separando-a do fluido de perfuração que a deslocará, para evitar
sua contaminação. É retido pelo colar, causando um aumento de
pressão que indica o término do deslocamento, permitindo a realização
do teste de estanqueidade da coluna.
Fig 17: Tampão de topo
Colar de estágio – Posicionado em algum ponto intermediário da
coluna, o colar ade estágio permite que a cimentação seja feita em mais
de uma etapa ou estágio, quando o trecho a cimentar é muito extenso
ou quando existam zonas críticas muito acima da sapata. Possui orifícios
em seu corpo, originalmente tamponados por um mandril de aço para a
realização do 1º estágio, referente à cimentação do trecho próximo à
sapata.
Concluída a cimentação do 1º estágio, é lançado um tampão de abertura
ou torpedo que se apóia no topo do mandril, deslocando-o por ação de
pressão da superfície, comunicando o interior com o anular, permitindo
a cimentação do 2º estágio. Quando esta é concluída, outro tampão (de
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fechamento) é lançado, apoiando-se no topo de outro mandril, externo
ao anterior, que deslocado de estágio e sua vedação.
É possível fazer uma cimentação com 3 estágios, sendo que neste caso
as dimensões dos mandris e tampões do 2º estágio devem ser
diferenciados do 3º estágio, pois os tampões para abertura e
fechamento do colar do 2º estágio dever paras pelo colar do 3º estágio,
posicionado mais acima.
Centralizadores – São peças compostas de um jogo de lâminas curvas
de aço, que são afixados externamente à coluna de revestimento,
visando centralizá-lo e causar um afastamento mínimo da parede do
poço, para garantir a distribuição do cimento no anular e evitar a prisão
da coluna por diferencial de pressão. Em poços direcionais pode-se usar
centralizadores rígidos (Stand-off bands ou SOB), devido a possibilidade
de achatamento total das lâminas do centralizador comum. As
extremidades das lâminas são encaixadas em anéis bipartidos para
facilitar sua instalação, sendo fechados em volta dos tubos por meio de
pinos que unem os anéis. A fixação dos centralizadores é feita com o
emprego de stop rings que são presos ao tubo para evitar o
escorregamento dos centralizadores. Quando a conexão possui luvas,
procura-se coincidir os centralizadores com as luvas, dispensando os
stop rings.
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Fig 18: Centralizadores
Arranhadores – Tem a função de remover mecanicamente o reboco
que se forma na parede do poço. Tal remoção é feita através dos
movimentos verticais (reciprocações) ou de rotação da coluna,
empregando-se para cada caso o tipo de arranhador apropriado.
Fig 19: Arranhadores
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Obturador externo de revestimento (ECP) – O obturador externo de
revestimento ou ECP é um tipo de revestimento para promover a
obstrução do espaço anular em pontos críticos.
Um de seus principais usos é para proteger zonas fracas, sensíveis ou
de interesse, da atuação da pressão hidrostática do cimento, sendo
usualmente posicionado logo acima de tais zonas. É também comum
seu uso logo abaixo do colar de estágio, garantindo assim que o cimento
do 2º estágio não desça pelo anular, mesmo no caso de haver zonas de
perdas expostas.
O ECP é composto de um tubo curto de revestimento internamente, com
uma câmara inflável formada por lâminas de aço recobertas por
borracha, externamente. De atuação hidráulica, é inflado após o término
da cimentação, pela aplicação de pressão na superfície. O fluido de
perfuração expande a câmara tão logo o diferencial de pressão interior
anular supere o limite de resistência de um pino de cisalhamento
protetor. Estes são disponíveis para atuação a 750, 1000, 1600, 2000
ou 2600 psi de diferencial de pressão. O pino de cisalhamento é
colocado em um sistema de válvulas, que protege-o ECP durante a
descida da coluna e a cimentação, evitando assentamento prematuro, e
mantém a pressão confinada na câmara, após sua atuação.
Colchões de Lavagem e Espaçadores – São bombeados à frente da
pasta visando evitar contaminação desta pelo fluido de perfuração e
vice-versa e auxiliar na remoção do reboco das paredes do poço
possibilitando melhor aderência de cimento.
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Os colchões de lavagem ou lavadores são volumes de fluido (10 a 40
bbl) pouco viscosos, compatíveis com a pasta e com o fluido de
perfuração, atuando por meio de lavagem química e ação mecânica na
diluição e remoção do reboco. Contém materiais dispersantes (ou
afinantes do fluido de perfuração), detergente e, quando necessário,
aditivo para inibir inchamento de argila e redutores de filtrado. Quando
usados com lama a base de óleo, contém ainda surfactantes para
inverter a molhabilidade do revestimento e formação.
Os espaçadores são geralmente viscosos e de densidade ajustável, com
ação mecânica de remoção do reboco, sendo de preparação mais
trabalhosa e uso típico em situações onde se deseje evitar canalização
de gás pela aplicação de pressão hidrostática.
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8 – CONCLUSÃO
Para se obter sucesso numa operação de perfuração de poços de
petróleo, é de essencial importância que nenhuma das etapas inerentes
ao processo sejam negligenciadas. Entre estas etapas está a operação
de cimentação, que tem um impacto direto sobre a produtividade futura
do poço, onde um pequeno erro pode ocasionar uma comunicação não
desejada dentro do reservatório ou até algum tipo de dano ao meio
ambiente, como a mistura de um aqüífero com um reservatório de
petróleo. A integridade das pastas de cimento a serem utilizadas é
garantida pelos ensaios realizados nos laboratórios de cimentação.
Considerando ainda, os altos custos empregados nessas operações, um
pequeno sacrifício no processo de cimentação (como por exemplo, a
tentativa de diminuir o tempo de perfuração e os custos com a lama),
pode acarretar na necessidade de trabalhos posteriores muito mais
dispendiosos e trabalhosos.
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BIBLIOGRAFIA
Almeida, A. C., “Manual de Perfuração”, Petrobrás, 1977. Araújo, R. G. S., Padilha, S. T. C. S., “Apostila Sobre Prospecção e Desenvolvimento de Campos de Petróleo e Gás”, Schlumberger, Capítulo 9, primeira parte, 1980. Costa, A., Castelo, B., Nascimento, D., Fonseca, F., Cruz, G. L., Klein, G., Mousinho, G., Calfa, L. F. F., Salgado, P. S., Dias, V. B., “Completação de Poços”, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2000. Craft, Holden e Graves, “Well Design: Drilling and Production”, Prentice Hall Inc., New Jersey, 1962. 4 Gouvêa, Paulo C. V. M.,“Cimentação”, Petrobrás, SEREC/CEN-NOR, 1983. Halliburton: “Cementing Technology Manual”, October 1993.
Thomas, J. E., “Fundamentos de Engenharia de Petróleo”. Ed. Interciência, Rio de Janeiro, 2001.
