Problemas comunes de los equipos de flotación de cementación causados por escombros y sólidos de cemento

Los problemas de los equipos de flotación de cementación causados por escombros y sólidos de cemento se encuentran entre las fallas de válvula más comunes reportadas durante la cementación primaria. La cascarilla de laminación, las escamas de óxido, la masilla para tuberías, los recortes de formación y las partículas de cemento asentadas pueden acumularse dentro de un collar de flotación o zapata de flotación y mantener la solapa, la bola o el cono fuera de su asiento. Una válvula mantenida abierta permite el reflujo de cemento después del apagado de la bomba, evita un golpe limpio del tapón limpiador y deja una vía de zapata contaminada que puede requerir un apretón correctivo. La lechada de alta velocidad que transporta sólidos abrasivos también puede erosionar los asientos y sellos, mientras que los sólidos asentados pueden puentear el paso del flujo o tapar el orificio de llenado de una zapata de flotación de llenado automático. La mayoría de estas fallas son evitables con una preparación disciplinada de la tubería, un acondicionamiento adecuado del lodo, tasas de bombeo controladas y equipos fabricados y probados según la especificación API 10F / ISO 10427-2. Reconocer cómo se comportan los escombros dentro de los equipos de flotación es el primer paso para prevenir válvulas atascadas, fugas y costosos tiempos perdidos en el equipo.

¿Qué problemas relacionados con escombros afectan a los equipos de flotación de cementación?

El equipo de flotación es un sistema de válvula antirretorno o de contrapresión instalado en la parte inferior de la sarta de tubería de revestimiento. Normalmente, un collar de flotación se coloca de uno a tres tramos por encima de la zapata, más comúnmente dos tramos, mientras que la zapata de flotación se monta en el tramo inferior de la sarta. Ambos dispositivos permiten el paso hacia abajo del fluido de perforación y la lechada de cemento, luego se cierran automáticamente para detener el flujo inverso siempre que la presión debajo de la válvula exceda la presión por encima de ella. Los elementos de sellado más comunes son una válvula de solapa con un sello elastomérico, un arreglo de bola y asiento, o un diseño de cono y pistón. El cuerpo puede estar hecho de hierro fundido perforable, aluminio, plástico termoestable o cerámica cuando la herramienta debe ser perforada después de que el cemento fragüe.

Los escombros llegan a estas válvulas desde varias direcciones. Dentro de la tubería de revestimiento, la cascarilla de laminación, el óxido y el barniz de laminación del almacenamiento y transporte pueden desprenderse durante la bajada. La masilla de conexión, la escoria de soldadura y la cascarilla sobrante de operaciones previas viajan al fondo del pozo delante de la tubería. Desde el lado del pozo, los recortes y las rocas que nunca fueron circulados fuera del pozo pueden entrar en la zapata a medida que se baja la sarta. Durante la cementación en sí, la lechada es una suspensión de sólidos densos: un sistema de Clase G de 15.8 ppg o una lechada pesada de 17-20 ppg que contiene hematita u óxido de manganeso. Cualquier suspensión inestable puede asentarse en una masa dura y puenteada a través de la válvula.

Una vez que los escombros llegan a la válvula, dominan cuatro modos de falla. Primero, las partículas atrapadas entre la solapa o la bola y su asiento mantienen la válvula abierta, por lo que no puede sellar contra el flujo inverso. Segundo, escombros más grandes pueden atascar el elemento en la posición abierta o doblar una bisagra de solapa. Tercero, los sólidos abrasivos que se mueven a velocidades de desplazamiento turbulentas erosionan los asientos, sellos y secciones delgadas perforables hasta que la válvula gotea bajo presión diferencial. Cuarto, los sólidos pueden tapar el orificio de llenado restringido de una zapata de flotación de llenado automático, deteniendo el llenado de la tubería a la velocidad de diseño y cambiando el comportamiento de la sobrepresión. Incluso una fina película de sólidos de cemento asentados en un asiento puede convertir un collar de flotación clasificado para 10,000 psi en una válvula con fugas.

Por qué los escombros y los sólidos de cemento amenazan todo el trabajo de cementación

La válvula de flotación es el componente menos accesible en el pozo. Se encuentra en la parte inferior de una sarta que puede extenderse miles de pies, y una vez que el equipo sale del taller, no se puede inspeccionar ni ajustar. Por lo tanto, el daño por escombros se descubre en el peor momento posible: durante el golpe del tapón limpiador, la prueba de contrapresión o la espera de cemento, cuando el costo de la falla se mide en trabajos de apretón, carreras de recarga y tiempo perdido en el equipo.

Una sola partícula puede anular toda la función de contrapresión. Las válvulas antirretorno están diseñadas para sellar en una línea limpia, e incluso un grano de arena atrapado debajo de una solapa crea una vía de fuga. La presión diferencial luego fuerza el fluido a través de esa vía a alta velocidad, erosionando el asiento y el elastómero hasta que la fuga se vuelve grave. La misma física explica por qué los problemas de escombros escalan rápidamente una vez que comienzan.

El daño por escombros también tiende a llegar en grupos. La cascarilla de una junta corroída puede llegar a la válvula como un tapón, y las condiciones de almacenamiento o manipulación que la produjeron generalmente afectan a varias juntas a la vez. Es por eso que las fallas por escombros a menudo se repiten en el mismo pozo o campaña hasta que se corrige la causa raíz, el almacenamiento húmedo, la limpieza deficiente o una lechada inestable.

Cuatro características de los equipos de flotación y las operaciones de cementación hacen que los escombros y los sólidos de cemento sean especialmente peligrosos:

• El sellado depende del contacto metal a metal o metal a elastómero sobre toda la circunferencia del asiento. Los escombros rompen esa línea de contacto, y la fuga resultante crece bajo presión en lugar de curarse sola.
• La vía de la zapata es la última sección limpiada antes de la cementación y el primer lugar donde se acumulan los escombros. Si la zapata de flotación falla, el collar de flotación es el único respaldo; en una sarta de válvula única no hay respaldo en absoluto.
• Las lechadas de cemento son abrasivas por diseño. La lechada de Clase G a 15.8 ppg, y los sistemas pesados de hasta 20 ppg, transportan partículas duras que impactan en los asientos, sellos e internos perforables a velocidades de desplazamiento turbulentas.
• Los síntomas de falla aparecen tarde. Una válvula mantenida abierta por escombros puede pasar las verificaciones de llenado y circulación, y luego fallar solo cuando debe soportar la columna de cemento completa durante la prueba de contrapresión después del golpe del tapón.

Las consecuencias son familiares para todos los ingenieros de cementación. El cemento retrocede o sale por el tubo en U de la vía de la zapata, la vía de la zapata queda contaminada con lodo, el gas puede migrar por el anillo durante la espera de cemento, y un apretón correctivo se convierte en la única cura. Comprender por qué los escombros son tan destructivos facilita la justificación de un programa de prevención, y también agudiza los criterios de inspección aplicados antes de que el equipo se introduzca en el pozo.

¿Cómo prevenir y gestionar los problemas de escombros en equipos de flotación?

La prevención comienza antes de que el equipo llegue al equipo de perforación y continúa hasta la perforación. Un programa práctico cubre cinco áreas.

Preparar la tubería de revestimiento y el equipo de flotación antes de la bajada

Inspeccione cada collar de flotación y zapata de flotación en el almacén y nuevamente en el sitio del equipo de perforación. Verifique los protectores de roscas, confirme la presión y temperatura nominales en la placa de identificación, y busque daños por impacto, secciones perforables agrietadas o sellos desplazados. Almacene las herramientas sobre patines, manténgalas secas y nunca las deje caer ni las ruede. Antes de bajar, calibre la tubería de revestimiento y cepille o raspe las superficies internas donde se espera cascarilla; aplique masilla para conexiones con moderación para que el exceso no se empuje hacia la válvula. Confirme que la presión y temperatura nominales coincidan con el plan del pozo antes de que se conecten las herramientas.

Acondicionar el pozo y el lodo antes de la cementación

Circule el pozo limpio antes del trabajo de cementación. Ejecute un fondo de pozo como mínimo, y en pozos desviados trabaje la tubería para romper los lechos de recortes que pueden deslizarse hacia el fondo del pozo. Acondicione el lodo para eliminar los sólidos perforados y mantener la reología estable; un lodo de altos sólidos volcará su carga de recortes en la primera zona de baja velocidad, a menudo justo en la zapata. Después de largos períodos estáticos, realice un viaje de limpieza. El objetivo es comenzar el trabajo de cementación con el pozo lo más limpio posible, porque el espaciador y la lechada agregarán su propia carga de sólidos.

Diseñar la lechada y el desplazamiento para limitar la erosión y el asentamiento

Mantenga la tasa de desplazamiento dentro del rango para el que fue diseñado el equipo de flotación. El flujo turbulento a través de la válvula a tasas excesivas acelera la erosión de los asientos, sellos e internos perforables; si el programa requiere desplazamiento turbulento, elija diseños resistentes a la erosión y confirme con el proveedor. Las lechadas pesadas en el rango de 17-20 ppg necesitan dispersantes efectivos para que los sólidos permanezcan suspendidos, ya que una lechada que se empaqueta a través de la válvula es un problema de escombros hecho en la unidad de mezcla. Evite dejar lechada estática a través de la válvula, mantenga el movimiento de la tubería en marcha siempre que sea posible y use el volumen correcto de espaciador.

Verificar la integridad de la válvula en el sitio del pozo

Confirme la flotación antes de depender de ella. Durante la bajada, observe el comportamiento de llenado: una tubería que se llena demasiado rápido o no se llena en absoluto puede indicar un orificio de llenado automático dañado. Después de aterrizar, circule a una velocidad controlada y confirme los retornos, luego pruebe la presión contra la flotación y mantenga el valor de prueba planificado. Una válvula que no soporta presión debe ser investigada antes de la cementación. Durante el trabajo, golpee el tapón a la presión planificada y observe los manómetros: una presión de cierre constante significa que la flotación está aguantando, mientras que una disminución constante significa que la válvula está goteando y la columna está retrocediendo.

Perforar con cuidado y circular los escombros

La perforación crea sus propios escombros. Al perforar equipos de flotación perforables, use peso sobre la broca apropiado para internos de hierro fundido, aluminio, termoestable o cerámica para que los fragmentos se muelan finos en lugar de romperse en trozos. Circule continuamente para levantar los recortes y fragmentos de la herramienta fuera de la vía de la zapata antes de que puedan acuñarse debajo de una válvula. En pozos de revestimiento y de múltiples etapas, los escombros de arriba pueden caer sobre las herramientas de abajo, así que circule el fondo del pozo y revise los tamices antes de perforar. Respete los parámetros de perforación del fabricante, ya que forzar la broca puede empujar fragmentos al agujero de rata o acuñarlos debajo de la siguiente herramienta.

Preguntas frecuentes

¿Pueden las pequeñas partículas de escombros realmente impedir que una válvula de flotación selle?

Sí. Las válvulas de solapa y de bola y asiento sellan en una línea de contacto estrecha, por lo que un grano de arena o algunas partículas de cemento asentadas atrapadas en el asiento crean una vía de fuga. Una vez que la presión diferencial fuerza el fluido a través del espacio, la erosión lo amplía rápidamente. Escombros diminutos pueden hacer que un collar de flotación clasificado gotee.

¿Cuáles son las fuentes más comunes de escombros?

La cascarilla de laminación, el óxido y el barniz del almacenamiento y transporte de la tubería encabezan la lista, seguidos por el exceso de compuesto para roscas. Los recortes de formación y las rocas no circuladas fuera del pozo también entran en la zapata a medida que se baja la sarta. Una lechada de cemento inestable que se asienta durante el trabajo puede puentear la válvula con sólidos compactados.

¿Cómo podemos saber si los escombros están manteniendo una válvula abierta?

Los primeros signos aparecen durante el llenado y la circulación: la tubería se llena más rápido de lo calculado, o los retornos no coinciden con el volumen bombeado. Después del golpe del tapón, una flotación mantenida abierta por escombros no soportará presión y el manómetro decae a medida que la columna de cemento retrocede. Trate una prueba de presión previa a la cementación fallida como relacionada con escombros hasta que se demuestre lo contrario.

¿Las lechadas de cemento pesadas aumentan el riesgo de problemas de válvula?

Sí, principalmente a través de la erosión y el asentamiento. Las lechadas pesadas de 17-20 ppg transportan partículas de hematita u óxido de manganeso que golpean los asientos y sellos a velocidades turbulentas, y se asientan más rápido cuando están estáticas, formando puentes a través de la válvula. El tratamiento con dispersantes, las tasas controladas y los internos resistentes a la erosión reducen pero no eliminan el riesgo.

¿Pueden las zapatas de flotación de llenado automático taparse con escombros?

Sí. Las herramientas de llenado automático pasan fluido a través de un orificio restringido o más allá de una solapa que flota mientras la tubería se llena, y esos pasajes son donde los sólidos se acumulan primero. Un puerto de llenado tapado detiene el llenado de la tubería a su velocidad de diseño, cambiando la presión de sobrepresión y el tiempo de llenado. Las verificaciones de llenado durante la bajada detectan el problema antes de que la sarta llegue al fondo.

¿Qué debemos hacer si la flotación falla su prueba de contrapresión?

Deténgase y diagnostique antes de bombear cemento. Intente circular a una velocidad más alta para lavar los escombros del asiento, luego vuelva a probar. Si la válvula aún no sella, las opciones son limitadas: retire la sarta para reemplazar el equipo, o proceda con el collar de flotación como barrera primaria y planifique un apretón. Pida a su proveedor recomendaciones de campo.

Conclusión

Los escombros y los sólidos de cemento son los enemigos ocultos de los equipos de flotación. Causan válvulas atascadas, asientos con fugas, puertos de llenado automático tapados y vías de zapata contaminadas, fallas que solo aparecen cuando el trabajo de cementación depende de que la válvula soporte presión. Los remedios están bien probados: prepare adecuadamente la tubería y las herramientas, circule el pozo limpio, diseñe lechadas que permanezcan suspendidas, verifique la válvula antes y durante el trabajo, y perfore con disciplina. Dado que estas medidas son económicas en comparación con un trabajo de apretón o una vía de zapata perdida, cada programa de cementación debe incluirlas. Si está planeando un trabajo de cementación en un pozo con limpieza de pozo cuestionable o lechadas pesadas, comuníquese con nuestros ingenieros de aplicaciones para obtener recomendaciones de zapatas y collares de flotación adaptados a sus condiciones.