CLASES DE CEMENTO

CLASES DE CEMENTO

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.

1.1Cemento 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 químicasentre 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 mencionarque 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.SiO2)

Habitualmente conocido como C3S, es el componente más abundante en la mayoría de los cementos y, además, el factor principal para producir la resistencia temprana o 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.SiO2)

Conocido como C2S, es un compuesto de hidratación lenta para formarel mismo tipo de compuestos que el C3S (CSH), que proporciona una ganancia gradual de resistencia; esto ocurre en un período largo: después de 28 días.

• ALUMMINATO TRICÁLCICO (3CaO.AL2O3)

Se lo conoce también como C3A 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 C4AF.

• ALUMINO FERRITA TETRACÁLCICO (4CaO.Al2O3.Fe2O3)

También conocido como C4AF, 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. 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

3.1.Cemento clase “A”

Está diseñado para emplearse a 1.830 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 Clinkery yeso. Por ser fabricado con Clinker Tipo II, tiene moderada resistencia al ataque por sulfatos (MSR). Y alta adherencia en laslechadas, lo que se traduce en un mejor soporte de la tubería. El bajo contenido de C3A permite que las lechadas sean poco susceptibles al ataque por sulfatos provenientes de los estratos ofluidos 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 protegiéndolacontra la corrosión. Posee un bajo contenido de cloruros.

3.2. Cemento clase “B”

Está diseñado para emplearse a 1.830 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

3.3. Cemento clase “C”

Está diseñado para emplearse a 1.830 m. (6.000 pies) de profundidad como máximo, con temperaturas de 77 ºC (170 ºF), dondese requiere alta resistencia a la compresión temprana, se fabricanen los tres grados de resistencia a los sulfatos (baja, moderada yalta). Este cemento presenta un alto contenido C3S. El ASTM denomina a este cemento como “Tipo III”. Este cemento requiere másagua de mezcla y por lo tanto se crea una lechada de baja densidadSe asienta rápidamente pero no desarrolla mucha resistencia a la compresión. Tiene un alto contenido de C3A.

3.4. Cemento clase “D”

Este cemento se emplea de 1.830 (6.000 pies) hasta 3.050 m. (10.000 pies) de profundidad con temperaturas de hasta 110 ºC (230ºF) 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

3.5. Cemento clase “E”

Este cemento se emplea de 3.050 (10.000 pies) hasta 4270 m. (14.000 pies) de profundidad con temperaturas de 143 ºC (290 ºF) yalta presión. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. Estos cementos resultan más costosos que otras clases decementos. Equivale al ASTM tipo V

3.6. Cemento clase “F”

Este cemento se usa de 3.050 (10.000 pies) hasta 4880 m. (16.000 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 C3A y de C3S y un aumento de tamaño de sus partículaslo que provoca un efecto retardante en el fraguado.

3.7. 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 oretardadores 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 ClaseB. 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 cementosclase 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 endía. Fueron desarrollados en respuesta a las mejoras de la tecnología de aceleramiento y retardamiento

3.8. Cemento clase “J”

Se quedó en fase de experimentación y fue diseñado para usarse a Temperatura Estática de 351°F (177°C) de 3660 a 4880 metros de profundidad, sin necesidad del empleo de Harina Sílica, que evite

le regresión de la resistencia a la compresión.

3.8. 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 afluidos 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 deperforación. Una de sus principales aplicaciones es la de 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 cenizavolcánica, 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 elcemento Portland debido a su bajo costo, no lo diluye e incrementala resistencia a la compresión del mismo. Sin embargo, debido a suinconsistencia, 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.La propiedad más particular de estoscementos 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).

4. Composición química de los cementos API

CementoComponente

MoliendaSC3 SC2 AC3 AFC4

A 53 24 8 8 1500 - 1900

B 47 32 5 12 1500 – 1900

C 58 16 8 8 2000 – 2800

D 26 54 2 12 1200 – 1600

E 26 54 2 12 1200 – 1600

G 50 30 5 12 1400 – 1700

H 50 30 5 12 1400 – 1700

Los cementos API más utilizado en la industria Petrolera son los Clase G y H. Un análisis químico vía seca de estos cementos nos dala siguiente composición química:

Compuesto Formula Abreviatura % p/pOxido de silicio

SiO2 S 22.43

Oxido de calcio

CaO C 64.70

Oxido de hierro

Fe2O3 F 4.10

Oxido de aluminio

Al2O3 A 5.8

Magnesia MgO 1.9Trioxido de azufre

SO3 1.67

Oxido de potasio

KO2 0.08

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 C3A) del cemento es 8 % o menor, el contenido máximo de SO3 debe ser 3 %. Cuando la relación de los porcentajes de Al2O3 a Fe2O3

es 0,64 o menor, el contenido de C3A debe ser cero. Cuando la relación de los porcentajes de Al2O3 a Fe2O3 es mayor a 0,64, los componentes deben calcularse con las siguientes fórmulas:

C3A = (2,65 x % Al2O3) – (1,69 x % Fe2O3)

C4 AF = 3,04 x % Fe2 O3

C3S = (4,07 x % CaO) - (7,60 x % SiO2) – (6,72 x % Al2O3) – (1,43 x % Fe2O3) - (2,85 x %SO3)

C2S = (2,87 x % SiO2) - (0,755 x C3S)

Cuando la relación de los porcentajes de Al2O3 a Fe2O3 es menor de 0,64, el C3S debe calcularse con la siguiente fórmula:

C3S = (4,07 x % CaO) - (7,60 x % Si O2) – (4,48 x % Al2 O3) – (2,86 x % Fe2 O3) - (2,85 x %SO3)

C2S = (2,87 x % SiO2) - (0,755 x C3S)

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 delos emulsionantes.

• Cuando se requiere tener un cemento con alta e inmediata resistencia, hay que aumentar la cantidad de SC3 y el cemento debe de tener mayor área superficial (molienda)

• A mayor SC2, mas retardado es el frague, a mayor SC3 y AC3, más rápido es el frague inicial

• Si se requiere retardar el frague se debe de controlar el contenido de SC3 y AC3 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 Cl2Ca y Cl2Mg, aceleran el frague mucho más queel 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 (SO4Na2) y sulfato de magnesio(SO4Mg) causan falta de solidez o fuerza en el cemento, es decir cuando el cemento fraguado y endurecido se lo pone en contacto conestas soluciones reaccionan con el SC3, produciendo un hinchamientoy 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 AC3, son inmunes al ataquede 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.)

Bibliografia: Actiweb – Cementos petroleros y sus propiedades

UNIVERSIDAD AUTONOMA“GABRIEL RENE MORENO”

CARRERA: INGENIERIA PETROLERA

PRACTICO # 3TIEMPO DE BOMBEABILIDAD

PARA CADA CLASES DE CEMENTO

DOCENTE: ING. FREDDY GOMEZ

MATERIA: PERFORACION IV

ALUMNOS:

MORATO SUAREZ DANIELA 210000279

SANDOVAL AGUILERA VANESSA 210007281

GRUPO: P1

SEM: II/2014

SANTA CRUZ - BOLIVIA