INGENIERIA DE CEMENTACION PETROLERA

Transcripción

1 1. Definición de Cemento Se denomina cemento a un conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (árido grueso o grava, más árido fino o arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia pétrea, denominado hormigón o concreto Cemento Portland Es una mezcla compleja de caliza (u otros materiales con alto contenido de carbonato de calcio), sílice, hierro y arcilla, molidos y calcinados, que fragua y se endurece al reaccionar con el agua. Los componentes que forman el cemento son óxidos superiores de oxidación lenta. Esto significa que terminan su grado de oxidación al estar en contacto con el aire al enfriarse. El cemento Portland es, además, el ejemplo típico de un cemento hidráulico; fragua y desarrolla resistencias a la compresión como resultado de la hidratación, la cual involucra reacciones químicas entre el agua y los componentes presentes en el cemento. De todos los cementos, el Portland es el más importante en cuanto a términos de calidad, desarrollo de resistencia a la compresión, tensión y a los sulfatos; por lo cual es el material idóneo para las operaciones de cementación de pozos petroleros. Cabe mencionar que algunos cementos Portland se fabrican de manera especial debido a que las condiciones de los pozos difieren significativamente entre sí al variar su profundidad, temperatura, ubicación geográfica; etc. El fraguado y endurecimiento se presenta si el cemento se coloca en agua. El cemento fraguado tiene baja permeabilidad y es insoluble en agua, de tal forma que expuesto a ésta no se destruyen sus propiedades. Tales atributos son esenciales para que un cemento obtenga y mantenga el aislamiento entre las zonas del subsuelo. 2. Principales compuestos del cemento y sus funciones Las reacciones de carbonatos y arcillas producidas por la manufactura del cemento Portland, conduce a la formación de 4 principales productos, que incluyen cuatro distintas fases cristalinas: SILICATO TRICÁLCICO (3CaO.SiO 2 ) Habitualmente conocido como C 3 S, es el componente más abundante en la mayoría de los cementos y, además, el factor principal para producir la resistencia temprana o 1

2 inmediata (1 a 28 días) Reacciona rápido con el agua, liberando calor y formando silicato de calcio hidratado (CSH). Generalmente, los cementos de alta consistencia inmediata contienen en mayor concentración este compuesto. SILICATO DICÁLCICO (2CaO.SiO 2 ) Conocido como C 2 S, es un compuesto de hidratación lenta para formar el mismo tipo de compuestos que el C 3 S (CSH), que proporciona una ganancia gradual de resistencia; esto ocurre en un período largo: después de 28 días. ALUMMINATO TRICÁLCICO (3CaO.AL 2 O 3 ) Se lo conoce también como C 3 A y tiene influencia en el tiempo de bombeabilidad de la lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ataque químico de los sulfatos sobre los cementos. Esta susceptibilidad se clasifica en moderada y alta resistencia al ataque químico, cuando contienen este compuesto en un 8% y 3% respectivamente. Reacciona muy rápido y libera mucho calor al hidratarse. Contribuye a resistencia a muy temprana edad, pero poco a la resistencia final. Los cementos resistentes a sulfatos deben limitar el contenido de este compuesto, lo que se logra añadiendo óxido férrico transformándolo en C 4 AF. ALUMINO FERRITA TETRACÁLCICO (4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 ) También conocido como C 4 AF, reacciona rápido con el agua pero no produce mucho calor de hidratación y resistencia a la compresión; influye en la reología del cemento, formación de geles, y durabilidad. 3. Hidratación del cemento La hidratación del cemento es un proceso exotérmico y cada uno de los componentes tiene un característico calor de hidratación que contribuye al total de calor de hidratación liberado. Generalmente la cantidad de calor de hidratación depende de las cantidades relativas de cado uno de los contribuyentes del cemento. Un cemento con alta proporción de fase de aluminato y ferrita genera una gran cantidad de calor de hidratación. El calor de hidratación que se produce en un cemento normal es del orden de 85 a 100 cal/g. 2

3 Tabla Características de hidratación de los compuestos del cemento Componente Velocidad redacción de Calor liberado C 3 S Moderada Moderada Alta Contribución a la resistencia C 2 S Lenta Baja Inicialmente baja, posteriormente alta C 3 A+C 3 H 2 Rápida Muy alta Baja C 4 AF+C 3 H 2 Moderada Moderada Baja 3.1. Hidratación fase del Clinker Los compuestos presentes en el cemento son anhídridos, cuando lo ponemos en contacto con el agua, ellos se unen o descomponen formando compuestos hidratados. Se forman soluciones súper saturadas, inestables, depositándose gradualmente los exceso de solidos Los principales compuestos del cemento (C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF) presentan diferentes productos de hidratación Hidratación de las fases de silicato Los silicatos en el cemento son los más abundantes, cerca del 80%. El C 3 S es el principal constituyente con una concentración del 70% y el C 2 S no excede el 20% Reacción química para el C 3 S 2C 3 S + 6H 2 O = C 3 S 2 H 3 + 3Ca (OH) 2 C 2 S 2 H 3 ; Silicato de cálcico hidratado (Torbermorita) 3Ca (OH) 2; Hidróxido de calcio Reacción química para el C 2 S 2C 2 S + 4H 2 O = C 3 S 2 H 3 + Ca (OH) 2 Hidratación de las fases del Aluminato El C 3 A, es más reactivo en tiempo de hidratación corto. Sin embargo su abundancia considerablemente menor que los silicatos, tienen una significativa influencia sobre la reología de las lechadas de cementos y en el desarrollo de la resistencia temprana La primera etapa de hidratación del C 3 A es igual al del C 3 S, es una reacción interfacial entre la superficie del anhidro sólido y el agua, la solución rápidamente empieza a súper saturarse respecto a algunos aluminatos de calcio hidratados, precediendo a su precipitación. 3

4 El aluminato de calcio hidratado es manejable y aparece como cristales hexagonales. Ellos eventualmente se convierte en una forma cubica más estable, esta reacción ocurre dentro de varios días El calcio y los iones de sulfato sueltos reaccionan con el aluminato y los iones de hidróxido sueltos por el C 3 S para formar trisulfoaluminato hidratado conocido como Estrigita Reacción química para el 3C 3 A C 3 A + H 2 O = Fraguado relámpago 2C 3 S + 26H 2 O + 3CS = C 6 AS 3 H 32 (Estrigita) C 3 A + 10H 2 O + CS = C 4 AS H 12 (Forma meta estable) C 3 A + 6H 2 O = C 3 AH 6 (Aluminato tricálcico) La Estrigita aparece como cristales en forma de agujas que se precipitan en la superficie del C 3 A. De manera diferente al silicato de calcio hidratado, el aluminato de calcio hidratado no es amorfo, y no forma una capa protectora en la superficie del C 3 A Tiempo de hidratación de las fases puras 4

5 3.2. Hidratación del cemento, sistema multicomponentes La hidratación del cemento es una secuencia de reacciones químicas entre los componentes del Clinker, sulfato de calcio y el agua. Aunque la hidratación del C 3 S es a menudo usada como un modelo de la hidratación del cemento Desde el punto de vista químico la hidratación del cemento es un complejo proceso de disolución / precipitación. Las varias reacciones de hidratación se dan simultáneamente a diferentes velocidades. Cada una de las fases es influenciada por presencia de otras. Por ejemplo la hidratación del C 3 A es modificada por presencia del C 3 S hidratado por que la producción del hidróxido de calcio refuerza la acción retardante del yeso El sulfato de calcio CaSO 4, y los óxidos de magnesio Mg O, sodio Na 2 O, potasio K 2 O y otros óxidos e impurezas pueden estar presentes en cantidades variables dependiendo de los materiales crudos los cuales alteran su reactividad Secuencia de la reacción Etapa Reacción química Cinética Propiedades de la lechada Pre inducción Humedecimiento de la superficie: disolución de los iones, Determina la capacidad del Rápida producción de productos tempranos de la hidratación mezclado Periodo de inducción Continua la disolución de los iones Muy lenta Determina el tiempo de fraguado Aceleración Disolución de los iones: formación de productos de hidratación Rápida Desaceleración Continua formación de productos de hidratación Lenta Periodo de difusión H Cemento = Gel = Solidos (Compuestos hidratados no solubles) Continua formación de productos de hidratación Muy lenta Determina las propiedades de fraguado y la resistencia a la compresión inicial Determina el desarrollo de la resistencia a la compresión inicial Determina el tiempo de desarrollo de la resistencia a largo plazo Hidratación del cemento 5

6 4. Efectos de la Hidratación 4.1. Cambio del volumen durante el fraguado Cuando el cemento reacciona con el agua, esta mezcla experimenta una disminución en el volumen neto. Esta es una disminución absoluta del volumen y ocurre porque la densidad absoluta de los materiales hidratados es mucho mayor que la de los reactantes. En el ambiente del anular de la tubería de cementación, la disminución del volumen absoluto puede afectar en la transmisión de la presión hidrostática hacia la formación y puede afectar también la capacidad del cemento de prevenir migración de fluidos 4.2. Efecto de la temperatura La temperatura es uno de los principales factores que afectan la hidratación del cemento. La velocidad de hidratación del cemento, su naturaleza y morfología de los productos de la hidratación dependen considerablemente de este parámetro 4.3. Fraguado relámpago y fraguado falso Cuando el Clinker del cemento solo (sin yeso) es mezclado con agua, el C 3 S reacciona rápidamente, la temperatura aumenta y un endurecimiento irreversible ocurre seguido rápidamente de un pseudo fraguado. Este fenómeno es llamado un fraguado relámpago. La hidratación incontrolada del C 3 S puede ser prevenida 6

7 con la adición de yeso al sistema. Esto es el por qué el yeso es mezclado con el Clinker durante la fabricación del cemento. A temperaturas ambiente, la solubilidad del sulfato de calcio semi hidratado son aproximadamente dos veces la del yeso; por lo cual en la hidratación, la fase acuosa de la lechada se súper satura rápidamente con yeso. Para aliviar esta condición un supuesto yeso secundario es precipitado. Un marcado endurecimiento de la lechada, conocida como fraguado falso, es observado El fraguado falso es reversible solamente con una agitación vigorosa, sin embargo dicha agitación no puede ser realizada durante la mayoría de las operaciones de cementaciones, particularmente si la lechada de cemento es mezclada continuamente. La adición de un dispersante puede ser utilizada para reducir el impacto reologico del fraguado falso 4.4. Efecto de envejecimiento El desempeño del cemento puede ser afectado significativamente por la exposición al ambiente y/o altas temperaturas durante su almacenamiento en sacos o silos. Las principales afecciones sobre el cemento del pozo incluyen lo siguiente: Incremento del tiempo de fraguado Disminución de la resistencia a la compresión Disminución de calor de hidratación Incremento de viscosidad de la lechada Los efectos se deben principalmente a la carbonatación de las fases de silicato de calcio hidratado, e hidratación parcial del CaO libre. El tiempo el cual estos procesos ocurren está directamente relacionado a la humedad relativa del ambiente de almacenamiento 4.5. Resistencia a los sulfatos La presencia del aluminato tricalcico (Ca 3 Al 2 O 6 ) en el cemento por encima del 8% hace que este no sea resistente a los sulfatos, incluyendo el sulfato de sodio (Na 2 SO 4 ) y magnesio (MgSO 4 ) provenientes de salmueras naturales, que tienen un efecto negativo cuando entran en contacto con la lechada de cemento. Estos sulfatos reaccionan con el hidróxido de calcio precipitado (Ca (OH) 2 ) para formar 7

8 hidróxido de sodio (Na OH) y de magnesio (Mg(OH) 2 ), así como sulfato de calcio (CaSO 4 ) Ca (OH) 2 + MgSO 4 + 2H 2 O = CaSO 4. 2H 2 O + Mg(OH) 2 Ca (OH) 2 + Na 2 SO 4 + 2H 2 O = CaSO 4. 2H 2 O + NaOH El sulfato de calcio reacciona con aluminato tricalcio para formar Estringita (trisulfuro de aluminato de calcio), la cual causa una expansión del material. La expansión ilimitada del cemento causa fractura del material e incluso daños al revestidor. La resistencia al ataque a los sulfatos puede incrementarse disminuyendo la cantidad de aluminato tricalcio presente en el cemento 4.6. Retrogresión y uso de la harina de sílice A temperatura por encima de los 110 C 0 (230 F 0 ) el cemento pierde sus propiedades físicas, la resistencia a la compresión, por lo que no se alcanzan los valores esperados para este material. Esto es lo que se conoce como el fenómeno de retrogresión. Este fenómeno puede atribuirse a la metamorfosis que sufre la fase de silicato de calcio hidratado, la cual presenta una estructura amorfa convirtiéndose en una nueva fase llamada alfa silicato di cálcico hidratado. El material presente en esta última fase es altamente cristalino y más denso que el de la fase de silicato de calcio hidratado, pero debido a que es mucho más compacto aumenta su porosidad. Esto trae como consecuencia la disminución de la resistencia a la compresión e incremento a la permeabilidad El problema de la retrogresión puede ser prevenido por la reducción de la relación CaO / SiO 2, la cual se logra reemplazando parcialmente al cemento por cuarzo molido (material puzolanico). El cemento fraguado resultante tiene mayor resistencia a la compresión, menor permeabilidad y menos cantidad de Ca(OH) 2 libre, por lo que es más resistente a los sulfatos y otros fluidos corrosivos. La harina de sílice es usualmente empleada en cementación de pozos en donde las temperaturas son mayores a 110 C 0 (230 F 0 ). 8

9 5. Clasificación de los Cementos según API y ASTM El American Petroleun Institute (API) ha identificado nueve tipos de cementos de acuerdo a su composición y propiedades físicas, y los refiere como clase ; en tanto el ASTM norma los cementos por tipos 5.1. Cemento clase A Está diseñado para emplearse a m. (6.000 pies) de profundidad como máximo, con temperaturas de 77 ºC (170 ºF) y donde no se requieran propiedades especiales; no brinda ninguna resistencia a los sulfatos. Esta clase de cemento es el más barato. El ASTM denomina a este cemento como Tipo I. Este cemento es un producto obtenido de la molienda conjunta de Clinker y yeso. Por ser fabricado con Clinker Tipo II, tiene moderada resistencia al ataque por sulfatos (MSR). Y alta adherencia en las lechadas, lo que se traduce en un mejor soporte de la tubería. El bajo contenido de C 3 A permite que las lechadas sean poco susceptibles al ataque por sulfatos provenientes de los estratos o fluidos circulantes en el pozo. Por su moderado calor de hidratación, reduce en gran medida la posibilidad de fisuras, evitando el movimiento de fluidos hacia la tubería y protegiéndola contra la corrosión. Posee un bajo contenido de cloruros Cemento clase B Está diseñado para emplearse a m. (6.000 pies) de profundidad como máximo, con temperaturas de 77 ºC (170 ºF). Este cemento no requiere propiedades especiales, y su aplicación se da cuando las condiciones del pozo lo permitan y donde se requiere moderada a alta resistencia a los sulfatos. Este cemento presenta un contenido C3A menor que el cemento clase A y tiene un costo ligeramente superior. El ASTM denomina a este cemento como Tipo II. Los cementos con bajo contenido de C3A son menos susceptibles al ataque de sulfatos. Los sulfatos son considerados como los productos químicos más corrosivos con respecto al cemento fraguado en el fondo del pozo. Ellos reaccionan con los cristales de calizas y de aluminato tricálcico. Estos cristales requieren un mayor volumen que el provisto por el espacio poroso en el cemento fraguado, y dan por resultado una excesiva expansión y deterioro del cemento. Podemos encontrar estos sulfatos en las salmueras de las formaciones y algunos de ellos son, el sulfato de sodio y el sulfato de magnesio 9

10 5.3. Cemento clase C Está diseñado para emplearse a m. (6.000 pies) de profundidad como máximo, con temperaturas de 77 ºC (170 ºF), donde se requiere alta resistencia a la compresión temprana, se fabrican en los tres grados de resistencia a los sulfatos (baja, moderada y alta). Este cemento presenta un alto contenido C3S. El ASTM denomina a este cemento como Tipo III. Este cemento requiere más agua de mezcla y por lo tanto se crea una lechada de baja densidad Se asienta rápidamente pero no desarrolla mucha resistencia a la compresión. Tiene un alto contenido de C3A Cemento clase D Este cemento se emplea de (6.000 pies) hasta m. ( pies) de profundidad con temperaturas de hasta 110 ºC (230 ºF) y presión moderada. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. Estos cementos resultan más costosos que otras clases de cementos. Este cemento representa al tipo IV para el ASTM 5.5. Cemento clase E Este cemento se emplea de ( pies) hasta 4270 m. ( pies) de profundidad con temperaturas de 143 ºC (290 ºF) y alta presión. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. Estos cementos resultan más costosos que otras clases de cementos. Equivale al ASTM tipo V 5.6. Cemento clase F Este cemento se usa de ( pies) hasta 4880 m. ( pies) de profundidad con temperaturas de 160 ºC (320 ºF), donde exista alta presión. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. Estos cementos resultan más costosos que otras clases de cementos. Equivale al ASTM tipo VI Los cementos clase D, E y F (Cementos retardados), son utilizados para alcanzar mayores profundidades. Presentan una significativa reducción de las cantidades de C 3 A y de C 3 S y un aumento de tamaño de sus partículas lo que provoca un efecto retardante en el fraguado. 10

11 5.7. Cemento clase G y H Comúnmente conocidos como cementos petroleros, son cementos básicos para emplearse desde la superficie hasta 2240 m. (8.000 pies), tal como se fabrican. Pueden modificarse con aceleradores o retardadores de fragüe, para usarlos en un amplio rango de condiciones de presión y temperatura. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. En cuanto a su composición, son similares a los cementos API Clase B. La composición química de los cementos clase G y H son esencialmente iguales. La principal diferencia radica en su área superficial, los cementos clase H son más gruesos que los cementos clase H, que se evidencia a través de sus diferentes requerimientos de agua. Equivalen a los ASTM tipo VII y VIII respectivamente Los cementos clase G y H son los más usados hoy en día. Fueron desarrollados en respuesta a las mejoras de la tecnología de aceleramiento y retardamiento 5.8. Cementos especiales Cementos ultra finos Las partículas de estos cementos son mucho más pequeñas que las del cemento Portland. El tamaño promedio de sus partículas es de 2μm en comparación con los cementos convencionales cuyas partículas poseen un tamaño comprendido entre 50 y 100 μm. La principal aplicación de estos cementos es como un cemento de peso liviano (densidad baja) con un desarrollo de resistencia temprano. También son usados para reparar fracturas en el cemento, reparar fisuras en el revestimiento, cerrar flujos de agua u otros problemas similares, debido a que son capaces de penetrar aberturas pequeñas gracias al mínimo tamaño de sus partículas. Cementos Epoxi Son materiales comúnmente usados cuando el cemento está expuesto a fluidos corrosivos. Estos cementos no son solubles en ácido pero son muy costosos. Generalmente son usados en pozos inyectores donde se utilizan fluidos con bajo ph. Son productos puros y muy consistentes. Escoria La composición de este material es principalmente silicato mono cálcico, silicato di cálcico y aluminosilicatos di cálcico. Este compuesto es altamente tolerante a la contaminación con fluidos de perforación. Una de sus principales aplicaciones es la de 11

12 convertir el lodo en cemento. Esta tecnología ha sido aplicada en pozos sometidos a inyección de vapor con muy buenos resultados. Puzolanas Son materiales silicios y aluminosos que poseen poco o ningún valor cementoso pero que al reaccionar con el hidróxido de calcio a temperaturas moderadas, forman compuestos con propiedades de cemento. El más común de estos compuestos es el FLY ASH o ceniza volcánica, el cual se obtiene como residuo de las plantas eléctricas de carbón. Las puzolanas naturales provienen generalmente de las actividades volcánicas. Cuando estos compuestos son utilizados en combinación con el cemento Portland, el Hidróxido de Calcio liberado por la hidratación del cemento, reacciona con los aluminosilicatos presentes en la Puzolana para formar compuestos cementosos con propiedades cohesivas y adhesivas. El FLY ASH es el que más comúnmente es combinado con el cemento Portland debido a su bajo costo, no lo diluye e incrementa la resistencia a la compresión del mismo. Sin embargo, debido a su inconsistencia, solo es usado a temperaturas por debajo de los 200 F. Cementos diesel (cemento base diesel) Este tipo de cemento resulta de mezclar un cemento API clase A, B, G o H, con diesel o kerosene y surfactante. Los cementos Diesel tienen un tiempo de bombeabilidad ilimitado y no fraguan a menos que se ubiquen en zonas con presencia de agua. Consecuentemente son muy usados para sellar zonas productoras de agua, donde la lechada absorbe el agua y el cemento fragua hasta endurecerse totalmente. También son usados para controlar perdidas de circulación. El surfactante tiene la función de reducir la cantidad de hidrocarburos necesarios para humectar las partículas de cemento. Este tipo de cemento es muy utilizado para efectuar cementaciones en pozos de producción que tienen un alto corte de agua. Cementos resinoso o plásticos Son materiales especialmente usados para colocar tapones selectivos en pozo abierto, cementaciones a presión y para cementar zonas que se van a abandonar en un pozo. Por lo general son mezclas de resinas líquidas, un catalizador en polvo y un cemento API clase A, B, G o H. 12

13 La propiedad más particular de estos cementos es cuando se aplica presión a la lechada, la fase resinosa puede ser estrujada frente a la zona permeable y formar un sello dentro de la formación. Estos cementos se usan en pozos donde se requieren volúmenes relativamente bajos de lechada, son efectivos a temperaturas que van desde 15,5 ºC (60 ºF) hasta 93 ºC (200 ºF). 6. Requerimiento de agua de los cementos Petroleros El requerimiento de agua usada para hacer lechada de cemento es conocido como agua de mezcla. La cantidad de agua de mezcla usada para hacer lechada de cemento puede observarse en la tabla 6.1. Estas cantidades están basadas en: La necesidad de tener una lechada que sea fácilmente bombeada. La necesidad de hidratar todo el cemento de manera de producir un cemento de alta calidad y dureza. La necesidad de asegurar que toda el agua libre sea usada para hidratar el cemento y que exista presencia de agua libre en el cemento endurado. Tabla Requerimiento de agua de mezcla API Clase de Densidad de Temperatura Agua de Mezcla Profundidad recomendada cemento la lechada estática API ASTM Gal/sx % H 2 O /peso sx (Lb/gal) Pies metros ºF ºC A Tipo I B Tipo II C Tipo III D Tipo IV E Tipo V F Tipo VI G Tipo VII H Tipo VIII La cantidad de agua de mezcla usada para hacer lechada de cemento es cuidadosamente controlada. Si usamos demasiada agua de mezcla, el cemento no formara una barrera impermeable y fuerte. Pero si no se usa suficiente agua de mezcla podemos ocasionar: La densidad y la viscosidad de la lechada descenderán. El tiempo de bombeabilidad se reducirá. Se obtendrán bajos volúmenes de lechada por cada saco de cemento Las cantidades de agua de mezcla obtenidas en la tabla 6.1. Son valores promedios para diferentes clases de cementos. A veces la cantidad de agua de mezcla usada se cambia para 13

14 reunir las condiciones de temperatura y presión específicas que serán experimentadas durante el trabajo de cementación. 7. Composición química de los cementos API Cemento Componente SC 3 SC 2 AC 3 AFC 4 Molienda A B C D E G H Los cementos API más utilizado en la industria Petrolera son los Clase G y H. Un análisis químico vía seca de estos cementos nos da la siguiente composición química: Compuesto Formula Abreviatura % p/p Óxido de silicio SiO 2 S Óxido de calcio CaO C Óxido de hierro Fe 2 O 3 F 4.10 Óxido de aluminio Al 2 O 3 A 5.8 Magnesia MgO 1.9 Trióxido de azufre SO Óxido de potasio KO Cenizas 0.54 El control de calidad de los cementos API es muy importante, para esto debemos de solicitar un análisis vía seca. El API nos da las siguientes ecuaciones que deben usar para conocer a partir del análisis la calidad de los cuatro componentes principales del cemento. Cuando el contenido de Aluminato Tricalcico (expresado como C 3 A) del cemento es 8 % o menor, el contenido máximo de SO 3 debe ser 3 %. Cuando la relación de los porcentajes de Al 2 O 3 a Fe 2 O 3 es 0,64 o menor, el contenido de C 3 A debe ser cero. Cuando la relación de los porcentajes de Al 2 O 3 a Fe 2 O 3 es mayor a 0,64, los componentes deben calcularse con las siguientes fórmulas: C 3 A = (2,65 x % Al 2 O 3 ) (1,69 x % Fe 2 O 3 ) C 4 AF = 3,04 x % Fe 2 O 3 C 3 S = (4,07 x % CaO) -(7,60 x % SiO 2 ) (6,72 x % Al 2 O 3 ) (1,43 x % Fe 2 O 3 )-(2,85 x %SO 3 ) 14

15 C 2 S = (2,87 x % SiO2) -(0,755 x C3S) Cuando la relación de los porcentajes de Al 2 O 3 a Fe 2 O 3 es menor de 0,64, el C 3 S debe calcularse con la siguiente fórmula: C 3 S = (4,07 x % CaO) -(7,60 x % Si O 2 ) (4,48 x % Al 2 O 3 ) (2,86 x % Fe 2 O 3 )-(2,85 x %SO 3 ) C 2 S = (2,87 x % SiO 2 )-(0,755 x C 3 S) Analizando la composición química de los cementos API, podemos concluir lo siguiente: Las lechadas en contacto con lodos que tienen Bentonita van a producir la floculación de la Bentonita, el incremento del ph a valores > 2, lo que resulta negativo para los polímeros que tiene el lodo Si se perfora el cemento con lodos base aceite, la presencia de alta concentraciones de cal viva (CaO), favorece al rendimiento de los emulsionantes. Cuando se requiere tener un cemento con alta e inmediata resistencia, hay que aumentar la cantidad de SC 3 y el cemento debe de tener mayor área superficial (molienda) A mayor SC 2, mas retardado es el frague, a mayor SC 3 y AC 3, más rápido es el frague inicial Si se requiere retardar el frague se debe de controlar el contenido de SC 3 y AC 3 y la molienda debe de ser más gruesa Las aguas subterráneas que se encuentran durante la perforación contienen sales disueltas, las lechadas y los cementos fraguados son muy sensibles a pequeños % de estas sales Las soluciones de Cl 2 Ca y Cl 2 Mg, aceleran el frague mucho más que el Cl Na Soluciones con iones de sulfatos en ciertas ocasiones retardan el frague, aunque a veces lo aceleran El carbonato de sodio puede actuar como acelerador de igual manera que cualquier aditivo en solución que genere hidróxidos Las soluciones de los alcalinos y alcalinos térreos, además de afectar el tiempo de frague pueden causar desintegración del cemento fraguado, por largos tiempos de contacto Las soluciones de Sulfato de sodio (SO 4 Na 2 ) y sulfato de magnesio (SO 4 Mg) causan falta de solidez o fuerza en el cemento, es decir cuando el cemento fraguado y endurecido 15

16 se lo pone en contacto con estas soluciones reaccionan con el SC 3, produciendo un hinchamiento y formando nuevos compuestos, que dan como resultado una cristalización con expansión originando el problema. Se tiene igual comportamiento si el contenido de CaO es alto Las concentraciones que tienen < 3% de AC 3, son inmunes al ataque de las aguas sulfatadas Cuando las lechadas son contaminadas con lodos de perforación, se ven afectadas las propiedades del cemento fraguado, esto es por el alto contenido de iones que tiene el filtrado del lodo (sulfatos, carbonatos, cloruros, hidróxidos, calcio, sodio, hierro, etc.) Especificaciones químicas y físicas del cemento H 16

17 REQUERIMIENTO QUIMICO PARA CEMENTOS API TIPO ORDINARIO (O) A B C D E F G H Oxido de magnesio (Mg O) Máximo % 6 6 Trióxido de azufre (SO 3 ) Máximo % Perdida de Ignición Máximo % 3 3 Residuos insolubles Máximo % Aluminato tricalcico (C 3 A) Máximo % TIPO MODERADA RESISTENCIA A SULFATOS (MSR) Oxido de magnesio (Mg O) Máximo % Trióxido de azufre (SO 3 ) Máximo % Perdida de Ignición Máximo % Residuos insolubles Máximo % Silicato tricalcico (3CaO* Máximo % SiO 2 ) Mínimo % Aluminato tricalcico C 3 A Alcalisis total expresado Na 2 O Equivalente, Máximo % TIPO ALTA RESISTENCIA A LOS SULFATOS (HSR) Oxido de magnesio (Mg O) Máximo % Trióxido de azufre (SO 3 ) Máximo % Perdida de Ignición Máximo % Residuos insolubles Máximo % Silicato tricalcico (3CaO* Máximo % SiO 2 ) Mínimo % Alcalisis total expresado Na 2 O Equivalente, Máximo % Aluminoferrita tetra cálcico más dos veces C 3 A Ejemplo Para lograr bajar el costo de una cementación, se mezclan 2 clases de cementos A y G. Se ha identificado que se necesitan aproximadamente 6 % de contenido de AC 3, en la composición final del cemento; esto para proteger la lechada de los SO 4-2 (Sulfatos). Calcular la cantidad de cemento clase A y G que se necesitan Solución El contenido de AC 3 para cada cemento lo tenemos tabulado: Cemento Componente SC 3 SC 2 AC 3 AFC 4 Molienda A B C D E G H

18 Cto A AC 3 = 8 % MEZCLADOR Cto mezclado AC 3 = 6 % Cto G AC 3 = 5 Asumimos una mezcla de 100 kilogramos Balance general A + G = M A + G = Balance parcial 0.08 A G = 0.06 M..2 Resolviendo el sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas, se tiene que: A = % B = % 18

19 BIBLIOGRAFIA 1. George O. Suman, JR. and Richard C. Ellis: World Oil Cementing Hand Book, J.J. Jutten, P.A. Parcevaux and D.D. Guillot, Schlumberger: Relationship between Cement Composition, Mechanical Properties and Cement Bond Log Output. SPE 16652, Dallas, TX, September 27, P.A Parcevaux and P.H. Sault, Schlumberger: Cement Shrinkage and Elasticity: Anew Approach for a good Zonal Isolation. SPE 13176, Dallas, TX, Dan Mueller, BJ Services: An Evaluation of well cements for use in High Stress Environments.JPT, K.J. Goodwin, Mobil E&P Services Inc. and R.J. Crook, Halliburton Services: Cement Sheath Stress Failure SPE 20453, Diciembre R. Abdul Rahman, Phil Rae, BJ Services: A Simpler, More Effective Method for Cementing Surface Casings in Shallow Gas Zones: A Case History SPE 54286, Jakarta, Indonesia, Abril Erik B. Nelson, David R. Bell, Schlumberger : Well cementing. San Etienne, France. 8. Gino Di Lulo, Phil Rae, BJ Services Company, SPE 62745: Cements for Long-Term - Design Optimization by Computer Modelling and Prediction, Sept