MÉXICO - CFECEMENTACIÓN DE POZOS PARA ABASTECIMIENTOS, MONITOREO DE INYECCIÓN DE AGUA GUÍA CFE 10000-59 3 de 18 951130 Rev 060915 141217 5.2.1 Recopilación de información Consiste

MÉXICO

CEMENTACIÓN DE POZOS PARA ABASTECIMIENTO, MONITOREO E

INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

DICIEMBRE 2014 REVISA Y SUSTITUYE A LA

EDICIÓN DE SEPTIEMBRE 2006

CEMENTACIÓN DE POZOS PARA ABASTECIMIENTOS, MONITOREO DE

INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

951130 Rev 060915 141217

C O N T E N I D O

1 OBJETIVO _________________________________________________________________________ 1

2 CAMPO DE APLICACIÓN _____________________________________________________________ 1

3 NORMAS QUE APLICAN _____________________________________________________________ 1

4 DEFINICIONES ______________________________________________________________________ 1

4.1 Cedazo ____________________________________________________________________________ 1

4.2 Cementación ________________________________________________________________________ 1

4.3 Centrador __________________________________________________________________________ 2

4.4 Espacio Anular _____________________________________________________________________ 2

4.5 Fraguado __________________________________________________________________________ 2

4.6 Lechada ____________________________________________________________________________ 2

4.7 Monitoreo __________________________________________________________________________ 2

4.8 Puenteos __________________________________________________________________________ 2

5 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES ______________________________________ 2

5.1 Requisitos _________________________________________________________________________ 2

5.2 Procedimiento ______________________________________________________________________ 2

6 CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL ____________________________________________ 8

7 BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________________________________ 9

FIGURA 1 Cementación a gravedad _____________________________________________________________ 10

FIGURA 2 Cementación utilizado tubería exterior __________________________________________________ 11

FIGURA 3 Cementación con zapata _____________________________________________________________ 12

FIGURA 4 Cementación a gravedad bajando el ademe ______________________________________________ 13


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 5 Cementación a través del ademe con dos tapones _______________________________________ 14

FIGURA 6 Cementación a través de ademe con un tapón superior ____________________________________ 15

FIGURA 7 Cementación a través de ademe con un tapón inferior _____________________________________ 16

FIGURA 8 Cementación a presión por el interior del ademe _________________________________________ 17

FIGURA 9 Cementación por inyección a presión por el interior del ademe _____________________________ 18


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

1 de 18

951130 Rev 060915 141217

1 OBJETIVO

Contar con un documento que apoye la toma de decisiones sobre la forma en que se debe colocar un anillo de

cemento alrededor del ademe de un pozo en construcción asegurando su operación eficiente para: estabilizar las

paredes de perforación, aislar una zona acuífera, formar un sello sanitario que evite la contaminación de un

acuífero, evitar la conexión de dos o más acuíferos con calidad de agua diferente entre otros.

2 CAMPO DE APLICACIÓN

Esta guía se aplica en cualquier pozo de monitoreo, abastecimiento e inyección en operación o construcción

que requiera aislar o estabilizar ciertas partes del mismo por medio de la cementación.

3 NORMAS QUE APLICAN Para la correcta utilización de esta especificación, es necesario consultar y aplicar las Normas Oficiales Mexicanas, Normas Mexicanas, Normas Internacionales, Normas de Referencia y especificaciones de la CFE.

NOM-003-CNA-1996 Requisitos Durante la Construcción de Pozos de

Extracción de Agua para Prevenir la Contaminación de Acuíferos.

NOM-004-CNA-1996 Requisitos para la Protección de Acuíferos Durante el

Mantenimiento y Rehabilitación de Pozos de Extracción de Agua y para el Cierre de Pozos en General

CFE 10100-56-2006 Medidas Generales de Seguridad y Salud en la Perforación.

NOTA: En caso de que los documentos anteriores sean revisados o modificados, debe utilizarse la edición vigente en la fecha

de publicación de la convocatoria de licitación, salvo que la CFE indique otra cosa.

4 DEFINICIONES

En esta guía se aplican las definiciones descritas en las normas NOM-003-CNA y NOM-004-CNA, además de las siguientes: 4.1 Cedazo

Tubo de ademe ranurado utilizado en pozos de agua.

4.2 Cementación Proceso para fijar una tubería a las paredes de un pozo empleando cemento.


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

2 de 18

951130 Rev 060915 141217

4.3 Centrador Dispositivo metálico que se coloca alrededor del tubo de ademe, sujetándolo con tornillos, cuyo diámetro exterior es ligeramente menor al diámetro del pozo y cuya finalidad es impedir que la tubería se recargue en la pared del pozo, centrándola. 4.4 Espacio Anular Es el espacio comprendido entre la pared exterior de la tubería de ademe y las paredes del pozo. 4.5 Fraguado Proceso mediante el cual, el cemento pasa del estado líquido o semi-líquido, al sólido. Acción o efecto de endurecerse. 4.6 Lechada

Mezcla en diversas proporciones de agua y cemento y en ocasiones de bentonita. Líquido que tiene en suspensión cuerpos insolubles. 4.7 Monitoreo

Actividad mediante la cual son obtenidas mediciones periódicas en los pozos de observación.

4.8 Puenteos

Espacios vacíos de diversa forma y dimensión q u e s e f o r m a n por obstrucción de la lechada debido al fraguado del cemento.

5 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES

5.1 Requisitos

Por ser una actividad indispensable en cualquier construcción de pozos de agua, ya sea para abastecimiento, monitoreo o inyección, no se requiere una solicitud específica, sin embargo se debe tener disponible el equipo necesario y suficiente para garantizar el cementado en forma continua y rápida.

En el caso de la rehabilitación de un pozo en operación que requiera cementación, o para clausurar alguno que se vaya a abandonar, es necesaria la autorización de la Comisión Nacional del Agua (CNA).

5.2 Procedimiento

Previo a la colocación de la lechada en cualquier tipo de pozo, es necesario conocer con anticipación el diseño final del pozo, las características geológicas del material perforado del acuífero a explotar, parámetros físico-químicos del agua del subsuelo o que se pretenda inyectar, así como del equipo de que se dispone.


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

3 de 18

951130 Rev 060915 141217

5.2.1 Recopilación de información

Consiste en obtener toda la información disponible relativa al pozo, subsuelo, acuífero y agua a inyectar tales como:

a) Profundidad del pozo. b) Diámetro(s) del ademe c) Tipo de ademe d) Longitud de ademe e) Espesor del espacio anular f) Fluido de perforación empleado g) Tipo de roca perforada h) Espesores litológicos i) Fracturamientos j) Permeabilidad k) pH del agua del acuífero l) Conductividad m) Temperatura n) Tipo de perforadora utilizada o) Relación de equipo para cementación del pozo

5.2.2 Estado actual de la obra

Se debe especificar si el pozo a cementar está en proceso de construcción, o si se encuentra en operación. En éste último caso indicar el tiempo en actividad. 5.2.3 Clasificación del tipo de pozo

Es necesario indicar si el pozo es de abastecimiento, de monitoreo (piezómetro) o de inyección de agua tratada.

5.2.4 Diagnostico de las condiciones físicas e hidráulicas del pozo

Si el pozo se encuentra en operación o ha sido utilizado, se debe programar un registro de videograbación para definir la factibilidad de cementarlo; en el caso de que se recomiende su reposición, debe programarse la clausura del pozo a abandonar, siguiendo la normatividad mexicana NOM-003-CNA y NOM-004-CNA.


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

4 de 18

951130 Rev 060915 141217

5.2.5 Características del ademe o contra-ademe

Antes del cementado de alguna sección o del total de un pozo, es necesario obtener el diámetro y material de que está fabricado el contra-ademe o ademe, ya sea acero o PVC (que son los más comunes), ya que la resistencia de ambos a la compresión, tensión es muy variable, siendo obviamente más resistentes las del acero.

Además de identificar el material de que están fabricados, es importante conocer la ubicación del ademe ranurado (en caso que exista), ya que su resistencia a la tensión y compresión es menor, asimismo no es común el cementado en áreas con ademe ranurado o cedazo.

5.2.6 Longitud del tramo a cementar

Si la sección a cementar es somera (menor a 50 m) y el espacio anular mayor a 5 cm, se puede cementar a gravedad si no existe nivel estático. Si la tubería es de PVC u otro material menos resistente que el acero, debe consultarse la resistencia al colapso para no sobrepasarla. Si la longitud a cementar es mayor a 50 m o existe nivel estático se debe emplear otro método diferente al de gravedad por espacio anular.

5.2.7 Métodos de cementación

Los procedimientos descritos a continuación, son los más utilizados en la cementación de pozos y debe utilizarse el que más se adapte a las características del pozo y al equipo de cementación disponible.

5.2.7.1 Cementación a gravedad Consiste en colocar la lechada utilizando palas, por medio de las cuales se vierte lentamente el cemento por el brocal del pozo. La mezcla se efectúa manualmente o utilizando una olla pequeña. Este método se utiliza si la cementación es superficial y de poca longitud (menor a 50 m) véase figura 1.

5.2.7.2 Colocación de la lechada utilizando tubería exterior de cementación Si el espacio anular es suficiente (mayor a 8 cm) y la profundidad es menor a 150 m, es posible introducir tubería de 5 cm- 10 cm de diámetro a través del espacio anular, entre la pared del pozo y el ademe. Esta tubería debe bajarse hasta aproximadamente 3 m antes del fondo, y a través de ella puede verterse el cemento utilizando una bomba. El ademe debe haberse bajado previamente, provisto de centradores y con un tapón perforable en el fondo para continuar posteriormente con la perforación. Conforme se inyecta el cemento, la tubería de inyección se extrae, por lo que se tiene que medir el ascenso del cemento por medio de una sonda. Para evitar colapsos o derrumbes (sobre todo en el PVC) o flotación del ademe, se le debe agregar peso, ya sea llenándolo de agua, lodo o recorte (el que posteriormente se extrae al fraguar el cemento). En el caso del ademe de PVC, el llenarlo con arena o recorte previene la disminución del diámetro de la tubería (véase figura 2).


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

5 de 18

951130 Rev 060915 141217

5.2.7.3 Cementación utilizando tubería de inyección por dentro del ademe con tapón de cementación o zapata con válvula de retención

Este procedimiento consiste en introducir la tubería de inyección por dentro del ademe (el cual previamente se ha llenado con agua o lodo para evitar su flotación), hasta el fondo del mismo, la cual se acopla a un obturador especial, que permite la salida de la lechada e impide su retorno. Este accesorio es conocido como zapata de cementación o zapata de flotación. A través de éste accesorio, se inyecta el volumen de lechada previamente calculada, suspendiendo la cementación cuando el cemento aparece en el brocal del pozo. Posteriormente se desconecta la tubería de inyección del obturador y se bombea agua a través de la tubería para limpiarla y después extraerla. Al fraguar el cemento, se perfora el obturador y se continúa con la profundización. Este método es muy utilizado en perforación petrolera y se le conoce con el nombre de cementación por tubería (véase figura 3). 5.2.7.4 Colocación de la lechada a gravedad bajando posteriormente el ademe Este consiste en depositar la lechada en el fondo del pozo, cuyo volumen ha sido previamente calculado más un 20 % extra por las irregularidades del mismo. La lechada se deposita utilizando tubería de 5 cm a 10 cm de diámetro, la cual es bajada hasta el fondo del pozo. Al irse llenando, la tubería se va extrayendo. Posteriormente se baja la tubería de ademe, a la cual previamente se le ha colocado un tapón perforable en el fondo. Si el ademe flota, debe de llenarse con agua o lodo para agregarle peso y que baje fácilmente. También debe de contar con centradores (si la formación es estable y lo permite), para garantizar el correcto centrado del ademe en el diámetro del pozo o bien utilizar un acelerador de fraguado. Al ir bajando el ademe, la lechada asciende por el espacio anular hasta el brocal del mismo. Si el pozo se encuentra lleno de agua o bentonita, éstos deben ascender conforme los desplace el cemento.

Es conveniente esperar a que fragüe bien el cemento, antes de reiniciar las actividades de perforación, aunque se tomen muestras de la lechada y se esté observando su fraguado (véase figura 4). 5.2.7.5 Cementación a través del ademe utilizando dos tapones (método "Hallburton")

Este método es muy utilizado en la industria petrolera y consiste en bombear a través del ademe, agua o lodo de perforación, para limpiar el espacio anular de cualquier obstrucción. Hecho esto, se coloca el primer tapón (los cuales deben de estar fabricados de un material que pueda ser fácilmente destruido) y se tapa la boca del ademe con una placa a la que previamente se le ha soldado una válvula, por la que se bombea el volumen de lechada suficiente para llenar el espacio anular. Una vez realizado esto, se abre de nuevo el ademe y se coloca otro tapón sobre la pasta de cemento, cerrando a continuación la boca del ademe, bombeando posteriormente agua o lodo para empujar el segundo tapón y obligar a la lechada a salir por el espacio anular. El volumen de agua o lodo deben mantenerse a presión hasta que la lechada ha fraguado, para evitar que ésta retorne por la tubería de inyección.

Es usual calcular el volumen de cemento de tal modo que queden de 3 m a 5 m de cemento como tapón en el interior del ademe, el cual posteriormente se re-perfora para continuar con la perforación (véase figura 5).


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

6 de 18

951130 Rev 060915 141217

5.2.7.6 Cementación a través del ademe con un tapón superior

Este método es una variación del anterior y consiste en bombear a través del ademe (el cual previamente se ha tapado con una placa y se ha colocado una válvula), agua o lodo para extraer grumos o bolas de bentonita. En seguida se bombea un volumen determinado de lechada, abriendo lo boca del ademe para colocar el tapón. Se tapa de nuevo la boca del ademe, soldándole una placa, y se bombea un volumen conocido de agua o lodo para desplazar la lechada de cemento a través del espacio anular. Con esta variante, se pretende que la lechada que puede ser diluida por estar en contacto con el fluido del ademe, sea separada de éste por el tapón, asegurando así una cementación homogénea y no contaminada del extremo inferior de la cementación. Se debe mantener la presión en el interior del ademe hasta el fraguado total de la lechada (véase figura 6).

5.2.7.7 Cementación a través del ademe con un tapón inferior

Esta variante del método original, consiste en taponar la boca del ademe, soldando una placa, a la cual previamente se le ha instalado una válvula. A través de esta válvula, se bombea agua a o lodo para limpiar el ademe y el espacio anular, posteriormente se abre la tapa del ademe y se coloca el tapón, cerrándola de nuevo. Se bombea un volumen determinado de lechada seguido de otro volumen calculado de agua o lodo, el cual empuja hacia abajo el tapón obligando al cemento a desplazarse por el espacio anular. El agua o lodo contenido en el interior del ademe, debe de permanecer a presión hasta que la lechada ha fraguado (véase figura 7). 5.2.7.8 Inyección a presión por el interior del ademe

Este método es muy similar al anterior, la diferencia es que no utiliza ningún tapón para la inyección del cemento. En este caso se coloca una tapa soldada en el brocal del ademe, provista de válvula para la inyección de cemento y manómetro para controlar la presión. La lechada de cemento se inyecta a través de la válvula, poniéndola en contacto directo con el agua o lodo contenidos en el ademe con las cuales se mezcla ligeramente.

Una vez que se ha inyectado el volumen calculado de cemento, se bombea a continuación agua o lodo, con el fin de que desplace el cemento. Esta operación se suspende hasta que el cemento aparece por el brocal del pozo.

Para asegurar la correcta cementación en el fondo del ademe, es conveniente dejar tres metros de cemento en el interior del ademe, el cual posteriormente se perfora.

La válvula de inyección debe de permanecer cerrada durante todo el fraguado del cemento, para evitar el retomo del mismo (véase figura 8).

5.2.7.9 Cementación a través del ademe utilizando tubería de inyección Este método requiere de colocar en la parte superior de la tubería de ademe, un cabezal de cementación, el cual consiste en instalar en una placa de acero, una válvula a través de la cual pasará el cemento.

Esta placa, también debe de ir provista de un manómetro y de una válvula de alivio. A través del cabezal, se coloca tubería de inyección de 6 cm a 1O cm de diámetro, a una profundidad ligeramente mayor a la longitud del ademe (0,5 m).


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

7 de 18

951130 Rev 060915 141217

El procedimiento consiste en llenar previamente de lodo, la tubería de ademe. Colocando enseguida el cabezal de cementación y la tubería de inyección. A través de esta tubería se inyecta el volumen de cemento previamente calculado, el cual sale por el espacio anular ya que el ademe se encuentra lleno de agua o lodo y no puede ser desplazado.

Se lava enseguida la tubería de inyección con un volumen suficiente de agua para que desplace el cemento contenido en ella, subiéndola a continuación para evitar que se atrape en el cemento (véase figura 9).

5.2.8 Preparación de la lechada y del equipo para cementar

Esta se prepara utilizando una mezcla de cemento normal (“Pórtland” o especial si el medio o el agua lo requiere) y agua, o sea, consiste de una suspensión de partículas sólidas en agua. Al proceso de preparación de la mezcla y su colocación, se conoce como cementación.

El agua que se utilice para efectuar la lechada debe de estar libre de materia orgánica y grasa, y el contenido de minerales disueltos debe de ser menor a 2 000 ppm. El equipo que se utilice no debe ser muy complicado pero si debe ser el adecuado y estar en buenas condiciones mecánicas para que se garantice la colocación continua y sin interrupción de la lechada; además, debe estar limpio, libre de suciedad o grasa y en condiciones de ser utilizado cuando se le requiera.

Si el volumen de lechada a colocar es pequeño (5 a 10 bolsas de cemento), el mezclado puede realizarse manualmente; pero conforme se incremente el volumen de la mezcla, se debe utilizar el equipo adecuado (ollas mezcladoras o trompos con capacidad de uno o dos metros cúbicos), y en los casos en que el volumen sea mayor, es mejor utilizar un mezclador de chorro, similar al que se utiliza para mezclar la bentonita y agua.

Para la inyección de la lechada, se pueden utilizar bombas de desplazamiento ("moyno") o a través de las bombas de lodos. 5.2.9 Dosificación

La siguiente tabla muestra las diversas dosificaciones empleadas en la cementación de pozos. De éstas, la más utilizada es la que corresponde a una relación cemento-agua 2:1

Dosificación de lechadas en la cementación de tuberías en pozos

Relación cemento - agua Peso del cemento

(kg)

Volumen de agua (l)

Densidad (gr/cm

3)

2:1 50 25 1.6 a 1.7

2:1.5 50 37.5 1.5 a 1.6

En algunos casos es necesario agregar a la lechada, arena o algún otro material para aumentar volumen. Lo anterior es con el fin de rellenar más rápidamente alguna oquedad o fractura y así disminuir el tiempo de la cementación y el costo, ya que se reduce la pérdida de la lechada.


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

8 de 18

951130 Rev 060915 141217

En ciertos pozos, es necesario colocar la lechada en alguna sección intermedia del pozo, por lo que se debe rellenar la parte inferior del mismo o colocar algún tipo de retenedor (campana).

También, puede utilizarse arena fina o bentonita como tapón, para evitar que la lechada penetre más abajo de lo deseado. (Véase figura 8).

5.2.10 Verificación de la cementación

Antes de continuar con la perforación, después de haber esperado el fraguado de la lechada, debe verificarse si la cementación ha tenido éxito.

Una de estas pruebas consiste en medir cambios en el nivel del agua dentro del ademe, si el nivel es muy bajo se puede llenar para después medirlo. Si el nivel es somero, se puede extraer el agua y medir cualquier cambio. En ambos casos, el nivel no debe variar si hay continuidad en la cementación. Este procedimiento no debe ser utilizado, si el diámetro del ademe es muy pequeño.

Otra prueba consiste en introducir por el ademe, una sonda acústica, la cual registra cualquier cambio en la continuidad del cemento, como puenteos o fracturas.

5.2.11 Informe de las actividades de cementación

Este forma parte del informe de las actividades de perforación y debe incluir la descripción del método utilizado, localización del tramo cementado, incluyendo diámetro del pozo, tipo de ademe, diámetro (s) y longitud (es), volumen de agua, cemento u otros agregados utilizados y tiempo de colocación de la lechada.

6 CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL

Ya que las actividades de cementación de tuberías de pozos las realizan las brigadas de perforación, estas deben seguir las indicaciones documentadas en la guía CFE 10100-56 "Medidas Generales de Seguridad y Salud en la Perforación".

Cabe destacar que en algunos métodos de cementación implica el uso de equipos y herramientas con presión, por lo que se debe tener especial cuidado del buen funcionamiento de los equipos de medición y de seguridad, tales como manómetros y válvulas.

El manejo de las tuberías a cementar, en la mayoría de los casos implica mover grandes pesos con los equipos auxiliares (grúas, poleas, malacates, entre otros) por lo que se debe tener cuidado de no sobrepasar las capacidades de carga de éstos equipos y no permitir el acceso al área de personas extrañas a estas maniobras.

Nunca se debe utilizar tuberías utilizadas o recicladas y debe conocerse sus propiedades de resistencias de acuerdo a los materiales de su fabricación y su espesor, para no someterla a esfuerzos mayores que pongan en riesgo al personal o la obra.


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

9 de 18

951130 Rev 060915 141217

7 BIBLIOGRAFÍA

[1] Custodio Emilio Llamas Manuel Ramón, Hidrología Subterránea Ediciones Omega, S.A.,

1976.

[2] Fletcher G. Driscoll, PhD "Ground waterand Wells". Published by Johnson Filtration

System, lnc., 1989 [3] The Engineer's Manual for Water Well Design, Published by Roscoe Moss Company, 1985.


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

10 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 1 Cementación a gravedad


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

11 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 2 Cementación utilizando tubería exterior


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

12 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 3 Cementación con zapata


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

13 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 4 Cementación a gravedad bajando el ademe


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

14 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 5 Cementación a través del ademe con dos tapones


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

15 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 6 Cementación a través del ademe con un tapón superior


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

16 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 7 Cementación a través del ademe con un tapón inferior


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

17 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 8 Cementación a presión por el interior del ademe


INYECCIÓN DE AGUA

GUÍA

CFE 10000-59

18 de 18

951130 Rev 060915 141217

FIGURA 9 Cementación por inyección a presión por el interior del ademe

Documents

MÉXICO - CFECEMENTACIÓN DE POZOS PARA ABASTECIMIENTOS, MONITOREO DE INYECCIÓN DE AGUA GUÍA CFE 10000-59 3 de 18 951130 Rev 060915 141217 5.2.1 Recopilación de información Consiste