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PROPIEDADES Y ADITIVOS DE LOS CEMENTOS




1. INTRODUCCION

Las propiedades de una lechada de cemento específica dependerán de las razones particulares para el uso del cemento. Sin embargo, hay propiedades fundamentales las cuales deben ser consideradas cuando diseñamos cualquier lechada de cemento.

2. PROPIEDADES DE LOS CEMENTOS

2.1. RESISTENCIA A LA COMPRESION
No se debe perforar el zapato de la cañería de revestimiento hasta que el cemento que ha sido bombeado haya alcanzado una resistencia a la compresión de alrededor de 500 psi. Generalmente este valor es considerado suficiente para soportar una sarta de cañerías y permitir perforar para avanzar sin que el endurecido cemento se desintegre debido a la vibración. Si la operación se retrasa a la espera que el cemento fragüe y desarrolle esta resistencia a la compresión en la locación de perforación, se dice que se esta “a la espera del cemento” (WOC). El desarrollo de la resistencia a la compresión es una función de muchas variables, como: la temperatura, presión, cantidad de agua de mezcla añadida y el tiempo transcurrido desde la mezcla.

El tiempo de fragüe de una lechada de cemento puede ser controlado con aditivos químicos, conocidos como “Aceleradores de Fragüe”.

Cementos en petroleo
Fig 1. Prueba para medir la resistencia a la compresión

2.2. TIEMPO DE BOMBEABILIDAD (ESPESAMIENTO)

El tiempo de bombeabilidad de una lechada de cemento es el tiempo durante el cual la lechada de cemento puede ser bombeada y desplazada dentro del espacio anular (la lechada es bombeable durante este tiempo). La lechada debe tener suficiente tiempo de bombeabilidad para permitir ser:

• Mezclada.
• Bombeada dentro de la cañería.
• Desplazada a través del fluido del perforación hasta que este se ubique el lugar requerido.

Generalmente un tiempo de bombeabilidad de 2 a 3 horas es suficiente para permitir que las operaciones sean completadas. Este tiempo también es suficiente por si ocurre algún retraso o interrupción en las operaciones de cementación. El tiempo de bombeabilidad que se requiere para una operación en particular deberá ser cuidadosamente seleccionado de manera que las siguientes actividades operacionales sean satisfechas:

• La lechada de cemento no debe fraguar mientras empieza a ser bombeada.
• La lechada de cemento no debe permanecer fluida por demasiado tiempo, porque podría contaminarse con los fluidos de la formación u otros contaminantes.
• Las operaciones de cementación no deben consumir demasiado tiempo en una operación de perforación.

Las condiciones en la el fondo del pozo tienen un significativo efecto sobre el tiempo de bombeabilidad. Un incremento en la temperatura, presión o perdida de fluidos reducirán el tiempo de bombeabilidad. Estas condiciones deben ser simuladas en la etapa de diseño y prueba de la lechada de cemento en el laboratorio antes de desarrollar cualquier operación en el pozo.


Fig.2 – Consistómetros


Fig. 3 – Interior de un consistómetro

2.3. DENSIDAD DE LA LECHADA

Las densidad estándar de las lechadas pueden ser alteradas para reunir requerimientos operacionales específicos (un formación que tenga un bajo gradiente de fractura podría no soportar la presión hidrostática de una lechada de cemento cuya densidad esta alrededor de las 15 lb/gal). La densidad puede ser alterada a través de cambiar la cantidad de agua de mezcla o usando aditivospara la lechada. La densidad de muchas lechadas de cemento varía entre 11 a 18,5 lb/gal (ppg). Se debe recalcar este aspecto de que las lechadas de cemento son relativamente pesadas, sabiendo que las gradientes de presión normal de las formaciones son consideradas generalmente equivalentes a 8,9 lb/gal (ppg). Sin embargo es inevitable tener una lechada de cemento pesada (alta densidad), si se requiere que el cemento endurecido alcance una alta resistencia a la compresión.


Fig. 4 – Balanza presurizada


Fig. 5 – Variación del peso de la lechada de cemento

2.4. PERDIDA DE AGUA (AGUA LIBRE)

El proceso de fraguado de la lechada es el resultado de que el cemento empiece a hidratarse con el agua de mezcla. Si se pierde agua de la lechada de cemento antes de que esta haya sido posicionada en el espacio anular, su tiempo de bombeabilidad decrecerá y las formaciones sensibles al agua pueden ser afectadas de manera adversa. La cantidad de agua perdida que puede ser tolerada depende de operación de cementación y de la formulación de la lechada.

La cementación forzada requiere bajos valores de pérdida de agua, debido a que el cemento debe ser inyectado a presión antes que se genere un revoque y bloquee las perforaciones. La cementación primaria no depende tan críticamente de la pérdida del agua. La cantidad de fluido perdido de una lechada en particular debe ser determinada a través de una prueba de laboratorio. Bajo condiciones estándar de laboratorio (1000 psi de presión en la prueba de filtrado, con una malla de 325 mesh).

2.5. RESISTENCIA A LA CORROSION

Las aguas de formación contienen determinados elementos corrosivos, los cuales pueden causar deterioro del cemento. Dos compuestos que son comúnmente hallados en las aguas de formación son el sulfato de sodio y el sulfato de magnesio. Estos compuestos reaccionan con la cal y C3S para formar cristales de sulfoaluminato de calcio, estos cristales se expanden y causan grietas en la estructura del cemento. Un bajo contenido de C3A en el cemento incrementa la resistencia al sulfato. Para que tener alta resistencia a los sulfatos en el cemento el contenido de C3A debe estar entre 0 – 3%.

2.6. PERMEABILIDAD

Después que el cemento ha endurecido, la permeabilidad es muy baja.

Fig. 6 – Permeámetro para medir la permeabilidad de la lechada fraguada

3. ADITIVOS DE LOS CEMENTOS

Muchas lechadas de cemento contienen aditivos, para modificar las propiedades de la lechada y optimizar las operaciones de cementación. Muchos aditivos son conocidos por su nombre comercial usado por las compañías de servicios de cementación. Los aditivos de cemento pueden ser usados para:

• Variar la densidad de la lechada.
• Cambiar la resistencia a la compresión.
• Acelerar o retardar el tiempo de fragüe.
• Control de filtrado y perdida de fluido.
• Reducir la viscosidad de la lechada.

Los aditivos pueden ser entregados en la locación de perforación en estado granular o líquido y pueden ser mezclados con el cemento en polvo o ser añadidos al agua de mezcla antes de que la lechada de cemento sea mezclada. La cantidad de aditivos usados comúnmente es expresada en términos de porcentaje en peso del cemento en polvo (tomando como base que cada saco de cemento pesa 94 lb). Muchos aditivos afectan más de una propiedad y por tanto deben ser cuidadosamente usados.

3.1. ACELERADORES

Son productos químicos que reducen el tiempo de fraguado a las lechadas de cemento. Incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia a la compresión. Son usados cuando el tiempo de fraguado del cemento resulta ser más largo que el requerido para mezclar y desplazar la lechada.

Los aceleradores son especialmente importantes en pozos poco profundos donde las temperaturas son bajas y por tanto la lechada de cemento puede tomar un largo periodo de tiempo para fraguar. En pozos profundos las altas temperaturas estimulan el proceso de fragüe y los aceleradores pueden no ser necesarios. Los aceleradores de fragüe más comunes son:

• Cloruro de Calcio (CaCl2).- Esta sal se dosifica de 2,0 a 4,0% por peso de cemento, dependiendo del tiempo de bombeabilidad que se desea obtener. Es el producto que exhibe mayor control en el tiempo de bombeabilidad. Los resultados no son predecibles si la concentración excede el 6 %

• Cloruro de Sodio (NaCl).- Actúa como acelerador en concentraciones de 2,0 – 2,5 % por peso de cemento. Más comúnmente en concentraciones de hasta 10% por peso de agua de mezcla, en concentraciones entre 10 – 18% es esencialmente neutral y el tiempo de fraguado es similar al obtenido con agua dulce. A concentraciones mayores al 18% causa retardación de fragüe.

• Agua Salada.- Es ampliamente usado para preparar lechadas de cemento en locaciones costa afuera (offshore). El agua de mar contiene arriba de 25 g/l de NaCl, lo que resulta en un acelerador.

• Sulfato de Calcio (CaSO4).- Es un material que por si mismo posee características cementantes y tienen fuerte influencia en expandir el cemento fraguado; como acelerador se dosifica basándose en el tiempo que se desea y la temperatura a la cual se va a trabajar. Su concentración varía del 50 – 100% por peso del cemento. Se debe hacer notar que altas concentraciones de este aditivo actúan como retardadores de fragüe.

3.2. RETARDADORES

Son productos químicos que prolongan el tiempo de fraguado inicial de las lechadas de cemento y brindan la posibilidad de trabajar el cemento en un amplio rango de temperatura y presión. En pozos profundos, las altas temperaturas reducen el tiempo de bombeabilidad de las lechadas de cemento. Los retardadores se usan para prolongar el tiempo de bombeabilidad y evitar los riesgos del fraguado prematuro. Para temperaturas estáticas por encima de 260 – 275 ºF se deben medir los efectos de los retardadores a través de pruebas piloto. Los tipos más comunes de retardadores son:

• Lignosulfonato.- Se componen de sales de ácidos lignosulfónicos de sodio y calcio. Son polímeros derivados de la pulpa de la madera. Usualmente son compuestos no refinados y contienen varias cantidades de compuestos sacaroides con un peso molecular promedio de 20.000 a 30.000. Los retardadores de lignosulfonatos son efectivos con todos los cementos y se dosifican en un rango de 0,1 – 1,5 por peso de cemento. Son efectivos hasta 250 ºF (122 ºC) de temperatura de circulación en el fondo del pozo y hasta 600 ºF (315 ºC) cuando se mezcla son borato de sodio.

• Acido Hidroxilcarboxilicos.- Los ácidos hidroxilcarboxilicos contienen grupos hidroxilicos (OH) y carboxilicos (CHn) en su estructura mlecular. Son retardadores poderosos y se aplican a un rango de temperatura de 200 ºF (93ºC) – 300 ºF (143 ºC). Otro ácido hidroxilcarboxilico con un fuerte efecto retardante, es el ácdio cítrico. Este también es efectivo como dispersante de cemento a normalmente se usa en concentraciones de 0,1 – 0,3 % por peso de cemento.

• Organofosfonatos.- Se aplican a temperaturas de circulación tan altas como 400 ºF (204 ºC). Presentan insensibilidad a variaciones sutiles de la composición del cemento y tienden a bajar la viscosidad de lechadas densificadas.

3.3. REDUCTORES DE DENSIDAD (EXTENDEDORES)

Son materiales que reducen la densidad de las lechadas de cemento y/o reducen la cantidad de cemento por unidad de volumen por producto fraguado (extendedor). Los extendedores se usan para reducir la densidad de la lechada en lugares donde la hidrostática generada por la lechada excede la resistencia a la fractura de ciertas formaciones. Al reducir la densidad del cemento la generación de la resistencia a la compresión inmediata también se reduce y el tiempo de bombeabilidad se incrementa. El uso de estos aditivos permite añadir mas agua de mezcla y por lo tanto incrementa la cantidad de lechada a ser producida por cada saco de cemento (por tal motivo también son llamados extendedores).

Los aditivos reductores de densidad más comunes son:

• Bentonita (2 – 16%).- Es por mucho el aditivo mas comúnmente usado para reducir la densidad de la lechada de cemento. Requiere el 530% de agua de su propio peso; es decir 5,3 litros de agua por kg de bentonita, se puede dosificar hasta un 4% por peso de cemento sin que perjudique al cemento fraguado. El incremento del rendimiento por adición de bentonita se puede observar en el siguiente cuadro.


Cuadro 1 – Comparación en la generación de resistencia a la compresión

• Puzzolanas.- Son cenizas volcánicas que por si solas no tienen características cementantes, pero que mezcladas con cemento, reaccionan con la cal libre del cemento. Puede ser usado en mezcla de 50/50 con cementos Portland. Resultando en un ligero decremento de la resistencia a la compresión y un incremento en la resistencia a los sulfatos.

• Tierras Diatoméas (10 – 40%).- Su gran área superficial de las tierras diatomeas permiten mayor absorción de agua y producen una lechada de baja densidad (por debajo de 11 lb/gal)

• Metasilicato de Sodio Anhidro.- Es muy eficiente y económico. Es compatible con el mayor número de aditivos químicos; maneja un porcentaje variable de agua en función del porcentaje que se utilice. Se dosifica de 1 – 3% por peso de cemento.

3.4. MATERIALES DENSIFICANTES

Son materiales químicos inertes, de alto peso específico y que manejan poco agua. Estos materiales son usados cuando se realizan operaciones de cementación en zonas sobrepresurizadas. Los densificantes más comunes usados son:

• Barita (Sulfato de Bario).- Usados para alcanzar densidades de lechada por encima de las 18 lb/gal. Tienen una gravedad específica de 4,23 y requiere 22% de agua de su propio peso. Este aditivo puede causar una reducción en la resistencia a la compresión y en el tiempo de bombeabilidad. Se dosifica de 20 – 40 % por peso de cemento.

• Hematita (Fe2O3).- La alta gravedad específica de la hematita puede usarse para elevar la densidad de la lechada hasta 22 lb/gal. Tienen una gravedad específica de 5 y requiere el 3% de agua de su propio peso. Se emplea hasta el 50% por peso de cemento, dependiendo del peso que se desea obtener. La hematita reduce significativamente el tiempo de bombeabilidad de las lechadas y además requiere el uso de aditivos reductores de fricción.

• Arena.- Arenas seleccionadas (40 – 60 mesh) pueden generar un incremento de 2 lb/gal en la lechada de cemento.


Cuadro 2 – Variación de la densidad de la lechada con algunos aditivos

3.5. ADITIVOS PARA PERDIDA DE FLUIDOS

Se usan para prevenir la deshidratación de las lechadas de cemento y evitar un fragüe prematuro. Generalmente los reductores de filtrado son productos derivados de celulosa. El valor del filtrado estipulado por el API varía de acuerdo con el tipo de operación a realizar:

• Cementación de Tubería de Revestimiento = no mayor a 200 cm3.
• Cementación de Tubería Corta (Liner) = no mayor a 50 cm3.
• Cementación Forzada = de 30 a 50 cm3

El valor del filtrado API se mide en cm3 a 30 minutos bajo una presión diferencial de 1000 psi. Los aditivos más comunes son:

• Polímeros Orgánicos (Celulosas).- Se usa en dosificaciones de 0,5 – 1,5%
• Carboximetil Hidroxietil Celulosa (CMHEC).- Es el aditivo mas ampliamente usado como controlador de filtrado y se usa en dosificaciones de 0,3 – 1,0%

3.6. REDUCTORES DE FRICCION (DISPERSANTES)

Son productos químicos que reducen la viscosidad de las lechadas de cemento y son añadidos para mejorar las propiedades de flujo de las lechadas. Ayudan a obtener regímenes turbulentos con caudales bajos de bombeo y reducen la fricción entre granos y entre estos y las paredes.

De acuerdo a muchas investigaciones se ha demostrado que la mayor eficiencia en la limpieza del lodo del espacio anular se logra en régimen turbulento; es decir, cuando la lechada de cemento y los colchones de limpieza se desplazan a una velocidad tal que corresponda a un número de Reynolds de 3.000 – 4.000 o mayor, en función de las características reológicas n y k.

Generalmente, son sales de ácidos grasos y se dosifican del 0,2 – 2,5 % por peso de cemento. También tenemos:

• Polímeros.- En dosificaciones de 0,3 – 0,5 lb/sx de cemento.
• Sal.- En dosificaciones de 1 – 16 lb/sx
• Lignosulfonato de Calcio.- En dosificaciones de 0,5 – 1,5 lb/sx

3.7. AGENTES DE CONTROL DE REGRESION DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIO (HARINA DE SILICE)

Estos agentes evitan la regresión de la resistencia a la compresión por efectos de la temperatura. Son silicatos de alta pureza, con una textura que va de malla 100 a 325 para poder tener una distribución grande y homogénea en el cuerpo del cemento.

Normalmente se dosifican al 35% por peso de cemento y requiere el 40% de agua de su propio peso, para la malla 325, para la malla 100 no requiere agua. En pozos geotérmicos con temperatura mayores (hasta 600 ºF (315 ºC)), se emplea harina de sílice al 50% (malla 325).

3.8. ADITIVOS ESPECIALES

Estos pueden ser: Antiespumantes y Agentes expandidores del cemento fraguado. Debido a la velocidad con que se maneja el cemento en el campo cuando se esta elaborando la lechada (aprox. 1 Ton/min), el cemento tiende a entrampar una gran cantidad de aire, propiciando un erróneo control de la densidad; asimismo, algunos productos químicos ayudan a mantener el aire dentro de la mezcla y dificulta el trabajo de las bombas de alta presión con que se maneja esta para ser bombeada al pozo.

El problema se minimiza mediante el uso de los agentes antiespumantes, lo que eliminan la mayor parte de las burbujas de aire entrapadas. Generalmente son sales orgánicas ácidas de solubilidad media y se dosifican del 0,2 – 0,3% por peso de cemento.

Los expandidores son aditivos que dilatan el producto hidratado, sin que esto sea originado por efecto de la temperatura. Los expandidores empleados comúnmente son:

• Cloruro de Sodio.- Su máxima dilatación se obtiene al 18% por peso de agua y a concentraciones mayores se obtiene ligera contracción del cemento fraguado.

• Cloruro de Potacio.- Este producto, además de ser eficiente estabilizador de las arcillas, al 5% por peso de agua de mezcla exhibe la misma dilatación que el 18% de cloruro de sodio en el cemento. Otra característica es que al 2% por peso de agua hace que el filtrado de las lechadas que lo contienen sea compatible con la mayoría de los aceites.

4. CONTAMINACION DEL CEMENTO POR LODO

Así como añadimos compuestos deliberadamente a las lechadas de cemento en la superficie, para mejorar las propiedades de la misma, la lechada de cemento al entrar en contacto con el lodo de perforación puede ser contaminada, cuando se bombea hacia el fondo del pozo. Los productos químicos del lodo pueden reaccionar con el cemento para dar efectos secundarios no deseados. Algunos de estos se muestran a continuación siguientes:


Cuadro 3 – Contaminantes de la lechada que provienen del lodo

La mezcla del lodo con el cemento puede causar un agudo incremento en la viscosidad. El mayor efecto de un fluido altamente viscoso en el espacio anular es que se forman canales que no son fácilmente desplazados. Estos canales evitan una buena cementación sobre las paredes del pozo y sobre las paredes de la cañería. Para prevenir la contaminación del cemento por lodo un fluido espaciador se bombea entre el lodo y la lechada de cemento.


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2 Responses to PROPIEDADES Y ADITIVOS DE LOS CEMENTOS

  1. José Luis Capulin dice:

    Es excelente la informacion pues me ha dado una semblanza de los componentes que son utilizados en la perforacion de pozos, dado que en lo particular estoy preparandome para proveer arena silica,
    y abastecerla al mercado de E.U.para uso en pozos de gas, y me piden malla 40-70 con una capacidad de 6000 lbs. de presion. yo estoy en mexico.

    gracias por la informacion, y si ubiera mas sobre arena silica, lo agradeceria. Ing. jose luis capulin.

  2. Jhoa dice:

    Quisiera saber por que la temperatura tiene mas importancia en el tiempo de bombeabilidad que la profundidad.

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