Maestría en Ingeniería de Hidrocarburos · 2021
Evaluación del comportamiento mecánico del cemento en el sistema revestimiento-cemento-formación
El cemento es uno de los elementos claves para mantener la estabilidad del pozo a largo plazo. Uno de los objetivos de su establecimiento es proporcionar un aislamiento zonal completo y eficiente durante toda la vida del pozo. Diferentes estudios han demostrado que los cambios postcementing en las condiciones de presión y temperatura pueden inducir esfuerzos a través de la roca y del revestimiento, capaces de deteriorar el cemento y de originar su falla mecánica, la cual conlleva a graves problemas operativos, económicos y ambientales. Modelar la falla mecánica del cemento e identificar las variables críticas que influyen en esta, es un paso importante para evitar estos problemas. Por tal razón, en esta investigación se presenta un modelo numérico tridimensional basado en elementos finitos para evaluar el comportamiento mecánico del cemento convencional de pozo vertical en el sistema revestimiento-cemento-formación, considerando los cambios en las condiciones de temperatura y presión a las que está sometido en fondo de pozo. Este nuevo modelo numérico, diferente a los documentados en la literatura técnica, incluye análisis elastotermoplástico en el revestimiento y cemento, y poroelastotermoplástico en la roca. Para verificar el modelo 3D desarrollado, se compararon los esfuerzos radiales obtenidos a través del revestimiento-cemento y formación durante la cementación, con los obtenidos mediante los modelos analíticos de Teodoriu, Bomá y De Simone, cuyas máximas diferencias porcentuales fueron 2.12%, 5.38% y 3.05%, respectivamente. Los resultados presentan la distribución de esfuerzos radiales y tangenciales en dos sistemas de cemento (uno más rígido que otro) fraguados frente a formaciones blanda y dura, durante la producción del pozo, a medida que cambian las condiciones de presión y temperatura, cuya interpretación geomecánica permitió determinar el riesgo de falla por desunión en sus contactos, agrietamiento radial y deformación plástica.
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Contenido
- Introducciónp. 18
- 1. Objetivosp. 21
- 1.1. Objetivo Generalp. 21
- 1.2. Objetivos Específicosp. 21
- 2. Antecedentes de la investigaciónp. 22
- 3. Marco teóricop. 26
- 3.1. Criterios de falla del materialp. 27
- 3.1.2. Criterio de falla de tensiónp. 27
- 3.1.3. Criterio de falla de cortep. 27
- 3.1.3.1. Criterio de falla de Mogi-Coulombp. 29
- 3.2. Propiedades del cemento a corto y largo plazop. 30
- 3.3. Propiedades mecánicas y térmicas del cemento y de la rocap. 32
- 3.3.1. Módulo de Young (E)p. 32
- 3.3.2. Relación de Poisson (v)p. 33
- 3.3.3. Módulo de corte Gp. 33
- 3.3.4. Módulo volumétrico (K)p. 34
- 3.3.5. Conductividad térmica (k)p. 34
- 3.3.6. Calor específico (Cp)p. 34
- 3.3.7. Coeficiente de expansión térmica (α)p. 35
- 3.4. Modelos analíticos para análisis de esfuerzos-deformaciónp. 35
- 3.4.1. Modelos analíticos de Kirsch y de Bradleyp. 35
- 3.4.2. Modelos analíticos de Teodoriu, Bomá y de Simonep. 37
- 3. 5. Modelos constitutivos de los materialesp. 41
- 3.5.1. Elasticidad linealp. 41
- 3.5.2. Elastoplasticidadp. 42
- 3.5.2.1. Elastoplasticidad Mohr-Coulombp. 43
- 3.5.2.1.1. Velocidad de deformaciónp. 44
- 3.5.2.1.2. Criterio de rendimientop. 44
- 3.5.2.1.3. Regla de flujop. 45
- 3.5.3. Poroelasticidadp. 48
- 3.5.3.1. Ecuación de equilibrio discretizada para medios porososp. 49
- 3.5.3.2. Comportamiento constitutivo en un medio porosop. 51
- 3.5.3.2.1. Respuesta del fluidop. 52
- 3.5.3.2.2. Respuesta del sólidop. 52
- 3.5.3.3. Ecuación de continuidad para el fluido en el medio porosop. 52
- 3.5.4. Termoelasticidadp. 54
- 3.5.4.1. Transferencia de calorp. 54
- 3.5.4.1.1. Implementación exactap. 58
- 3.5.4.1.2. Implementación aproximadap. 58
- 3.6. Método de elementos finitosp. 59
- 3. 7. Software Abaqusp. 63
- 3.7.1. Módulo de Partesp. 64
- 3.7.2. Módulo de Propiedadesp. 64
- 3.7.3. Módulo de ensamblajep. 64
- 3.7.4. Módulo de pasosp. 64
- 3.7.5. Módulo de Cargap. 65
- 3.7.6. Módulo de Mallap. 65
- 3.7.7. Módulo de Trabajop. 66
- 3.7.8. Módulo de visualizaciónp. 66
- 4.1. Método AHPp. 68
- 4.2. Método ELECTREp. 72
- 4.3. Metodología TOPSISp. 77
- 4.4. Metodología MICMACp. 80
- sistema revestimiento-cemento-formaciónp. 83
- 5. Metodología para el desarrollo del Modelo de Elementos Finitos en Abaqusp. 83
- 5.1. Suposiciones para el desarrollo del MEFp. 84
- 5.2. Geometríap. 85
- 5.3. Input data para el análisisp. 87
- 5.4. Pasos de carga y procedimientos de análisisp. 89
- 5.5. Condiciones de carga y de fronterap. 92
- 5.6. Mallado y tipo de elementop. 94
- 5.7. Controles del solverp. 96
- 5.7.1. Incrementop. 96
- 5.7.2. Extrapolaciónp. 97
- 5.7.3. Almacenamiento de matriz y esquema de soluciónp. 97
- 5.7.4. Solucionador de ecuacionesp. 97
- 5.7.4.1. El solucionador de dispersiónp. 98
- 5.8. Ejecución del trabajop. 98
- 5.9. Verificación del modelo desarrolladop. 98
- 5.9.1. Step Geostáticop. 99
- 5.9.2. Step de perforaciónp. 100
- 5.9.3. Step de cementaciónp. 104
- 6.1. Datap. 111
- blanda y durap. 111
- 6.3. Influencia del cambio de temperatura del pozo en la falla mecánica del cementop. 128
- 6.4. Influencia del cambio de temperatura de la formación en la falla mecánica del cementop. 135
- 6.5. Influencia del cambio de presión del pozo en la falla mecánica del cementop. 142
- 6.6. Influencia del cambio de presión de poro en la falla mecánica del cementop. 147
- 6.7. Influencia de las propiedades mecánicas del cemento en la falla mecánica del cementop. 153
- 7. Conclusionesp. 159
- 8. Recomendacionesp. 161
- Referencias bibliográficasp. 162
- Tabla 1. Requisitos de propiedades de cementos a corto y largo plazop. 30
- Tabla 2. Escala fundamental de Saatyp. 68
- Tabla 3. Matriz de comparación del criterio Importanciap. 69
- Tabla 4. Matriz de comparación del criterio Independenciap. 69
- Tabla 5. Matriz de comparación del criterio Importancia normalizadap. 70
- Tabla 6. Matriz de comparación entre criteriosp. 70
- Tabla 7. Matriz normalizada y vector prioridad de criteriosp. 71
- Tabla 8. Vector de prioridad de alternativasp. 71
- Tabla 9. Razón de consistencia de la matriz de comparación para cada criteriop. 72
- Tabla 10. Matriz de decisiónp. 73
- Tabla 11. Matriz de decisión normalizadap. 73
- Tabla 12. Matriz de decisión normalizada ponderadap. 74
- Tabla 13. Matriz de concordanciap. 74
- Tabla 14. Matriz de discordanciap. 75
- Tabla 15. Matriz de dominancia concordantep. 76
- Tabla 16. Matriz de dominancia agregadap. 76
- Tabla 17. Matriz de decisiónp. 78
- Tabla 18. Matriz de decisión normalizadap. 78
- Tabla 19. Matriz de decisión normalizada ponderadap. 79
- Tabla 20. Distancia de cada alternativa a la solución ideal y anti-idealp. 79
- Tabla 21. Proximidad relativa de cada alternativa a la alternativa idealp. 79
- Tabla 22. Código de relaciones directasp. 80
- Tabla 23. Matriz de relaciones directasp. 80
- Tabla 24. Porcentaje de motricidad de las variablesp. 81
- Tabla 25. Porcentaje de dependencia de las variablesp. 81
- Tabla 26. Variables influyentes en la evaluación del comportamiento mecánico del cementop. 83
- Tabla 27. Geometría del pozop. 85
- Tabla 28. Propiedades mecánicas del cementop. 87
- Tabla 29. Propiedades mecánicas de la formaciónp. 88
- Tabla 30. Propiedades térmicas de los materialesp. 88
- Tabla 31. Pasos de carga y procedimientos de análisisp. 91
- Tabla 32. Condiciones de frontera del modelop. 92
- Tabla 33. Condiciones de carga del modelop. 93
- Tabla 34. Sensibilidad de la malla del bloque de formación analizando la deformaciónp. 104
- Tabla 35. Propiedades mecánicas de los materialesp. 111
- variando la temperatura del pozop. 129
- variando la temperatura del pozop. 131
- variando la temperatura de la formaciónp. 136
- variando la temperatura de la formaciónp. 137
- la producciónp. 143
- la producciónp. 148
- cemento fraguados frente a formaciones dura y blandap. 152
- Tabla 43. Propiedades mecánicas de los materialesp. 153
- Figura 1. Esfuerzos predominantes sobre el cementop. 27
- Figura 2. Envolvente de falla de Mogi-Coulombp. 29
- Figura 3. Representación de la estructura analizada por Kirschp. 36
- Figura 5. Familia de potenciales de flujo hiperbólico en el plano meridionalp. 46
- Figura 6. Potencial de flujo de Menétrey-Willam en el plano deviatoriop. 47
- Figura 8. Gráfico de relaciones directasp. 82
- x para modelos con dimensiones horizontales igual a 5, 10 y 15 veces el radio del pozop. 87
- Figura 10. Cargas y condiciones de frontera modelo tridimensionalp. 93
- Figura 11. Bloque de formación particionadop. 95
- Figura 12. Modelo enmallado con elementos C3D8RT y C3D8RPTp. 96
- Figura 13. Esfuerzos radiales y tangenciales en la formación después del step Geostáticop. 99
- con los modelos analíticos de Kirsch y de Bradleyp. 102
- con los modelos analíticos de Kirsch y de Bradleyp. 103
- sistema revestimiento-cemento-formación a lo largo del eje xp. 105
- cementación a lo largo del eje xp. 106
- (izq.) y numérico (der.)p. 108
- (der.)p. 112
- duras (der.)p. 113
- (izq.) y dura (der.) después del completamiento del pozop. 114
- blanda (izq.) y dura (der.) después del completamiento del pozop. 115
- (izq.) y dura (der.) después del completamiento del pozop. 115
- blanda (izq.) y dura (der.) después del completamiento del pozop. 116
- (izq.) y dura (der.) durante la producción del pozop. 117
- blanda (izq.) y dura (der.) durante la producción del pozop. 118
- y dura durante la producción del pozop. 109
- (izq.) y dura (der.) durante la producción del pozop. 120
- blanda (izq.) y dura (der.) durante la producción del pozop. 121
- y dura durante la producción del pozop. 109
- interfaces revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 138
- interface revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 133
- interfaces revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 138
- las interfaces revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 138
- la interface revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 140
- las interfaces revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 141
- revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 132
- interfaces revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 138
- revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 132
- revestimiento-cemento (izq.) y cemento-formación (der.)p. 132