Métodos y tecnologías de cementación de pozos: cómo preparar y verter la lechada de taponamiento

Después de la perforación de un pozo en suelos arenosos sueltos, llega una etapa destinada a fortalecer los tubos de la columna de revestimiento. Asimismo, se debe proteger el tronco contra daños, la acción agresiva de las aguas subterráneas, la corrosión y otros fenómenos negativos. Se trata del proceso de cementación de pozos.

Realizar el trabajo de cementación por cuenta propia es bastante difícil, pero posible, si se tienen conocimientos sobre las tecnologías del proceso. Le contaremos por qué es necesario realizar la cementación y a qué debe prestar atención durante la ejecución de los trabajos. Para mayor claridad, el material contiene fotos y videos temáticos.

¿Por qué cementar un pozo?

Cementación de pozos – proceso que sigue inmediatamente después de la finalización de los trabajos de perforación. El procedimiento de cementación consiste en que en el espacio anular o entre tuberías (en caso de que la tubería de revestimiento esté a su vez colocada dentro de una tubería de polietileno más ancha) se introduce una lechada de cemento, que con el tiempo se endurece, formando un cuerpo monolítico del pozo.

La lechada de cemento en este caso se denomina “de taponamiento”, y el proceso en sí, “taponamiento”. Un complejo proceso de ingeniería, denominado tecnología de cementación de pozos, requiere ciertos conocimientos y equipos especiales.

En la mayoría de los casos, las fuentes de agua se pueden taponar con sus propias manos, lo que resulta mucho más barato que contratar especialistas.

La cementación de pozos es un conjunto de medidas destinadas a fortalecer el espacio anular y la columna de revestimiento contra la presión lateral destructiva de las rocas y la acción de las aguas subterráneas

Un taponamiento correctamente realizado de los pozos de agua contribuye a:

• garantizar la solidez de la estructura del pozo;
• proteger el pozo de las aguas subterráneas y freáticas;
• fortalecer la tubería de revestimiento y protegerla contra la corrosión;
• aumentar la vida útil de la fuente de agua;
• eliminar poros grandes, huecos y espacios a través de los cuales partículas no deseadas pueden ingresar al acuífero;
• desplazar el lodo de perforación con la lechada de cemento, si el primero se utilizó durante la perforación.

De qué tan correctamente se realice la cementación dependerá la calidad del agua extraída y las características de operación del pozo. También se realiza la cementación para pozos clausurados que ya no serán explotados.

Etapas de la cementación de la fuente de agua

Todo el proceso de cementación consta de varias etapas, cada una de las cuales tiene sus matices:

1. Preparación de la lechada de cemento para llenar el espacio anular.
2. Suministro del cemento preparado al pozo.
3. Inyección de la lechada de cemento en el espacio anular.
4. Período de endurecimiento de la lechada de cemento.
5. Verificación de la calidad de la cementación.

Cada etapa requiere el uso de herramientas y equipos especiales determinados. Es mejor realizar los cálculos de los materiales necesarios antes de comenzar los trabajos de obturación, ya que el proceso de obturación debe ser continuo y si, por ejemplo, falta lechada de cemento, esto afectará de la manera más negativa la calidad de la cementación. Las etapas más importantes se analizarán con más detalle.

En raras ocasiones, los pozos de agua no necesitan cementación; se trata de pozos cuya profundidad total atraviesa suelos arcillosos densos.

Etapa n.º 1 – preparación del equipo

Todos los trabajos de cementación de pozos de agua deben realizarse estrictamente de acuerdo con los requisitos técnicos, cuya infracción dará lugar a una cementación de mala calidad.

Al abordar la obturación del pozo, debe saber que es un proceso irreversible; no es posible corregir nada una vez que se ha comenzado a inyectar la lechada en el espacio anular del pozo. Por lo tanto, debe abordar los trabajos preparatorios, específicamente la preparación de la lechada de cemento y la elección del equipo, con la máxima responsabilidad.

La forma más sencilla y eficaz – es alquilar el equipo en una plataforma de vehículos. Dicho conjunto podrá preparar la lechada de cemento y bombearla al pozo bajo presión, siendo la fuente de energía para el funcionamiento del equipo un potente motor de automóvil.

Si no es posible utilizar las unidades basadas en un vehículo especial, necesitará:

• mezcladora para preparar la lechada de cemento;
• bomba de alta presión que impulsa la lechada hacia el pozo;
• cabezal de cementación para inyectar la lechada dentro del pozo;
• tapones de inyección (la cantidad depende del método de cementación);
• diversos utensilios pequeños (mangueras, recipientes de medición).

Como manguera, muchos especialistas recomiendan utilizar una manguera flexible contra incendios en lugar de las tradicionales tuberías de polietileno de baja densidad (PBD) de 32 cm de diámetro. Es plana y pasa excelentemente por el espacio anular, garantizando una alimentación eficaz de la lechada.

Los equipos para cementación de pozos tienen grandes dimensiones y requieren una fuente de energía potente, como un compresor, un generador o un acceso ininterrumpido a la red eléctrica.

Etapa n.º 2 – preparación de la lechada

La lechada de cementación para el pozo debe cumplir una serie de requisitos y poseer:

• alta adherencia con superficies de cualquier tipo;
• alta resistencia después del fraguado, resistencia a impactos mecánicos;
• plasticidad y buena fluidez para llenar todas las fisuras y huecos;
• neutralidad química respecto a las capas de suelo a cementar;
• resistencia a la erosión por aguas subterráneas;
• ausencia de contracción durante el endurecimiento.

Además, la lechada debe tener una consistencia tal que pueda transportarse al pozo e inyectarse sin problemas. Debe lavarse fácilmente del equipo, no ser químicamente agresiva con él y tener un coeficiente mínimo de pérdida durante el transporte al pozo.

La lechada de cementación utilizada debe tener una estructura lo suficientemente fluida para ser bombeada por el equipo de inyección y, al mismo tiempo, poseer altas características de resistencia.

El proceso de preparación de la lechada de cemento para cementación consiste en mezclar uniformemente los componentes que la integran y luego agregar agua, con aditivos especiales previamente disueltos en ella.

Las lechadas más simples que se pueden preparar por uno mismo son:

1. Cemento Portland + arena de cuarzo (1:1) + aditivos especiales y agua hasta obtener la consistencia deseada. Esta lechada tiene baja densidad y su preparación es compleja, ya que la arena incluida suele sedimentarse, haciendo imposible su uso.
2. Cemento Portland + barita (1,1:1) + aditivos especiales y agua. La desventaja de esta lechada – baja resistencia.
3. Cemento Portland + relleno. Como relleno se utiliza asbesto (en suelos arenosos), materiales fibrosos.

Para preparar la mezcla de cementación, lo mejor es utilizar cemento Portland para cementación, que es una variedad de cemento a base de silicatos.

Este cemento, por supuesto, cuesta más que el cemento Portland común, pero sus características de resistencia son mucho más altas que las del común. La barita – un mineral pesado que aumenta la densidad de la solución. Se puede adquirir barita en una tienda de construcción que venda materiales de construcción a granel.

Por aditivos especiales que forman parte de las soluciones de cementación se entienden diversas sustancias que confieren propiedades especiales a la solución.

Entre ellas se incluyen:

• aceleradores de fraguado del cemento (cloruro de calcio, carbonato de sodio, potasa), utilizados si la cementación se realiza a una temperatura inferior a +5 grados;
• retardadores de fraguado, utilizados para evitar el endurecimiento rápido (son cloruros de calcio o sodio, nitrito de sodio, etc.);
• plastificantes para obtener una viscosidad óptima (modificadores poliméricos);
• aditivos resistentes a la congelación (compuestos organosilícicos junto con plastificantes);
• aditivos absorbentes de humedad (sustancias obtenidas de compuestos pertenecientes a los grupos de ácidos sacárico, cítrico, tartárico y tetrahidroxiadípico) y otros.

Los aditivos especiales se mezclan en agua, que luego se utiliza para preparar la solución de cementación. La solución se mezcla mediante máquinas especiales – mezcladoras. A veces se permite el mezclado manual, pero requiere cierta habilidad y grandes costos de mano de obra.

La roca de cemento que se forma al endurecerse el cemento Portland posee altas propiedades de resistencia, soporta cargas, acciones mecánicas y físicas.

Etapa n.º 3 – vertido de la lechada en el pozo

Los principales métodos de cementación de pozos son:

• continuo o de una sola etapa;
• de dos etapas;
• con collarín;
• inverso.

Todos los métodos de cementación de pozos de agua se basan en un principio – la inyección de la solución de cementación en el espacio anular. La elección de la tecnología de cementación depende de las condiciones específicas: tipo de suelo, profundidad del pozo, material de las tuberías de revestimiento, condiciones climáticas e hidrogeológicas del terreno.

La tecnología de cementación seleccionada para el pozo de agua debe garantizar:

• el llenado con solución de toda la caña del pozo en toda su profundidad;
• desplazar completamente el fluido de perforación (en caso de haberlo);
• la creación de una roca de cemento de alta resistencia, resistente a las acciones físicas, mecánicas y químicas;
• un alto índice de adhesión con las paredes del terreno del pozo y las tuberías de revestimiento.

Para pozos profundos se aplica la cementación segmentaria, es decir, no se cementa toda la caña del pozo de una vez, sino solo sus segmentos individuales.

Este proceso es muy complejo y la práctica muestra que realizarlo de manera independiente es prácticamente imposible. Por lo tanto, examinaremos con más detalle la tecnología de cementación de una y dos etapas y de manguito.

Cementación de una etapa o continua

Este método se utiliza con mayor frecuencia para la cementación de pozos de agua domésticos. Durante su implementación, la lechada de cemento se bombea al espacio anular.

La lechada se bombea a presión mediante equipos instalados en la plataforma de un vehículo especial o de forma estacionaria cerca del pozo. Bajo su propio peso, la lechada de cemento se desplaza hacia la base - el “zapato” de la tubería de revestimiento, llenando todas las cavidades anulares.

Los trabajos de cementación de una etapa se realizan en un solo ciclo sin interrupciones, por lo que es necesario asegurarse de contar con una cantidad suficiente de lechada de cemento.

Antes de comenzar los trabajos de cementación, se realiza el lavado del pozo, y luego se introduce el tapón inferior, que actuará como limitador. Se enciende la bomba de hormigón y comienza la inyección de la lechada de cemento, bajo cuyo efecto el tapón desciende hasta alcanzar el “zapato” de la columna de revestimiento.

Después de la inyección de la lechada, se coloca un tapón superior y comienza la compactación de la mezcla de cemento, hasta que el tapón superior topa con el inferior. Esto significará que la lechada ha llenado todo el espacio anular. La compactación se realiza mediante una prensa vibratoria con ayuda del bombeo adicional de la lechada con la bomba de hormigón.

El pozo cementado se deja reposar durante 36-48 horas para el fraguado completo de la lechada. Este método solo es adecuado para pozos poco profundos y de configuración uniforme. La desventaja de este método es la imposibilidad de rastrear el momento en que la lechada de cemento alcanza el punto inferior del pozo.

Sistema de inyección de dos etapas

Este método de cementación fue desarrollado para pozos de la industria petrolera. Debido a que requiere el uso de equipos industriales serios (una bomba de hormigón potente), no se utiliza con frecuencia en la construcción de pozos. La cementación de dos etapas se utiliza en los siguientes casos:

• La lechada de cemento fragua tan rápidamente que no se puede completar la cementación en un solo ciclo;
• cuando se requiere separar dos secciones en el espacio anular que están divididas por una distancia significativa;
• cuando la profundidad del pozo es grande y no es posible realizar los trabajos en un solo ciclo.

En los demás casos, la aplicación del método de dos etapas no es recomendable debido a la duración del proceso y a los indicadores económicos.

La cementación en dos etapas es más prolongada en tiempo, ya que la segunda etapa se inicia después del endurecimiento completo de la lechada de cemento de la primera etapa.

El principio de la cementación en dos etapas se basa en que la inyección de cemento en el espacio anular se realiza en dos tiempos.

La primera porción de la lechada de cemento se carga y se desplaza. Se baja el tapón inferior, que bajo la acción de la solución desciende al fondo. La segunda porción de la solución se inyecta entre 12 y 36 horas después, una vez endurecida completamente la primera porción.

En la práctica de la perforación profunda de pozos artesianos, en presencia de capas absorbentes en la parte superior de la sección geológica y en otros casos, se aplica la cementación en dos etapas.

Aplicación del método de manguito

Este método de cementación se utiliza si es necesario reforzar solo la parte superior del pozo. En este caso, la tarea inicial será determinar el nivel hasta el cual se realizará la cementación.

El nivel se marca en la tubería de revestimiento mediante la instalación de un manguito especial. La parte inferior del pozo está protegida de manera segura por el manguito contra la penetración de la lechada de cemento.

La solución se inyecta exactamente igual que en la cementación en una sola etapa. El método de manguito se aplica en el caso de que la parte superior del pozo esté ubicada en suelos arenosos y la inferior – en suelos arcillosos. Esto ocurre con bastante poca frecuencia, por lo que este método no ha encontrado una amplia aplicación.

Proceso de formación de la piedra de cemento

El proceso de formación de la piedra de cemento comienza inmediatamente después de la inyección de la lechada de cemento y dura de 12 a 36 horas. Los principales factores que influyen en la duración del endurecimiento de la solución hasta el estado de piedra de cemento son:

• las propiedades de los componentes que conforman la solución;
• los suelos, el material de las columnas de revestimiento;
• las condiciones hidrogeológicas y climáticas en el sitio;
• la densidad de inyección, la correcta ejecución del proceso de cementación.

Durante el período de endurecimiento, es necesario dejar el pozo en reposo. Está prohibido usar cables, palancas, alambres para evaluar la calidad de la cementación, ya que esto puede dañar la integridad de la piedra de cemento en formación.

Si usted no sabe cuánto tiempo es necesario para el fraguado completo de la lechada de cemento, espere tres días y proceda a realizar las mediciones de control.

Evaluación de la calidad de la cementación

Vale la pena señalar que, a pesar de que la evaluación de la calidad de la cementación de los pozos de agua es una etapa muy importante, es imposible realizarla por sí mismo.

Para su realización se requiere equipo de laboratorio especial, que muy raramente se encuentra incluso en organizaciones dedicadas a la perforación.

Si usted, a pesar de todo, tiene la intención de evaluar el taponamiento realizado, puede solicitar el servicio de control de calidad de una de las tres maneras:

• acústico, basado en el golpeteo de las paredes de la columna de revestimiento, con el posterior procesamiento de los datos obtenidos mediante programas informáticos;
• radiológico, cuando la medición se realiza con instrumentos de radio;
• térmico, basado en el principio de medición del calor liberado durante el fraguado de la lechada de cemento.

En condiciones “caseras” usted puede utilizar un método térmico simplificado, midiendo la temperatura en las paredes del pozo. Cuando se iguale con la temperatura ambiente del aire y sea inferior en 0,5-1,5 grados, entonces se puede hablar de endurecimiento completo. Sin embargo, incluso después de esto, se recomienda esperar 2-3 días y solo entonces poner el pozo en funcionamiento.

Después de completar la verificación, la boca del pozo se limpia de los restos de lechada de cemento con la ayuda de la cuchara de perforación. Luego se realiza una prueba de estanqueidad, para lo cual se bombea agua a alta presión en la tubería del pozo durante 30 minutos. El criterio de estanqueidad será una caída de presión de aproximadamente 0,3-0,5 MPa. Ahora el pozo está completamente listo para su uso.

La estanqueidad del taponamiento aumenta el caudal del pozo, prolonga la vida útil de las columnas de revestimiento, protegiéndolas de la corrosión, así como de la propia fuente de agua.

Conclusiones y video útil sobre el tema

En los siguientes videos se habla de pozos en la industria del petróleo y gas, pero el principio de la tecnología de trabajo es el mismo que para los pozos de agua.

Procedimiento de cementación de pozo en una sola etapa:

Especificidad de la cementación con manguito:

Características tecnológicas de la cementación en dos etapas:

La cementación – es un proceso complejo que requiere el uso de equipos especializados. Sin embargo, esto no significa que sea imposible realizarlo por sí mismo. Eligiendo y preparando correctamente la lechada de taponamiento, utilizando un conjunto mínimo de equipos, se puede manejar el trabajo por sí mismo.

En cualquier caso, la operación del pozo sin fortalecer la columna con cemento no será duradera, y los costos de perforar una nueva fuente de agua no serán menores en absoluto.

Si después de estudiar el material le quedan preguntas sobre cómo cementar correctamente el pozo después de la perforación, o si posee conocimientos valiosos sobre este tema, por favor, deje sus comentarios en el bloque ubicado a continuación.