Diseño de lechadas livianas de cemento para pozos geotérmicos

Abstract

Los pozos geotérmicos en Costa Rica tienen entre los 2000 m y 3500 m de profundidad y se utilizan para conducir vapor o flujo bifásico (agua-vapor) a través de tuberías de diferentes diámetros, desde el fondo hasta la superficie, fluidos con temperaturas superiores a los 200 °C, que después se derivan por medio de tuberías superficiales hasta la zona de casa de máquinas, donde mueven una turbina para la generación de energía eléctrica. La finalidad de estos pozos es la producción de vapor y condensado para producir energía geotérmica, lo que considera una temperatura de producción de estos superior a los 200 °C. Los pozos se construyen por etapas y estas son revestidas con tuberías de acero, que se distribuyen de la siguiente forma: Tubería de 473 mm desde 0 hasta 350 m, en agujero de 609 mm cementada en su espacio anular entre tubería y formación. Tubería de 340 mm desde 900 m hasta superficie, en agujero de 444 mm y cementada hasta superficie en el espacio anular entre tubería formación y tuberías. Su función consiste en evitar contaminación del agua de yacimiento con acuíferos superficiales, conducir el flujo a las tuberías de vapor y soportar las cargas de las válvulas de seguridad mientras se perfora y válvulas productoras finalizado el pozo. Las tuberías en zonas de producción quedan colgadas a partir de la tubería de 340 mm. La cementación de estos pozos debe asegurar una vida útil de pozo, por lo menos de 20 años. Sin embargo, en los campos geotérmicos de Costa Rica, las columnas de cemento y densidad utilizada tienden a fracturar la formación, lo que genera problemas con el acabado y calidad de la cementación al llegar con la mezcla hasta la superficie. Es por esto, que se utiliza una mezcla de característica liviana, para llegar con cemento a superficie, sin embargo, por el tipo de aditivos que se utilizan, como el caso de la bentonita, que sirve como extendedor, tiende a contaminar la lechada ayudando con la no separación, pero afectando negativamente, las características físicas y mecánicas de la mezcla, no cumpliendo con los requerimientos mínimos necesarios. Lo anterior provoca que se tengan problemas de expansión térmica, colapsos y problemas de calidad en la parte mecánica del pozo. Debido a lo anterior y como opción de mejora para el proceso de cementación de pozos geotérmicos se realiza un estudio, utilizando una combinación de aditivos que ayuden a mejorar la calidad de la mezcla y sus condiciones mecánicas. Por lo tanto, se realizó un diseño de mezcla de característica liviana, que esté entre los parámetros de diseño según las normas vigentes como API 10 A y 10B, así como ISO 10426. De acuerdo con los resultados que se obtuvieron, se logra diseñar una lechada de características mecánicas aceptables para el uso como lechada de baja densidad (liviana) con densidades entre 1.62 gr/cm3 a 1.68 gr/cm3, que alcanza resistencias a la compresión superiores a los 10 MPa, entre las 24 y 36 horas de fragua a temperatura ambiente. Estas condiciones permiten continuar con las operaciones de perforación, sin la necesidad de esperar lapsos prolongados.

Geothermal wells in Costa Rica are between 2000 m and 3500 m deep and serve to drive through pipes of different diameters, from the bottom to the surface, biphasic type flow (Steam-water) or only steam with temperatures above 200 °C, which are then derived through surface pipes to the powerhouse area, where they move a turbine for the generation of electricity. The purpose of these wells is the production of steam and condensate to produce geothermal energy, which considers a production temperature of these higher than 200 °C. The wells are built in stages, and these are lined with steel pipes, which are distributed as follows. Pipe of 473 mm from 0 to 350 m, in hole of 609 mm cemented in its annular space between pipe and formation. Pipe of 340 mm from 900 m to surface, in hole of 444 mm, and cemented to surface in the annular space between pipe formation and pipes. Its function is to avoid contamination of reservoir water with surface aquifers, conduct the flow to steam pipes and withstand the loads of safety valves, while drilling and producing valves completed the well. The pipes in production areas are hung from the 340 mm pipe. The cementing of these wells must ensure a useful life of the well, at least 20 years. However, in the geothermal fields of Costa Rica, the cement columns and density used tend to fracture the formation, which creates problems with the finish and quality of the cementation when the mixture reaches the surface. For this reason, a mixture with a light characteristic is used to reach the surface with cement; however, due to the type of additives used, such as bentonite, which serves as an extender, it tends to contaminate the grout, helping with the non-separation, but negatively affecting, the physical and mechanical characteristics of the mixture, not complying with the minimum necessary requirements. Due to the above, and as an improvement option for the cementing process of geothermal wells, a study is carried out, using a combination of additives, which help us improve the quality of the mixture and the mechanical conditions of it, so a lightweight mixture design will be carried out, which is within the design parameters according to current standards such as API 10 A and 10B as well as ISO 10426. According to the results obtained, it is possible to design a slurry with acceptable mechanical characteristics for use as a lowdensity (light) slurry with densities between 1.62 gr/cm3 to 1.68 gr/cm3, reaching compressive strengths higher than those 10 MPa, between 24 and 36 hours of forging at room temperature, these conditions allow drilling operations to continue without the need to wait for long periods of time. During the test, different types of problems arose, which caused very scattered results on some occasions, however, the compression characteristics are accepted. According to the process developed, it is concluded that bentonite as an extender directly affects the compressive strength of the cement, it is also required to have equipment and curing areas according to the process that is carried out, such as low temperature and pressure as well as a high temperature. pressure and temperature, adding, the taking of samples during the cementation process to give traceability to the quality of the cementation.