Registro de Cementacion

Capítulo 5

Registros de cementación

Introducción El aislamiento vertical de la zona seleccionada para la completación de un pozo es de primordial importancia y eso se logra mediante una buena cementación del revestidor que garantiza ese propósito. La determinación de la presencia del cemento entre el revestidor y la formación ha sido ensayada desde los años de 1930 con el Registro de Temperatura determinando el tope del cemento. Actualmente existen registros acústicos que permiten evaluar con cierta confiabilidad cualitativamente la calidad de la cementación. Este capítulo tratará de revisar los fundamentos básicos de medición de los distintos dispositivos acústicos usados para determinar la calidad de la cementación, al mismo tiempo, se analizarán sus aplicaciones y sus limitaciones.

Contenido Registro de Adherencia del Cemento (CBL)...............................................................5-2 Registro de Densidad Variable (VDL).........................................................................5-4 Interpretación de los registros CBL / VDL………………………………………….….....5-9 Registros ultrasónicos de cementación………………………………...........................5-13

5-1

CBL – Registro de Adherencia del Cemento

Introducción Una vez cementada la tubería de revestimiento es necesario verificar la calidad de la cementación para saber si las diferentes zonas están debidamente aisladas. Así se constata que no existe comunicación a través del espacio anular comprendido entre el revestidor y la formación. El Registro CBL es uno de los registros de cementación que se emplea en la industria para evaluar el estado de la cementación en la tubería. En esta parte del manual se va a exponer los siguientes tópicos: 

Teoría sobre la transmisión de la onda sonora

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Fundamentos de medición del Registro CBL

Teoría sobre la transmisión de la onda sonora En el estudio de los fundamentos básicos de los perfiles CBL / VDL se ha podido clasificar dos tipos de ondas: Ondas compresionales u ondas P (primarias): La dirección de propagación de este tipo de ondas es la misma que la de desplazamiento de las partículas del medio por donde se transmiten las ondas, las partículas vibran hacia delante y hacia atrás en forma alternada y repetida, como se observa en la figura 5-1, los medios pueden estar en estado sólido, líquido o gaseoso. Por lo tanto, las ondas P pueden ser transmitidas por cualquier medio, sólido, líquido o gaseoso.

Fig. 5-1 Onda compresional u onda P (primaria)

Ondas transversales u ondas S (secundarias): Como se muestra en la figura 5-2, la dirección de propagación es perpendicular a la dirección de desplazamiento o de vibración de las partículas del medio por donde se transmiten las ondas, las partículas 5-2

suben y bajan en forma alternada y repetida, los medios en estado líquido o gaseoso, por no tener la suficiente rigidez, no pueden transmitir este tipo de onda. Por lo tanto, las ondas S se transmiten solamente en medio sólido. Fig. 5-2

Onda transversal u onda S (secundaria)

Energía acústica: La energía acústica de una onda sónica se relaciona con la amplitud de la onda, una onda de gran amplitud tiene energía acústica alta o viceversa. Atenuación: La atenuación de una onda sónica es la reducción de la amplitud (energía) sufrida por ella en su propagación a través de un medio. La atenuación de una onda sónica puede deberse a muchos factores, sin embargo, la onda sonora que vieja por la tubería de revestimiento en un pozo revestido, se debe principalmente al material situado alrededor del revestidor. Si el material o cemento situado alrededor del tubo es sólido y bien adherido a él, la atenuación será máxima, en cambio, si el material alrededor del revestidor no es sólido o no está adherido al mismo, la atenuación, es decir, la pérdida de energía es mucho menor.

Fundamentos de medición del Registro CBL En el dispositivo CBL, los pulsos sónicos emitidos alternadamente por un transmisor a una rata de 15 a 60 por segundo, son detectados por un receptor colocado a algunos pies del transmisor. Los pulsos sónicos son transmitidos por el fluido de perforación hasta el revestidor, a través del cual se propagan hasta el receptor con la velocidad del sonido en el acero, como se observa en la figura 5-3. Los pulsos sónicos detectados por el receptor es del tipo compresional u ondas P, ya que es el tipo de ondas que pueden viajar en medios que estén en cualquier estado, líquido, gaseoso y sólido. La propagación del frente de onda a lo largo de la tubería causa una continua transferencia de energía del frente de onda al cemento, si éste está bien adherido al tubo, debido a la atenuación de la onda sónica. En cambio, si el cemento no está bien adherido a la tubería o no es sólido, la atenuación es mucho menor. La figura 5-4 muestra la onda completa que llega al receptor señalando que la amplitud del primer impulso de onda es medida continuamente por el receptor del dispositivo, luego es enviada a través del cable a la superficie donde es representada en forma de 5-3

una curva. La escala del perfil es en milivoltios y está relacionada con la amplitud de la onda medida, una lectura en milivoltios baja indica pequeña amplitud de onda, o sea baja energía porque ha sido muy atenuada, lo cual se traduce en buena adherencia del cemento a la tubería. Entonces una lectura alta indica que la adherencia entre la tubería y el cemento es pobre, mala cementación. Fig. 5-3 Trayectoria del pulso sónico del registro CBL

Fig. 5-4

Medición de la onda que llega al receptor

VDL – Registro de Densidad Variable Introducción Debido a que el registro CBL mide solamente una parte de la señal acústica, éste proporciona solamente una pequeña parte de toda la información, la que solamente se relaciona entre el revestidor y el cemento. El registro VDL emplea la totalidad de la señal 5-4

acústica recibida por el receptor, en la superficie se procesa la señal de manera que la onda compresional es desplegada en un osciloscopio en forma completa para presentarla como un registro. Por lo tanto, proporciona una información cualitativa referida a todo el anillo de cemento que rodea el revestidor, es decir, entre cemento-revestidor y entre cemento-formación. En esta parte del manual se va a exponer los siguientes tópicos: 

Análisis de la señal acústica completa

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Presentación del registro VDL

Análisis de la onda acústica completa. Forma de la onda acústica: La onda completa desplegada por un osciloscopio o por cualquier dispositivo actual más avanzado tiene la forma como se muestra en la figura 54, donde se representa verticalmente la amplitud de la onda y horizontalmente el tiempo. Trayectorias de la onda acústica: Existen cinco posibles trayectorias que las ondas acústicas pudieran tomar una vez que salen del transmisor para llegar al receptor, como se observa en la figura 5-5. Sin embargo, la que viaja por el mismo dispositivo es una trayectoria no deseada, por lo tanto, será eliminada en forma efectiva mediante ranuras hechas en la propia herramienta, entonces, quedan cuatro trayectorias que son: 1. A través del fluido 2. Atravesando el fluido, bajar por el revestidor y volver a atravesar el fluido para llegar al receptor 3. Atravesando el fluido y el revestidor, bajar por el cemento y volver a atravesar el revestidor y el fluido para llegar al receptor 4. Atravesando el fluido, el revestidor y el cemento, bajar por la formación, volver a atravesar el cemento, el revestidor y el fluido para llegar al receptor Fig. 5-5

Las cinco posibles trayectorias de las ondas acústicas

5-5

Tiempo de tránsito: El tiempo que toman las ondas acústicas en viajar por las distintas trayectorias depende de las propiedades acústicas de cada uno de los medios. La tabla 5-1 muestra el tiempo de tránsito acústico de algunas sustancias. Tabla 5-1

Tiempo de tránsito típico de algunas sustancias Sustancia

Tiempo (µ seg /pie)

Agua (Barro)

189

Aire

833

Acero (Revestidor)

58

Cemento

80

Lutita

91 – 143

Arenisca

67 – 100

Caliza / Dolomita

45 – 58

Orden de llegada de las señales: Tomando en consideración esta tabla de los tiempos de tránsitos de las ondas acústicas que viajan por los distintos medio en un pozo cementado como el que muestra la figura 5-5. Desplegando la onda compresional llegada al receptor en su forma completa se muestra que las llegadas de las distintas señales acústicas al receptor es en el orden que muestra la figura 5-6, primero la señal del revestidor, luego la del cemento y la formación en conjunto ya que tienen los tiempos de tránsito semejantes y de último la señal del fluido. Fig. 5-6

Orden de llegadas de las señales acústicas

Señal acústica del revestidor: Se conoce como señal de revestidor, la primera parte de la onda completa que llega al receptor, como se observa en la figura 5-6. Cuando el 5-6

revestidor está libre, sin cemento en su alrededor, la amplitud de la señal es grande, porque no ha habido atenuación por la presencia del cemento, como se observa en la figura 5-7. Cuando la adherencia del cemento a la tubería es pobre o mala, el comportamiento de la señal de revestidor es semejante al de revestidor libre. Fig. 5-7

Señal del revestidor libre

Cuando el revestidor está bien cementado, la adherencia del cemento al tubo atenúa la señal reduciendo la amplitud de la onda como se observa en la figura 5-8.

Señal de formación: Se conoce como señal de formación la porción de la onda completa situada inmediatamente después de la señal del revestidor, es la señal que llega al receptor viajando a través del cemento y la formación.

Cuando existe buena adherencia del cemento al revestidor y también a la formación, como se muestra en la figura 5-8, bajo esta condición, la onda completa de las llegadas revestidor y formación tiene el aspecto como se observa en la parte inferior de la figura 58. La señal de revestidor, la que viaja a través de la tubería, es débil o inexistente, debido a la atenuación sufrida por la buena adherencia del cemento al revestidor. La señal de formación, la que ha atravesado el fluido, el acero y viaja a través del cemento y la 5-7

formación, es fuerte con gran amplitud debido a que no ha habido transferencia de energía en la trayectoria. Fig. 5-8

Buena adherencia tubería-cemento y cemento-formación

Cuando no existe adherencia del cemento a la formación, o que existe un espacio anular entre el cemento y la formación como se muestra en la figura 5-9, en esta condición, la señal de formación es muy débil, porque una cantidad de energía es transferida al fluido del espacio anular. Fig. 5-9

Señal del revestidor bien cementado

Presentación del registro VDL 5-8

El registro VDL presenta los resultados del procesamiento de las señales acústicas en forma de unas bandas verticales sombreadas y blancas alternadas. Se toman los picos positivos de las ondas sónicas completas medidas a lo largo de la sección registrada, graficándolos continuamente sobre la profundidad como bandas verticales sombreadas. La intensidad del sombreado se relaciona con la amplitud del pico, se oscurece cuando la amplitud aumenta y se aclara cuando disminuye hasta llegar a blanca, cuando la amplitud es muy pequeña. Los picos negativos son representados como bandas blancas alternando con las sombreadas. La figura 5-10A muestra la forma como se convierte la onda en bandas verticales y la figura 5-10B la forma de presentación usada por el el registro VDL. Fig. 5-10A

Conversión de la onda acústica en bandas

Fig. 5-10B

Presentación del registro VDL en forma de bandas

Interpretación de los registros CBL / VDL

Introducción La interpretación de estos dos registros ha sido y todavía es cualitativa, es decir, no se cuantifica la calidad de la cementación, aunque a la curva de CBL se ha usado una técnica llamada índice de adherencia que trató de cuantificar el grado de adherencia comparando la sección evaluada con una sección considerada como de máxima adherencia (100%). En esta parte del manual se va a discutir, juntos con algunos ejemplos, las distintas formas como se presentan estos registros según la calidad de la adherencia del cemento al revestidor y a la formación.

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Interpretación del CBL En el registro CBL se mide continuamente la amplitud de la primera onda que llega al receptor de la herramienta, estas mediciones en la superficie las traducen en voltaje eléctrico presentándolo en forma de una curva con escala en milivoltios. Las lecturas de bajos en milivoltios representan bajas amplitudes onda, lo cual indican que las ondas acústicas en su viaje por el tubo han sufrido grandes atenuaciones debido a la compresión que ejerce el cemento al tubo. Entonces la interpretación cualitativa del registro CBL es, bajas lecturas indican buena adherencia cemento-revestidor y las altas lecturas significan mala adherencia. La figura 5-11 muestra el ejemplo de una curva del registro CBL y la interpretación cualitativa de ella. Fig. 5-11

Ejemplo del CBL

Zona C 10 mv

Zona B

1.0 mv

Zona A 0.5 mv

Índice de adherencia: Es una de las técnicas usadas para tratar de cuantificar la calidad de la cementación mediante la comparación de la lectura de la zona a evaluar con una zona considerada como de máxima adherencia, usando el término índice de adherencia para indicar el grado de adherencia del cemento al revestidor. Se define como índice de adherencia, la relación entre la atenuación medida en el intervalo de evaluación y la de un intervalo considerado como de máxima adherencia, a veces se toma la lectura mínima del pozo para esto. En vista de que las lecturas del registro son en milivoltios, éstas deben ser convertidas en valores de atenuación cuya unidad de medición es en decibeles/pie (db/pie). La relación entre la lectura en milivoltios y la atenuación en db/pie depende de dos factores, el espaciamiento del dispositivo de registro (distancia entre transmisor y receptor) y el diámetro del revestidor. La figura 5-12 muestra la relación entre la lectura en milivoltios leídos y la atenuación. Para determinar la atenuación se escoge el gráfico correspondiente al espaciamiento del dispositivo, generalmente es de 3’ o de 5’, se entra por el eje vertical izquierdo con la lectura en mv como se observa en la figura, que para 5-10

una lectura de 1-5 mv, leído de un dispositivo de 3’ de espaciamiento y un revestidor de 5 ½” de diámetro, la atenuación determinada es de 11.8 db/pie. Fig. 5-12

Relación entre la lectura en mv y la atenuación (db/ft)

Ejemplo Del registro CBL de la figura 5-11 se han obtenido las lecturas en tres zonas A, B y C. Tomando la lectura de la zona A (LA=0.5 mv) como la de máxima adherencia, determine el índice de adherencia (IA) de las zona B y C, LB = 1.0 mv y LC = 10.0 mv, se sabe que el espaciamiento de la herramienta es de 5’ y el diámetro de revestidor es de 7”. Solución Con LA=0.5 mv se entra al la Fig. 5-12 para espaciamiento de 5’ se lee la atenuación máxima (AT)max = 8.4 db/ft. De las zonas B y C se obtienen: (AT)B = 7.25 db/ft (AT)C = 3.25 db/ft Cálculo de índice de adherencia (IA) (IA)B = 7.25/8.4 =0.86 (IA)C = 3.25/8.4 = 0.28 5-11

Comentarios: A través del tiempo se ha acostumbrado a clasificar la cementación como buena cuando el índice de adherencia es de 0.8 o menor, sin embargo, para garantizar la eficiencia del aislamiento de una zona, es necesario tomar en cuenta también el espesor de la capa de cemento que tenga el índice de adherencia 0.8. El espesor mínimo para garantizar un eficiente aislamiento depende del diámetro del revestidor, como se muestra en la figura 5-13. Fig. 5-13

Espesor mínimo necesario de buen cemento para garantizar aislamiento

Interpretación del registro VDL El registro VDL se interpreta únicamente en forma cualitativa, calificando la cementación en buena o mala mediante observación de la presentación de este registro. Como se sabe, el VDL utiliza la onda acústica completa, por lo tanto permite calificar el grado de adherencia tanto del cemento con la tubería como con la formación. La figura 5-14 muestra algunos ejemplos de la calidad de adherencia entre cemento-revestidor y entre cemento-formación.

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Fig. 5-14

Interpretación del registro VDL

Registros ultrasónicos de cementación Introducción El registro CBL convencional ha tenido muchas limitaciones debido a que utiliza ondas acústicas de baja frecuencia (20 kHz) y el principio de transmisión “omnidireccional”, es decir, la onda sónica se transmite del transmisor al receptor por todas las direcciones, por lo tanto, la señal recibida es un promedio circunferencial del espacio entre el transmisor y el receptor. Estas limitaciones fueron superadas con los dispositivos llamados de segunda generación que usan ondas sónicas de alta frecuencia (500 kHz). Estos nuevos dispositivos usan múltiples juegos de transmisor-receptor para orientar el sonido emitido a una sección del revestidor, así se puede determinar la calidad de la cementación en toda la circunferencia del revestidor.

Fundamentos de medición El objetivo principal de los dispositivos ultrasónicos es determinar la calidad de la cementación en toda la circunferencia del revestidor. Para eso utiliza un número determinado de juegos de transmisores y receptores de manera que las ondas acústicas viajen por un segmento de la circunferencia del tubo. El número de transmisoresreceptores depende de cada compañía de perfilaje, a continuación se describen algunos de ellos. SBT (Segmented Bond Tool): Es el nombre comercial de uno de los registros ultrasónicos de cementación, este dispositivo utiliza seis cojines montados en seis brazos extensibles, estos se abren durante la medición haciendo contacto con la pared interior 5-13

del revestidor. En cada brazo tiene dos transmisores y dos receptores, los transmisores emiten secuencialmente pulsos sónicos y los receptores los miden determinando una rata de atenuación, estas ratas de atenuación se presentan en una curva para cada brazo como un registro de seis curvas. Junto con estas curvas también se presenta un “mapa de cemento" que es una vista en 360º de la atenuación medido por los seis brazos, las áreas en blanco indican baja atenuación, es decir, baja adherencia del cemento. La figura 5-15 muestra una sección de un pozo registrado por este dispositivo y la figura 5-16 muestra el registro VDL tomado en la misma sección junto con la curva de rayos gamma y las curvas de atenuación mínima (ATMN) y atenuación promedio (ATAV) de las seis curvas. Fig. 5-15

Presentación del registro SBT con mapa de cemento y seis curvas

Fig. 5-16

Registro VDL/GR/ATMN/ATAV

PET (Pulse Echo Tool): Es el nombre comercial de otro dispositivo de registro ultrasónico de cementación. Este dispositivo fue desarrollado con el objeto de detectar canales que pudiera existir en el cemento alrededor del revestidor. Tiene ocho juegos de 5-14

transmisor-receptor llamado “transductor” Cada uno de los “transductores” mide una sección del tubo como se observa en la figura 5-17. La presentación de este registro es semejante al anterior, tiene un mapa de cemento que indica la presencia de canales si existen, también muestra tres curvas que dan los valores (promedio, máximo y mínimo) de la fuerza de compresión ejercida por el cemento el tubo. Fig. 5-17

Las ocho secciones de medición del PET

USI (Ultra Sonic Imagen): Este dispositivo tiene un solo juego de transmisor-receptor “transductor” rotatorio que emite pulsos ultrasónicos y mide la resultante resonancia. La rotación del transductor puede llegar hasta 7.5 vueltas por segundo y emite 18 pulsos por vuelta. La presentación de este registro es semejante a los anteriores, presenta un mapa de cemento con tres curvas de amplitud de onda, una curva de CBL y la presentación tradicional del registro VDL como se observa en la figura 5-18. Este registro tiene una presentación alterna que provee imágenes del revestidor mostrando en forma continua el radio y la corrosión interno de este.

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Fig. 5-18

Registro USI

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