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MATERIALES DE CEMENTACION
RESUMEN
El presente trabajo est diseado para presentar la correcta definicin de cemento,
as como otros aspectos de la cementacin como ser clases de cementacin,
obtencin del cemento, composicin qumica y propiedades fsico qumicas del
cemento, asi como los aditivos usados en su preparacin. Tambin se presentaran
un par de ejercicios que ayudaran a la comprensin de algunas ecuaciones
generales que se utilizan en clculos de cementacin.
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MATERIALES DE CEMENTACIN
1. INTRODUCCION
Durante la construccin de un pozo de petrleo el proceso de cementacin
es de vital importancia para el mismo, dado que una deficiente operacin de
cementacin traera drsticas consecuencias, tales como incremento de los
costos, riesgo de prdida del pozo, riesgos hacia el ambiente y a la seguridad.
Por tal motivo al momento de disear y cementar un pozo se deben tomar en
cuenta ciertas tcnicas, as como las mejores prcticas operacionales
dirigidas al proceso de cementacin.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Obtener una visin general acerca de lo que es el cemento propiamente
dicho, determinando una variedad de conceptos necesarios para
comprender la definicin y el uso del mismo.
2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Presentar la definicin de cemento.
Indicar los diferentes tipos de cementaciones.
Averiguar el proceso de obtencin del cemento.
Demostrar el uso de frmulas bsicas que se usan en clculos de
cementacin, mediante ejemplos prcticos.
3. MARCO TEORICO
3.1. DEFINICION DE CEMENTO
El cemento es una mezcla compleja de caliza (u otros materiales con alto
contenido de carbonato de calcio), slice, fierro y arcilla, molidos y calcinados,
que al entrar en contacto con el agua forma un cuerpo solido. Esta mezcla
de ingredientes se muele, se calcina en hornos horizontales con corriente de
aire y se convierte en Clinker, el cual contiene todos los componentes del
cemento, excepto el sulfato de calcio, que se le agrega como ingrediente
final.
3.2. CLASIFICACIN DE LAS CEMENTACIONES
Las cementaciones se clasifican, de acuerdo con los objetivos que se
persiguen, en: cementacin primaria y cementacin forzada.
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3.2.1. CEMENTACION PRIMARIA
Proceso que consiste en colocar cemento en el espacio anular, entre la
tubera de revestimiento y la formacin expuesta del agujero, asegurando
un sello completo y permanente (ver figura 1).
Los objetivos de las cementaciones primarias son los siguientes:
Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo que contienen gas,
petrleo y agua.
Soportar el peso de la propia tubera de revestimiento.
Reducir el proceso corrosivo de la tubera de revestimiento con los
fluidos del pozo y con los fluidos inyectados de estimulacin.
Evitar derrumbes de la pared de formaciones no consolidadas.
El reto principal es obtener sellos hidrulicos efectivos en las zonas que
manejan fluidos a presin. Para lograrlo, es indispensable mejorar el
desplazamiento del lodo de perforacin del tramo de espacio anular que
se va a cementar consiguiendo as una buena adherencia sobre las caras
de la formacin y de la tubera de revestimiento, sin canalizaciones en la
capa de cemento y con un llenado completo.
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3.2.2. CEMENTACION FORZADA
Es el proceso que consiste en inyectar cemento a presin a travs de
disparos o ranuras en la tubera de revestimiento al espacio anular. Esta
es una medida correctiva a una cementacin primaria defectuosa.
Las cementaciones forzadas tienen como objetivos los siguientes:
Mejorar el sello hidrulico entre dos zonas que manejan fluidos.
Corregir la cementacin primaria en la boca de una tubera corta, o en
la zapata de una tubera cementada, que manifieste ausencia de
cemento en la prueba de goteo. Esta prueba consiste en la aplicacin
al agujero descubierto, inmediatamente despus de perforar la zapata,
de una presin hidrulica equivalente a la carga hidrosttica, que
ejercer el fluido de control con el que se perforar la siguiente etapa.
Esto se realiza durante 15 a 30 minutos, sin abatimiento de la presin
aplicada.
Eliminar la intrusin de agua al intervalo productor.
Reducir la relacin gas aceite.
Sellar un intervalo explotado.
Sellar parcialmente un intervalo que se seleccion incorrectamente.
Corregir una canalizacin en la cementacin primaria.
Corregir una anomala en la tubera de revestimiento.
3.3. OBTENCION DEL CEMENTO
Los materiales crudos se muelen y mezclan vigorosamente, as se obtiene
una mezcla homognea en las proporciones requeridas, para lograrlo existen
dos procesos: seco y hmedo (Figura, proceso de fabricacin del cemento
Portland).
3.3.1. PROCESO SECO
Se preparan las materias primas y se pasan a un molino para
homogenizar el tamao de las partculas y su cantidad. Se pasan por un
separador de aire y se les lleva a los silos mezcladores para su
almacenamiento antes de pasarse al horno rotatorio.
3.3.2. PROCESO HUMEDO
A diferencia del anterior, este proceso efecta una mezcla de las materias
primas con agua para mantener en forma ms homognea la mezcla.
Tambin se les pasa por un molino para uniformar el tamao de las
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partculas y posteriormente, se pasa a unos contenedores que mantienen
en movimiento la mezcla antes de pasarla al horno rotatorio.
Esta mezcla de materia cruda seca o hmeda segn el proceso de
fabricacin, se alimenta en la parte ms elevada del horno rotatorio
inclinado, a un gasto uniforme, y viaja lentamente por gravedad a la parte
inferior del mismo.
El horno se calienta con gas a temperaturas de 1430 a 1540 C.
Estas temperaturas originan reacciones qumicas entre los ingredientes
de la mezcla cruda resultando un material llamado Clinker.
El Clinker se deja enfriar a temperatura ambiente con corriente de aire,
en un rea inmediata al horno, construida bajo diseo para controlar la
velocidad de enfriamiento. Una vez frio, se almacena y se muele
posteriormente en molinos de bolas, para darle el tamao deseado a las
partculas.
El Clinker se alimenta al molino de cemento conjuntamente con una
dosificacin de sulfato de calcio dihidratado, con lo que se obtiene el
producto terminado de cemento Portland, Figura 2
3.4. PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL CEMENTO
Los Cementos de clasificacin API (American Petroleum Institute) tienen
propiedades fsicas especficas para cada clase de cemento, mismas que
bsicamente definen sus caractersticas.
Las principales propiedades fsicas de los cementos son:
Ge = Gravedad Especifica
Denota el peso por unidad de volumen, sin tomar en consideracin otros
materiales, tales como el aire o el agua; es decir, el peso de los granos
de cemento especficamente; sus unidades son g/cc, kg/ft y ton/m3.
Peso volumtrico
Denota el volumen por unidad de masa. Se toma en consideracin el aire
contenido entre los granos de cemento; sus unidades son cc/g , ft/kg y
m3/ton.
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Figura 2. Proceso de fabricacin del cemento Portland.
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Blaine. Firmeza de los granos del cemento
Indica el tamao de los granos del cemento. Su mayor influencia se da
sobre el requerimiento de agua para la preparacin de la lechada. Esta
caracterstica es un factor determinante, pero no nico, para la
clasificacin de los cementos. Representa el rea expuesta al contacto
con el agua y se determina como una funcin de permeabilidad al aire.
Distribucin del tamao de la partcula
Indica la eficiencia con la que se llev a cabo la seleccin, la molienda y
el resto del proceso de fabricacin sobre la homogenizacin de los
materiales crudos molidos.
Tamao promedio de partculas
Es el tamao de grano que ocupa el 50% de un peso determinado de
cemento, dentro de la gama de tamaos de grano que integran el
cemento.
Requerimiento de agua normal
Es el agua necesaria para la lechada con cemento solo. Debe dar 11 Uc
a los 20 minutos de agitarse en el consistometro de presin atmosfrica
a temperatura ambiente; se expresa en porciento de peso de cemento.
Requerimiento de agua mnima
Denota el agua necesaria para la lechada de cemento. Debe dar 30 Uc a
los 20 minutos de agitarse en el consistometro de presin atmosfrica a
temperatura ambiente; se expresa en porciento por peso de cemento.
Densidad de la lechada
Es el peso de la mezcla del cemento con agua y est en funcin de la
relacin de agua por emplear. Sus unidades son g/cc, kg/ft, ton/m3.
ngulo de talud natural del Cemento
Es el ngulo que forma el material granulado cuando se deposita en una
superficie plana horizontal; sirve para el diseo de la planta dosificadora
de cemento y para recipientes a presin.
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3.5. COMPOSICION QUIMICA DEL CEMENTO
Las reacciones de carbonatos y arcillas producidas por la manufactura del
cemento Portland, conduce a la formacin de 4 principales productos, que
incluyen cuatro distintas fases cristalinas:
SILICATO TRICLCICO (3CaO.SiO2)
Habitualmente conocido como C3S, es el componente mas abundante en la
mayora de los cementos y, ademas, el factor principal para producir la
resistencia temprana o inmediata (1 a 28 dias) Reacciona rapido con el agua,
liberando calor y formando silicato de calcio hidratado (CSH).
Generalmente, los cementos de alta consistencia inmediata contienen en
mayor concentracin este compuesto.
SILICATO DICLCICO (2CaO.SiO2)
Conocido como C2S, es un compuesto de hidratacion lenta para formar el
mismo tipo de compuestos que el C3S (CSH), que proporciona una ganancia
gradual de resistencia; esto ocurre en un periodo largo: despues de 28 dias.
ALUMINATO TRICLCICO (3CaO.Al2O3)
Se lo conoce tambien como C3A y tiene influencia en el tiempo de
bombeabilidad de la lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ataque
quimico de los sulfatos sobre los cementos. Esta susceptibilidad se clasifica
en moderada y alta resistencia al ataque quimico, cuando contienen este
compuesto en un 8% y 3% respectivamente.
Reacciona muy rapido 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 aadiendo oxido frrico transformndolo en
C4AF.
ALUMINO FERRITA TETRACLCICO (4CaO.Al2O3.Fe2O3)
Tambin conocido como C4AF, reacciona rpido con el agua pero no
produce mucho calor de hidratacin y resistencia a la compresin; influye en
la reologa del cemento, formacin de geles, y durabilidad.
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Tabla 1. Requerimiento Qumico Para Cementos API
3.6. CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS ASTM Y API
Las Normas API se refieren a la clase de cemento; las Normas ASTM se
refieren al tipo de cemento.
Cemento clase A o tipo I
Es uno de los tipos de cemento ms usado, junto con el cemento clase G
y el cemento clase H. Est diseado para emplearse a 1830 m de
profundidad como mximo, con temperatura de 77 C, y donde no se
requieren propiedades especiales.
Cemento clase B o tipo II
Diseado para emplearse hasta a 1830 m de profundidad, con
temperatura de hasta 77 C y en donde se requiere moderada resistencia
a los Sulfatos
Cemento clase C o tipo III
Est diseado para emplearse hasta los 1830 metros de profundidad
como mximo, con temperatura de 77C donde se requiere alta
resistencia a la compresin temprana; se fabrica en moderada y alta
resistencia a los Sulfatos.
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Cemento clase D o tipo IV
Este cemento se emplea de 1830 hasta los 3050 m de profundidad con
temperatura de hasta 110C y presin moderada. Se fabrica en moderada
y alta resistencia a los Sulfatos.
Cemento Clase E o tipo V
Este cemento se usa de 1830 hasta los 4270 m de profundidad con
temperatura de 143C y alta presin. Se fabrica en moderada y alta
resistencia a los Sulfatos.
Cemento clase F o tipo VI
Este cemento se usa de 6050 hasta 4880 m de profundidad con
temperatura de 160C, en donde exista alta presin. Se fabrica en
moderada y alta resistencia a los Sulfatos.
Cemento clase G y H o tipo VII y VIII
Comnmente conocidos como cementos petroleros, son bsicos para
emplearse desde la superficie hasta 2240 m tal como se fabrican. Pueden
modificarse con aceleradores y retardadores para usarlos en un amplio
rango de condiciones de presin y temperatura.
En cuanto a su composicin qumica son similares al cemento API Clase
B. Estan fabricados con especificaciones ms rigurosas tanto fsicas
como qumicas, por ello son productos ms uniformes.
Cemento clase J o tipo IX
Se qued en fase de experimentacin y fue diseado para usarse a
temperatura esttica de 351F (177C) de 3660 a 4880 metros de
profundidad, sin necesidad del empleo de harina silica, que evite la
regresin de la resistencia a la compresin.
3.7. ADITIVOS Y APLICACIN
Los aditivos tienen como funcin adaptar los diferentes cementos petroleros
a las condiciones especficas de trabajo. Pueden ser slidos y/o lquidos
(solucin acuosa). Entre ellos tenemos:
Aceleradores: se usan en pozos donde la profundidad y la temperatura
son bajas, para obtener tiempos de espesamiento cortos y buena
resistencia a la compresin en corto tiempo. Los aceleradores de mayor
aplicacin son:
o Cloruro de Calcio (CaCl2): esta sal se dosifica del 2 al 4% por peso
de cemento, dependiendo del tiempo de bombeo que se desea
obtener. Es el producto que exhibe mayor control en el tiempo
bombeable.
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o Cloruro de Sodio (NaCl): actua como acelerador en
concentraciones de hasta un 10% por peso de agua, entre el 10 y
18% produce un tiempo de bombeo similar al obtenido con agua
dulce. A concentraciones mayores del 18% causa retardamiento.
La tpica concentracin de acelerador es del 2 al 5% por peso de
agua.
o Sulfato de Calcio (CaSO4): es un material que por si mismo posee
caractersticas cementantes y tiene fuerte influencia en expandir el
cemento fraguado; como acelerador se dosifica basndose en el
tiempo que se desea y la temperatura a la cual se va a trabajar. Su
concentracin varia del 50 al 100% por peso de cemento.
Retardadores: hacen que el tiempo de fraguado y el desarrollo de
resistencia la compresin del cemento sea ms lento. Los ms usados
son:
o Lignosulfonatos: son efectivos con todos los cementos Portland y
se dosifican de 0.1 a 1.5% por peso de cemento. Son efectivos
hasta 250F (122C) de temperatura de circulacin en el fondo de
pozo (BHCT) y hasta 600F (315C) cuando se mezclan con borato
de sodio.
o Acidos Hidrocarboxlicos: son retardadores poderosos y se aplican
en un rango de temperatura de 200F (93C) a 300F (149C). se
usan en concentraciones de 0.1 a 0.3% por peso de cemento.
o Compuestos Sacridos: excelentes retardadores del cemento
Portland. Se usan ocasionalmente en la cementacin de pozos, por
ser muy sensibles a pequeas variaciones en sus concentraciones.
o Derivados de la Celulosa: el mas comn es el carboxietil hidroxietil
celulosa (CMHEC). Efectivo a temperaturas superiores de 250F
(120C).
Extendedores: se aaden para reducir la densidad del cemento o para
reducirla cantidad de cemento por unidad de volumen del material
fraguado, con el fin de reducir la presin hidrosttica y aumentar el
rendimiento (pie3/saco) de las lechadas. Entre los ms usados se tienen:
bentonita, silicato de sodio (Na2SiO3), materiales pozzolnicos, etc.
Densificantes: aditivos que aumentan la densidad del cemento o que
aumentan la cantidad de cemento por unidad de volumen del material
fraguado, con el fin de aumentar la presin hidrosttica. Los ms usados:
barita, hematita, ilmenita, etc.
Controladores de Filtrado: aditivos que controlan la prdida de la fase
acuosa del sistema cementante frente a una formacin permeable.
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Previenen la deshidratacin prematura de la lechada. Los ms usados
son: polmeros orgnicos, reductores de friccin, etc.
Antiespumantes: ayudan a reducir el entrampamiento de aire durante la
preparacin de la lechada. Los ms usados son: teres de poliglicoles y
siliconas.
Dispersantes: se agregan al cemento para mejorar las propiedades de
flujo, es decir, reducen la viscosidad de la lechada de cemento. Entre ellos
tenemos: polinaftaleno sulfonado, polimelamina sulfonado,
lignosulfonatos, cidos hidrocarboxilicos, polimeros celulsicos.
3.8. FORMULAS GENERALES QUE SE UTILIZAN EN CEMENTACION
Calculo de los aditivos:
a) Peso de aditivo por saco de cemento:
, = % 94/
b) Requerimiento total de agua del cemento, en gal/sk:
= . + .
Donde ambas cantidades estn en gal/sk
c) Volumen de lechada, en gal/sk:
,
=
94
8.33/+
,
8.33/+ . ,
d) Rendimiento de la lechada, en ft3/sk:
,3
=
. ,
7.48
3
e) Densidad de la lechada, en lb/gal:
, / =94 + + (8.33 + /)
. , /
4. APLICACIONES
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Se tiene un cemento de tipo A con 4% de bentonita, y se usa agua normal de
mezcla. Determinar:
a) Cantidad de bentonita a aadir
b) Requerimiento total de agua
c) Rendimiento de la lechada
d) Peso de la lechada
SOLUCION
a) Peso de aditivo:
Peso, lb/sk = 0.04 x 941b/sk = 3.761b/sk
b) Requerimiento total de agua:
Agua = 5.1 (cemento) + 2.6 (bentonita) = 7.7gal/sk de cemento c) Rendimiento de la lechada:
volumen de lechada = (94/3.14*8.33) + (3.76/2.65*8.33) + 7.7 =
11.46gal/sk
rendimiento= 11.46 gal/sk / 7.48gal/ft3 = 1.53 ft3/sk
d) densidad de la lechada:
densidad = (94+3.76+(8.33*7.7)) / 11.46 = 14.13 lb/gal
