fracturas barinas
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CCLITE PLUS UNA SOLUCIN EFICAZ PARA CEMENTAR POZOS EN LOSYACIMIENTOS CON FRACTURAS NATURALES DEL CAMPO BORBURATA,BARINAS. Csar Jimnez, Eudes Noguera, PDVSA; Carlos Rodrguez, Freddy Inciarte, Fazael
Lpez CPVEN
RESUMENHistricamente las condiciones de la formacin en el campo Borburata han excedido la
tecnologa de cementacin existente para revestidores de produccin, dando como
resultado un aislamiento zonal deficiente en la mayora de los pozos. La presencia de
micro fracturas naturales en las arenas productoras, la cercana de acuferos activos, el
alto ngulo de inclinacin y la potencial prdida de circulacin son algunas de las
caractersticas del yacimiento que limitan y complican el diseo de la cementacin,
reduciendo las posibilidades de alcanzar un aislamiento efectivo cuando se utilizan
lechadas de cemento de peso convencional.
En el ao 2007 se comenz una nueva campaa de perforacin en el campo Borburata
donde se aplic un diseo de lechadas de baja densidad con una de las empresas
trasnacionales ms importantes de la industria petrolera. Lamentablemente despus de
tres pozos cementados los resultados continuaban siendo deficientes.
CPVEN recibi la oportunidad de participar en esta campaa y formul un diseo de
lechada utilizando su tecnologa CCLITE PLUS la cual viene utilizando exitosamente
desde hace siete aos en los campos gasferos de Anaco (Oriente de Venezuela). Esta
tecnologa permite reducir la densidad en la lechada mediante la sustitucin de una
porcin de cemento por agregados inertes sin necesidad de incrementar el agua de
mezcla. Adicionalmente, se incrementa la densidad de empaquetamiento de los slidos
mediante el arreglo del tamao de las partculas. El diseo de la configuracin
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granulomtrica permite reducir la porosidad de la matriz del cemento y esto se traduce
directamente en el incremento de la resistencia mecnica del cemento fraguado.
Complementariamente la lechada se formul con caractersticas tixotrpicas para reducir
las posibilidades de prdida hacia las fracturas naturales y tambin se utiliz un tren de
lavadores y espaciadores de eficacia ya comprobada en otros campos.
Hasta la fecha, los resultados operacionales obtenidos fundamentados en los registros de
adherencia y en el bajo corte de agua en la produccin, demuestran que la tecnologa ha
sido exitosa en los tres pozos donde se ha utilizado.
Palabras Claves: Cementacin, Borburata, baja densidad, fracturas, CPVEN.
INTRODUCCIN
Geogrficamente, Borburata se encuentra localizado en Venezuela en la cuenca Barinas-
Apure (Figura 1), al sureste de la capital del estado Barinas. su explotacin comenz en el
ao 1993 con la perforacin del pozo exploratorio Bor -1X, pero es a partir del ao 1997
cuando se comienza formalmente la explotacin de este yacimiento teniendo como
objetivo las arenas petrolferas de la formacin gobernador. La perforacin en el campo
Borburata ha sufrido de periodos de interrupcin debido especficamente a
complicaciones operacionales que incrementan grandemente los costos y afectan la
produccin. Las caractersticas geofsicas del yacimiento, especficamente la presencia de
micro fracturas naturales en la zona productora, bajo gradiente de fractura, acuferos
activos y formaciones reactivas son las causas que principalmente dificultan la operacin.
Alcanzar un buen aislamiento hidrulico entre zonas productoras caracterizadas por las
condiciones anteriores representa un gran reto tcnico - operacional para las empresas
cementadoras. La falta de control de cualquiera de estas propiedades, puede
desencadenar numerosas complicaciones durante los procesos de cementacin y
posterior completacin del pozo.
La aplicacin de nuevas tecnologas en el diseo de lechadas constituye una oportunidad
para alcanzar aislamientos de zonas exitosos en el campo Borburata. En el ao 2007 se
inici una nueva campaa de perforacin, utilizndose una tecnologa novedosa de
lechada de baja densidad que se fundamentada principalmente en la utilizacin de micro
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esferas. Esta tecnologa fue desarrollada por una de las empresas trasnacionales pilares
del servicio de cementacin. Desafortunadamente, en los tres pozos donde se aplic esta
tecnologa los resultados fueron infructuosos, obtenindose una produccin con un alto
corte de agua.
Para tratar de alcanzar el aislamiento zonal la empresa venezolana CPVEN aplic su
tecnologa de diseo de lechadas de baja densidad y de alta resistencia mecnica
CCLITE PLUSTM, combinada con caractersticas tixotrpicas con la finalidad de evitar el
fracturamiento de la formacin y reducir la invasin de cemento dentro de las micro
fracturas. El xito alcanzado en los tres pozos cementados en Borburata con esta
tecnologa permite tener una visin optimista hacia la cementacin de zonas altamente
fracturadas. En consecuencia, este xito inicial ha ayudado a reducir costos
operacionales, ha evitado la reduccin de produccin por alto corte de agua y tambin
ha disminuido el dao de formacin.
DESARROLLO
Estratigrafa del campo Borburata
La columna sedimentaria del rea (Figura 2) est compuesta por una base gneo
metamrfica de edad pre clsica y sedimentos discordantes de los periodos Cretcico y
Reciente.
En el Cretcico temprano se depositaron sedimentos fluviales constituidos por
conglomerados y areniscas de grano grueso. Posteriormente se depositaron sedimentos
marinos que corresponde a la formacin Aguardiente constituda por areniscas calcreas
duras de tamao de grano variable y lutitas.
En el Cretcico medio se depositaron sedimentos marinos que delinean las arenas
basales de la formacin Escandalosa, seguida de carbonatos que constituyeron el
Miembro Guayacn (Miembro O) de la misma formacin. Sobre sta se desarroll la
formacin Navay constituidas principalmente por lutitas que determinan los miembros La
Morita y Quevedo que infrayacen a la formacin Burgita constituda por areniscas
lenticulares de grano angular, lutitas silceas y calcreas lodolitas.
Suprayacente a la discordancia del Paleoceno entre el Cretcico y el Eoceno, se
encuentra la formacin Gobernador constituida por areniscas cuarzosas, conglomerados y
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lutitas calcreas. Sobre el tope de la formacin Gobernador se encuentra el miembro
Masparrito, constituidos por calizas de origen marino. La formacin Pagey suprayace al
miembro Masparrito y esta formada por lulitas y areniscas. Los depsitos continentales de
la formacin Parngula del Mioceno medio se encuentran discordantemente sobre la
formacin Pagey y consiste de conglomerados y areniscas y lodolitas. La formacin Rio
Yuca suprayace la formacin Parngula y est constituida por areniscas masivas y
conglomeradas. El tope de la columna sedimentaria lo constituye la formacin Guanapa
del Pleistoceno formada por conglomerados, arenas y arcillas mal consolidadas.
Propiedades geofsicas del campo Borburata.
Las caractersticas fsicas de las formaciones Paguey, Gobernador, Navay y Escandalosa,
atravesadas por el hoyo de produccin: son muy heterogneas y de gran complejidad
para la ejecucin de la perforacin.
La formacin Paguey suprayacente de la arena prospectiva Gobernador presenta planos
de debilidad y cizallamiento que generan grandes problemas de desmoronamiento
durante la perforacin, adicionalmente, tiene presencia de esmctica, un material arcilloso
altamente propenso al hinchamiento. La formacin Gobernador esta constituda por un
conglomerado de arenisca de alta presin de petrleo con intercalaciones de lutitas
frgiles y presencia de acufero activo a menos de 20 pies de la arena de crudo que
pueden inducir por un lado desmoronamiento del pozo y prdida de circulacin durante la
perforacin y canalizacin de agua por falla del aislamiento zonal.
La formacin Navay esta constituda por lutitas calcreas frgiles con fracturas naturales
y vugas propensas a generar severas prdidas de circulacin durante la perforacin.
La formacin Escandalosa tiene una composicin bastante heterognea (caliza, dolomita,
y arenisca) que contiene arenas de crudo de inters y es estructuralmente fracturada con
vugas profundas (Figura 3) propensa a la prdida de circulacin.
Todas estas caractersticas sumadas conforman un perfil del hoyo altamente complejo,
potencialmente sensible a grandes prdidas de circulacin que pueden ocurrir durante los
procesos de perforacin y cementacin (Figura 4). Este escenario requiere la utilizacin
de fluidos de baja densidad durante la ejecucin de ambos procesos, pero la reduccin de
densidad debe monitorearse con mucha precisin para no bajar de cierto lmite debido a
la necesidad de aplicar suficiente presin hidrosttica para mantener la estabilidad de
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hoyo, particularmente frente los planos frgiles de Paguey. Las limitaciones presentes
establecen una ventana de trabajo muy reducida para definir la densidad de los fluidos,
especficamente las del lodo y cemento. Adicionalmente a las limitaciones de peso, la
lechada de cemento que se utilice debe desarrollar propiedades fsicas (prdida de
filtrado, esfuerzo de gel esttico, permeabilidad, anti migratoria, etc.) ptimas que le
permitan alcanzar un buen sello hidrulico a lo largo del anular, para evitar por ejemplo,
la comunicacin del acufero en Gobernador con la arena productora de crudo.
Complementariamente, la lechada debe generar un buen acoplamiento con las
propiedades mecnicas del cemento despus de fraguado (resistencia a la compresin,
resistencia a la tensin, mdulo de Young, relacin de Poisson, etc.), con la finalidad de
mantener el sello hidrulico durante la vida til del pozo.
TECNOLOGA DE CEMENTACIN APLICADA EN EL CAMPO BORBURATA
Lechadas livianas de alta resistencia mecnica CCLITE PLUSTM.
El perfil geofsico del campo Borburata constituye uno de los retos ms importante en la
industria de la perforacin a nivel mundial. Los problemas de inestabilidad del hoyo, bajo
gradiente de fractura, fracturas naturales, acuferos activos y arcillas reactivas presentes
en el hoyo productor hacen imposible la utilizacin de lechadas de cemento de densidad
convencional. En el pasado los pozos que se cementaron en este campo con lechadas de
densidad convencional presentaron graves problemas de prdida de circulacin y el
aislamiento hidrulico result deficiente. En ningn caso se intent utilizar lechadas
livianas, ya que para la poca la tecnologa moderna de lechadas livianas capaces de
desarrollar ptimas propiedades mecnicas no estaban disponibles y no se utilizaron las
tcnicas convencionales de lechadas livianas porque debido al incremento del volumen de
agua afectaba negativamente la estabilidad de la lechada, la resistencia mecnica del
cemento fraguado, la porosidad y su permeabilidad.
La campaa de perforacin que PDVSA viene realizando desde hace un ao en el campo
Borburata, CPVEN propuso la utilizacin de su tecnologa CCLITE PLUSTM, la cual
permite disear lechadas livianas sin afectar las propiedades mecnicas del cemento
fraguado, e inclusive permite incrementar su elasticidad. La tecnologa se fundamenta en
la optimizacin de la densidad de empaquetamiento (P), parmetro que consiste en la
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6Csar Jimnez, Eudes Noguera, PDVSA; Carlos Rodrguez, Freddy Inciarte, Fazael Lpez CPVEN
relacin porcentual entre el volumen efectivo de los slidos y el volumen de
empaquetamiento (Figura 5). El incremento de P se logra mediante un control en ladistribucin de partculas y una relacin de tamao definida entre los agregados
utilizados (1). Esta tecnologa se ha aplicado en la ciencia de materiales, especficamente
en la industria de la cermica y tambin en la industria del concreto con la finalidad de
obtener objetos o construcciones ms resistentes y menos permeable despus del
fraguado (2,3). En general, un arreglo de partculas de un cemento petrolero convencional
tiene una densidad de empaquetamiento cercana a 64 %. Aplicando esta metodologa y
apoyndonos en un programa de anlisis tri-modal, (4) se alcanza un valor de 74%
(Figura 6) en la densidad de empaquetamiento de los slidos de la lechada propuesta
para cementar los liner de produccin de 7. Adicionalmente, mediante esta tecnologa se
puede reducir la densidad de la lechada si se sustituye parte del volumen de cemento por
materiales inertes de menor gravedad especfica, esta modificacin del componente
solido de la mezcla permite reducir la densidad sin la necesidad de agregar mayor
volumen de agua al sistema, en consecuencia, se puede reducir la densidad sin
detrimento de las propiedades del cemento una vez fraguado (5).
Cementos Tixotrpicos
La utilizacin de la propiedad tixotrpica en lechadas de cemento no es una tecnologa de
desarrollo reciente (6). Mundialmente es bien conocido el mecanismo de accin de esta
propiedad y sus beneficios como controlador de prdida de circulacin debido a su accin
de retencin y bloqueo de la migracin de la lechada de cemento dentro de los canales
de la fractura, bien sean inducidos o naturales. Sin embargo, una de las desventajas ms
importante de las lechadas tixotrpicas es el pobre desarrollo de propiedades mecnicas,
que la inhabilitan para ser utilizadas individualmente como sello hidrulico frente a las
arenas productoras.
Combinacin de ambas tecnologas.
Combinando las lechadas CCLITE PLUSTM con el desarrollo de tixotropa se obtiene un
efecto sinergstico en el control de la prdida de circulacin en las fracturas naturales e
inducidas, presentes en las zonas productoras. Por una parte la baja densidad y latixotropa evitan el fracturamiento de la formacin, reducen la penetracin de la lechada
dentro de las fracturas naturales y disminuyen potencialmente el volumen de prdida,
incrementando las posibilidades de cubrir las arenas de inters con la columna de
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7Csar Jimnez, Eudes Noguera, PDVSA; Carlos Rodrguez, Freddy Inciarte, Fazael Lpez CPVEN
cemento. Por otra parte, debido al desacoplamiento extraordinario que produce la
tecnologa CCLITE PLUSTM entre la densidad de las lechadas y las propiedades
mecnicas del cemento fraguado, se puede reducir la densidad sin afectar la calidad del
sello hidrulico, adicionalmente, se incrementa su elasticidad, aumentando enormemente
las posibilidades de que el sello alcanzado sea duradero en el tiempo,.
PROPIEDADES DEL CEMENTO CCLITE PLUSTM
Densidad
La densidad de la lechada de 12.5 lpg (Tabla 1), utilizada en los tres pozos ya
cementados, se escogi en funcin de la ventana de presin dinmica permitida entre los
lmites del lodo (10.5 lpg) y la presin de fractura mnima (14.0 lpg). Los lmites anteriores
se ven reducidos operacionalmente debido a la presencia de fracturas naturales que
reducen el tope de densidad dinmica por debajo de 13.0 lpg, para la escogencia de la
densidad del cemento.
Reologa
El ajuste de la densidad de empaquetamiento de los slidos tambin genera beneficios en
el cemento durante su etapa lquida, a pesar de la menor cantidad de agua en la lechada,
las caractersticas fsicas de los agregados, su esfericidad y poca reactividad permiten
que la lechada no desarrolle excesiva viscosidad ni gelificacin dinmica durante la
mezcla y bombeo. En el caso particular de la lechada propuesta, la reologa se dise
con viscosidad y punto cedente altos (Tabla 1), para propiciar el desplazamiento de la
lechada en el anular con flujo tapn.
Prdida de filtrado
El incremento en la variacin granulomtrica de los slidos genera una doble accin
beneficiosa en la reduccin de la prdida de agua en la lechada frente la formacin
permeable. Por una parte reduce la permeabilidad de la lechada durante su etapa de
cristalizacin crtica, lo cual ayuda a reducir la movilidad del agua intersticial en la matriz
del cemento y reduce la posibilidad de invasin de fluidos de formacin dentro del
cemento y por otra parte ayuda a reducir la permeabilidad del revoque de cemento que se
forma frente a la cara permeable de la formacin, induciendo una mayor retencin del
agua en la lechada. La combinacin de ambos mecanismos de control de agua se traduce
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en una columna de cemento ms estable en el hoyo desnudo. La prdida de filtrado
medida en las lechadas utilizadas en Borburata es cercana a 20 cc/30min.
Encogimiento
La sustitucin parcial del volumen de cemento por agregados inertes, disminuye el
encogimiento natural del cemento al fraguar ya que estos agregados no se ven afectados
morfolgicamente durante la cristalizacin. La reduccin del encogimiento, conjuntamente
con el control de filtrado, actan sinergsticamente para evitar que la matriz de cemento
sea invadida por fluidos de la formacin (Figura 7). Adicionalmente, dentro de universo de
agregados se incorpora un agente expansivo (aumento de volumen de cristales) que
ayuda a incrementar la adherencia del cemento fraguado.
Segregacin
La mayor cantidad de slidos en la mezcla y el arreglo granulomtrica incrementa en la
matriz de la lechada la densidad de entramados de partculas, lo que induce a una
reduccin en la permeabilidad del mismo entramado que evita o reduce la percolacin de
las partculas ms pesadas hacia el fondo del pozo. La reduccin de la movilidad de las
partculas de la lechada se traduce en una columna de mayor estabilidad que las
lechadas convencionales.
Agua libre y sedimentacin
El agua libre es cero, debido a las mismas condiciones explicadas en el prrafo anterior y
a la menor cantidad de agua utilizada para realizar la mezcla. Adicionalmente esta
propiedad es casi insensible a las fluctuaciones de densidad aceptables durante la
operacin.
Esfuerzo de gel esttico (SGS)
El tiempo crtico (7) para alcanzar las 500 lbf /100 pie2 en la lechada propuesta es menor
de 20 minutos, el comportamiento de este parmetro tambin contribuye a reducir la
posibilidad de invasin de agua hacia la matriz del cemento proveniente de los acuferos
en la formacin Gobernador.
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PROPIEDADES MECNICAS DEL CEMENTO FRAGUADO
Resistencia a la compresin (RC)
Debido a la menor cantidad de agua utilizada en la mezcla comparada con las lechadas
livianas convencionales, se obtiene un cemento de menor porosidad con una resistencia
relativamente alta (1650 psi) suficiente para soportar los esfuerzos mecnicos generados
por las actividades operacionales. Adicionalmente, el tiempo para alcanzar los 500 psi es
relativamente corto (Figura 8) comparable a los tiempos consumidos por lechadas de
mayor densidad, lo cual evita incrementar el tiempo de espera para reanudar las
operaciones
Resistencia a la tensin (RT)
En general, los cementos son dbiles a la tensin, experimentalmente se ha determinado
que los cementos tradicionales tiene una resistencia a la tensin en el orden de 10% RC.
Sin embargo, aplicando la tecnologa de densidad de empaquetamiento y utilizando
agregados elsticos, se ha determinado experimentalmente que la tensin se incrementa
en algunos casos hasta 30% RC En el caso de las lechadas utilizadas en Borburata la
resistencia a la tensin obtenida es aproximadamente 15% RC, medida en condiciones
ambientales con el mtodo indirecto de la prueba de flexin de tres puntos (Figura 9).
Mdulo de Young
Los agregados inertes utilizados en el diseo son ms elsticos que el cemento base,
esta condicin de diseo permite que la matriz del cemento CCLITE PLUSTM sea
relativamente ms flexible y elstica. Los cementos base tienen un modulo de Young
cercano a 2 x106 psi, mientras que los cementos diseados con esta tecnologa tienen
modulo de Young menor, en el rango de 1 a 9x105 psi. Especficamente el diseo
utilizado en Borburata arroj un valor para el modulo de Young de 5.6x105 psi, (Tabla 2)
medido en condiciones ambientales con el mtodo indirecto de flexin de tres puntos.
Impedancia acstica
Debido al incremento de slidos en la lechada y a la diferencia de granulometra, el
cemento fraguado tiene menos porosidad que otras lechadas de menor peso y que las
lechadas espumadas, por consiguiente su impedancia acstica es mayor. Esta realidad
permite obtener mayor atenuacin en los registros de adherencia y facilita la
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interpretacin. Los registros snicos y ultrasnicos corridos en los tres pozos donde se ha
utilizado la lechada CCLITE PLUSTM confirman lo anterior. En los casos histricos el valor
de impedancia (Z) alcanzado es de ZCCLITE = 3.8 Mrayl mientras que el umbral deliquido/solido es de ZLIQUIDO/SOLIDO = 2.1 MRayl, muy por debajo del medido lo que permiteen estos casos una clara distincin entre cemento y liquido en el registro de mapa de
impedancias (Figura 10).
Anlisis del comportamiento elstico de la lechada en funcin de cambios depresin y temperatura frente a las formaciones Pagey, Gobernador y Morita.
La tendencia tecnolgica actual en la industria de cementacin de pozos est orientada a
profundizar el estudio del comportamiento del cemento fraguado en el anular con la
finalidad de mantener el aislamiento hidrulico durante toda la vida til del pozo.
Experimentalmente se ha determinado que los cambios de presin y temperatura
producto de las actividades operacionales que normalmente se ejecutan en el pozo, son
los principales variables que atentan contra el sello hidrulico, debido a que pueden
romper la adherencia existente entre las superficies de contacto cemento-tubera y
cemento formacin, llegando en algunos casos a fracturar la matriz del cemento (8).
Diferentes investigadores han determinado que el incremento de la elasticidad del
cemento, especficamente si se reduce el modulo de Young y se incrementa la relacin de
Poisson conjuntamente con el incremento de la resistencia a la tensin, se logra
desarrollar cementos ms resistentes a los cambios de presin y temperatura (9).
Modelo de esfuerzo deformacin.
Partiendo del comportamiento termoelstico del sistema cemento, revestidor y formacin
(Tabla 3 y 4) y asumiendo condiciones geomtricas ideales, se establece un modelo de
tres anillos concntricos constituido por el revestidor, cemento y formacin. Asumiendo
ciertas condiciones de entorno se puede aplicar la ecuacin general de Hook (Figura 11)
para determinar los esfuerzos que se inducen el la matriz del cemento cuando el sistema
se excita con cambios de presin y/o de temperatura. Utilizando este modelo estudiamos
el comportamiento del sello hidrulico frente a las distintas formaciones que se
encuentran por encima y por debajo de las arenas de inters Escandalosa y Gobernador
respectivamente, con la finalidad de establecer los lmites de tolerancia de los sellos a los
esfuerzos productos de los cambios de presin y temperatura. Los resultados obtenidos
(Figuras 12 y 13)) representan el comportamiento de los esfuerzos radial y tangencial
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que se desarrollan en la matriz del cemento cuando se incrementa la presin dentro del
revestidor, simulado operaciones rutinarias como por ejemplo: forzamiento, estimulacin,
etc. Ntese que manteniendo como lmite los esfuerzos mecnicos del cemento utilizado
(Tensin = 1850 psi; RC = 1650 psi) el sello frente a las cuatro arenas analizadas y
representadas en la grafica pueden soportar un poco mas de 5600 psi sin fracturar el
cemento. De los cuatro sellos formados, el sello frente a la arena Paguey resulto
relativamente el ms dbil a los esfuerzos de tensin, mientras que el sello frente a
Gobernador resulto el ms dbil a los esfuerzos de compresin.
CASOS HISTRICOS
Hasta la fecha se han cementado tres pozos con esta tcnica (BOR-36, BOR-37 y BOR-
38), durante la perforacin se detect prdida de parcial a severa en todos los pozos,
inclusive la cementacin del liner del pozo BOR -38 se realiz con prdida parcial. La
preparacin de la lechada en el campo no presento ninguna desviacin de lo programado.
Los resultados de las cementaciones considerando la evaluacin de los registros de
adherencia ultrasnico han sido exitosos (Figura 14) y la produccin de la arena
Gobernador se mantiene en el tiempo con un relativo bajo corte de agua en comparacin
con otros aos.
CONCLUSIONES
1. La tecnologa de lechadas CCLITE PLUSTM con propiedades tixotrpica resulta
una alternativa vlida para alcanzar un buen sello hidrulico frente arenas
productoras, en pozos naturalmente fracturados y de bajo gradiente.
2. La preparacin de estas lechadas no requiere de equipos especiales, distintos a
los utilizados normalmente.
3. La utilizacin de agregados inertes distintos a las microesferas huecas permite
desarrollar en el cemento impedancias relativamente altas, alejadas del umbral
lquido cemento permitiera una clara interpretacin de los registros ultrasnicos.
4. EL anlisis de los esfuerzo generados en la matriz del cemento producto del
incremento de presin en el pozo nos indica que el sello hidrulico puede soportar
el rango de presiones que se espera aplicar en el pozo durante su vida til debido
a operaciones de reparacin.
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