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1. CEMENTACION

En la adecuación de pozos petroleros con el fin de colocarlos luego en producción, se hace necesario las operaciones de cementación, en las cuales se utiliza una lechada de cemento (material con propiedades adhesivas y cohesivas) que cumple funciones como: aislar formaciones, soporte y protección de revestimiento, adherir el revestimiento a la formación y restringir el movimiento de fluidos entre formaciones. Uno de los principales objetivos de la cementación ha sido siempre proveer aislamiento en la cara del pozo a las zonas de agua, gas y aceite, para lograr este objetivo, se hace necesario conseguir un buen sello hidráulico entre casing - cemento y cemento – formación, previniendo además la canalización de fluidos a través del bloque de cemento. Estos requerimientos hacen de la operación de cementación la más importante durante la elaboración de un pozo.

Desde 1937 se creo el Comité de Estandarización del Instituto Americano del Petróleo API con el fin de desarrollar métodos estándares que permitan evaluar la calidad de un cemento hidráulico (petrolero) y emitir los requerimientos físicos y químicos mínimos que estos debían cumplir. A través de los documentos API SPEC-10A y API RP-10B, se emitieron las características que debían cumplir y las pruebas que se deben realizar para la verificación de estas a los cementos hidráulicos.

1.1 EL CEMENTO

Dos tipos de materiales son necesarios para la preparación del cemento Portland: Calcáreos, materiales que contienen calizas (u otros compuestos ricos en carbonato de calcio) y arcillosos, materiales que contienen aluminio, sílice y oxido de hierro, algunas veces se adicionan óxidos de aluminio y hierro si no están presentes en cantidades apreciables en las arcillas. Los materiales calcáreos contienen carbonato de calcio (CaCO3) y oxido de calcio (CaO), entre ellos están las calizas, corales, depósitos de conchas, yeso (compuesto por conchas marinas con alto contenido de CaCO4), marl (deposito terroso con alto contenido de CaCO3) y desperdicios alcalinos (subproductos de plantas químicas). Los componentes arcillosos son materiales que contienen sílice (SiO2) y aluminatos (Al2O3), entre ellos las arcillas, arcillolitas y ceniza.

1.2 QUIMICA DEL CEMENTO

Todos los cementos son fabricados esencialmente por iguales procedimientos e ingredientes, solo que en diferentes proporciones. El cemento Portland consiste básicamente de cuatro componentes descritos en la tabla 1.

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Un análisis típico de óxidos en los cementos Portland clases G y H se muestra en la tabla 2.

Tabla 1. Componentes químicos del cemento Portland.

Nombre Formula Nombre genérico

Silicato tricalcico 3CaO.SiO2 C3S

Silicato dicalcico 2CaO.SiO2 C2S

Aluminato tricalcico 3CaO.Al2O3 C3A

Aluminoferrato tetracalcico 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF

Fuente: Field Training Cementing Service. Halliburton Service.

Estos compuestos son formados en un horno por reacciones químicas a altas temperaturas (por encima de 1500°C)2.

Tabla 2. Análisis típico de óxidos en cementos Portland (Clases G y H)

Óxidos Porcentaje (%)

SiO2 22.43 CaO 64.77

Fe2O3 4.10 Al2O3 4.76 MgO 1.14 SO3 1.67 K2O 0.08

Residuos de Ignición 0.54

Tomada de Cementing Well. SPE Monograph

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Tabla 3. Composición Típica de cementos API

Composición Típica Potencial (%)

Clases

API

Tipo

ASTM C3S C2S C3A C4AF A I 45 27 11 8 B II 44 31 5 13 C III 53 19 11 9 D 28 49 4 12 E 38 43 4 9 G (II) 50 30 5 12 H (II) 50 30 5 12

Fuente: Well Cementing. Dowell Schlumberger.

1.3 CLASIFICACION DEL CEMENTO

Sistema de clasificacion API. En 1937 el Instituto Americano del Petróleo establece el primer comité para estudios del cemento. En 1952 el comité nacional API adopta estándares para seis clases de cementos Portland usados en la industria del petróleo en operaciones de cementación. En 1953 se publica las Especificaciones para Cementos Petroleros, que cubrían los requerimientos químicos determinados por la ASTM y requerimientos físicos determinados en acuerdo con los procedimientos del API RP 10B y ASTM. Las especificaciones son revisadas anualmente por el comité de acuerdo a las necesidades de la industria.

Las especificaciones entregan una lista de las propiedades necesarias en el producto y aseguran que el producto terminado cumpla los requerimientos mínimos. En adición estas especificaciones simplifican la comunicación entre el fabricante, el distribuidor y el consumidor.

Actualmente el API define ocho clase de cementos, descritos en la Cuadro 1, para condiciones variadas de presión y temperatura, agrupados en tres grados de acuerdo a su resistencia al sulfato, los tres grados son: Ordinario (O), Resistencia moderada al sulfato (MSR) y altamente resistente al sulfato (HSR) (ver Tabla 4).

Cada clase de cemento API posee su similar en la clasificación ASTM, que se muestra en la Tabla 3.

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Cuadro 1. Clasificación API, de acuerdo a su aplicación

Clase Descripción

A Se usa hasta profundidades de 6000 ft (poco profundos), cuando no se requieren propiedades especiales. Requiere 46% de agua.

B Hasta 6000 ft de profundidades, usado cuando se requiere de moderada a alta resistencia a los sulfatos. Requiere 46% de agua.

C Hasta 6000 ft recomendado cuando se requiere alta resistencia inicial a la compresión. Es el de mayor finura. Requiere 56% de agua.

D Se usa para profundidades desde 6000 ft. hasta 10000 ft. Bajo condiciones de moderada - altas temperaturas y presiones. Requiere 38% de agua.

E Usado entre 10000 y 14000 ft. A altas presiones y temperaturas. Requiere 38% de agua.

F Recomendado para profundidades entre 10000 y 16000 ft. Bajo condiciones extremadamente altas de presión y temperatura. Requiere 38% de agua.

G Cemento base para pozos hasta de 8000 ft. de profundidad, o utilizando aditivos como aceleradores o retardantes puede cubrir un amplio rango de profundidad y temperatura. Disponible en moderado y alta resistencia al sulfato

H Cemento base para pozos hasta de 8000 ft. de profundidad, o utilizando aditivos como aceleradores o retardantes puede cubrir un amplio rango de profundidad y temperatura. Disponible en moderado y alta resistencia al sulfato

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Tabla 4. Clasificación API de cementos según el grado de resistencia a los sulfatos.

Clases

Ordinario (O)

(C3A no especificado)

Moderadamente

Resistente al Sulfato (MSR)

(3-8% C3A)

Alta Resistencia al

Sulfato (HSR)

(<3% C3A)

A X

B X X

C X X X

D X X

E X X

F X X

G X X

H X X

Tomado de Especificaciones API Spec-10A

Las clases de cementos mas utilizados en la industria petrolera por su flexibilidad de rangos de temperatura y presión usando aditivos son los Clase G y H.

Clase G: este producto es propuesto para ser usado como un cemento básico para pozos. No se deben adicionar otros productos como el sulfato de calcio, este será mezclado con el Clinker durante la manufactura. Esta disponible en los grados moderada resistencia al sulfato (MSR) y alta resistencia al sulfato (HSR). Las especificaciones de las pruebas de la lechada del cemento Clase G requieren un 44% de agua (100 partes de cemento seco en peso, por 44 partes de agua en peso) de acuerdo a API RP-10B.

Clase H: este producto es propuesto para ser usado como un cemento básico para pozos. El cemento clase H es similar al cemento clase G. El cemento clase H típicamente es de grano más grueso que el cemento clase G. Las especificaciones

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de las pruebas de la lechada del cemento Clase H requieren un 38% de agua (100 partes de cemento seco en peso, por 38 partes de agua en peso) de acuerdo a API RP-10B.

1.4 PROPIEDADES FISICAS DEL CEMENTO

El cemento en polvo debe contar con unas propiedades físicas para el control de calidad como son: Finura o superficie especifica, Distribución de grano y peso especifico.

Finura o superficie especifica. La finura es el tamaño de la particula (al ser triturado el Clinker). El tamaño de la particula puede afectar el tiempo de fraguado, el esfuerzo temprano y requerimientos de agua. La finura del cemento es el area que recubre una unidad de peso de cemento y es medida de acuerdo al ASTM C115 con un turbidimetro, las modificaciones del API aparecen en la Tabla 5.

Distribución del grano. Hace referencia al porcentaje de granos que pasa por los tamices de diferentes tamaños. Se utilizan mallas de 170, 325 o 400 mesh.

Peso especifico. Se compara la densidad del cemento con la de un líquido que no lo diluya y del cual se conozca la densidad; el líquido normalmente usado es el Keroseno.

Tabla 5. Especificación de finura para los cementos API.

CLASE MINIMA FINURA (m2/Kg)

A 150 B 160 C 220

D-E-F-G-H No requieren

Tomada de API Spec-10A

1.5 PROPIEDADES DE LA LECHADA

Para conocer y definir el comportamiento de la lechada de cemento es necesario realizar ciertas pruebas en el laboratorio, cuyos procedimientos son descritos en la norma API RP 10B. Las propiedades más importantes a considerar en una lechada de cemento son:

• Densidad de lechada

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• Propiedades reológicas

• Perdidas de fluido

• Tiempo de espesamiento o bombeabilidad

• Agua libre

• Resistencia a la compresión

• Resistencia a los sulfatos.

1.5.1 DENSIDAD DE LA LECHADA

Expresa el peso de un volumen de lechada de cemento en libras por galón (lpg). Para efectos prácticos se considera que la densidad de una lechada debe ser mayor que la del lodo y su peso máximo lo determina el gradiente de fractura de la formación. La densidad de una lechada se puede medir con una balanza presurizada o una balanza estándar de lodo, en algunos casos en el campo se utiliza un equipo de pesado automático ubicado dentro de la línea de descarga entre la unidad de mezcla y la cabeza del pozo.

1.5.2 PROPIEDADES REOLÓGICAS

La característica del movimiento de un líquido es definida por la relación entre el régimen de bombeo (rata de corte) y la presión (tensión de corte). La viscosidad es la resistencia que opone un fluido a pasar de un estado estático a uno dinámico (fluir) por causa de la tensión producida por la fricción entre capas. Las lechadas de cementos son fluidos no Newtonianos y sus propiedades de flujo y la relación velocidad – presión pueden predecirse por el modelo Plástico de Bingham o la Ley de Potencia.

Para determinarlas se utiliza un viscosimetro Fann, en el cual se mide la tensión de corte (lectura del dial) y la rata de corte (velocidad rpm).

El propósito de conocer la reología de la lechada de cemento es importante para el diseño, ejecución y evaluación de cementaciones primarias, para determinar las perdidas de presión por fricción que permitan evaluar la presión con que se bombeara la lechada. La adecuada caracterización de reología de una lechada de cemento es importante por muchas razones tales como:

Evaluación de la posibilidad de mezclado y bombeabilidad de la lechada.

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Determinación de la relación presión profundidad durante y después de la colocación de la lechada en el pozo.

Cálculos de la rata de retorno.

Predicción del perfil de temperatura cuando ocurre el asentamiento del cemento en el hueco.

Diseño de la rata de desplazamiento requerida para llevar a cabo una optima remoción de lodo.

Determinar presión de bombeo.

El comportamiento de la reología de una lechada de cemento depende de diferentes factores como son:

Relación agua cemento.

Superficie especifica y tamaño de grano.

Composición química del cemento y distribución relativa de los componentes.

Presencia de aditivos

1.5.3 PERDIDAS DE FLUIDO

Representa la cantidad de agua que puede perder una lechada bajo condiciones de presión y temperatura. Para hacer bombeable un cemento es necesario hidratarlo con un exceso de agua; algo o todo el exceso de agua puede ser fácilmente expulsado de la lechada, si esta se encuentra con una formación permeable en el fondo del hueco durante un trabajo de cementación, sometida a condiciones estáticas y presión hidrostática. Las perdidas de solo una parte del agua puede significativamente alterar las propiedades de la lechada.

1.5.4 TIEMPO DE ESPESAMIENTO O BOMBEABILIDAD

El API lo define como: “El tiempo requerido por la lechada de cemento para desarrollar una consistencia de 70 Bc (unidades Bearden o unidades de consistencia); el resultado de la prueba de “Thickening Time” provee una

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indicación del tiempo durante el cual la lechada permanece fluida para ser bombeada a las condiciones de la prueba”3.

Tiempo de espesamiento es el tiempo requerido para mezclar y bombear una lechada al fondo del hueco y llenar el anular entre el casing y la pared del pozo.

El tiempo de espesamiento disminuye al aumentar la presión y/o la temperatura, igualmente cuando existe una interrupción del bombeo. Se debe evitar tiempos de espesamiento demasiado largos para evitar:

• Retrasos en operaciones de perforación.

• Asentamiento y separación de los componentes de la lechada.

• Formación de bolsillos de agua libre.

El incremento de agua alarga el tiempo de espesamiento en cementos no retardados (clases A, B, C, G. H), lo contrario sucede en los cementos retardados (clases D, E, F) que al incrementar agua o sólidos se reduce la concentración del retardante.

1.5.5 AGUA LIBRE

Las lechadas de cemento tienen un requerimiento de agua para dar hidratación y ser bombeables. Aunque solo el 25% de agua es necesaria para la hidratación (para densidades de 18.3 lpg), el contenido normal de agua es mayor para dar fluidez (bombeabilidad). El contenido de agua difiere según la clase de cemento y peso de lechada requerido. El exceso de agua debe ser evitado para prevenir estratificación cemento – agua.

Cuando una lechada (aun fluida) es detenida por un periodo de tiempo antes del asentamiento, parte del agua puede separarse migrando hacia a arriba acumulándose en baches o en el tope de la columna de cemento. Esta separación puede dar como resultado una zona de aislamiento incompleta, particularmente en pozos altamente desviados. La prueba para determinar el agua libre es hecha en el laboratorio utilizando un cilindro de 250 ml simulando las condiciones estáticas en el pozo, las especificaciones de la prueba están reportadas en el API Spec 10 A.

El exceso de agua puede dar como resultado la reducción de la resistencia, aumento en el tiempo de espesamiento y un valor alto de agua libre.

3 API Recommended Practice 10B. 22ª Edición, Diciembre de 1997.

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La lechadas de cemento clase A,B,C,D,E,F no requieren esta prueba y la lechadas de clase G y H no deben exceder de 3.5 ml de agua libre4.

1.6 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

La resistencia se define como el esfuerzo que el cemento ofrece a ser comprimido (resistencia compresiva) o a romperse por tracción (resistencia a la tensión). Para determinarla se realiza una prueba que consiste en hallar la resistencia a romperse que posee la lechada de cemento (una vez halla fraguado) a condiciones de presión y temperatura estática de fondo de pozo. La temperatura es el factor que más afecta al desarrollo de la resistencia a la compresión.

A altas temperaturas el cemento puede sufrir un retroceso (perder resistencia) y no recuperar el valor de resistencia alcanzado a temperaturas más bajas. Esta retrogresión es acompañada de un aumento en la permeabilidad del cemento.

Para cementos usados a altas temperaturas y/o pozos profundos, el fenómeno inicia alrededor de 260°F y llega a ser severo a 290°F. No obstante la resistencia al esfuerzo compresivo que da como resultado puede ser adecuada para muchas aplicaciones. Si llegase a ser necesario puede adicionarse cantidades considerables de Silica Flúor o Arena Silica según se desee alta o baja densidad.

1.7 RESISTENCIA A LOS SULFATOS

Los sulfatos son químicos altamente corrosivos para los cementos, estos reaccionan con el limo y los cristales de aluminato tricalcico, formando Etringita, estos cristales requieren un mayor volumen del que da el espacio poroso en el cemento fraguado, dando como resultado una expansión excesiva que lo deteriora. La expansión de un cemento puede causar el incremento de espesor en unas pocas milésimas de pulgadas, este efecto se evalúa con unos anillos de expansión.

1.8 RELACIÓN AGUA – CEMENTO

El contenido normal de agua difiere para las clases de cemento, de acuerdo a la finura, ya que entre mas fino sea el grano de cemento mayor será la superficie total que deberá ser mojada por agua y por tanto mayor el requerimiento de esta.

4 API Spec 10. Fifth Edition 1995. Pág. 16.

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A mayor finura del cemento, mayor será la resistencia inicial de la lechada, menor el tiempo de espesamiento y fraguado inicial.

1.8.1 Contenido máximo de agua.

La cantidad máxima de agua que se puede mezclar, es aquella que produce 1.4% de agua libre. Un exceso de agua libre puede causar asentamiento, creando en el anular secciones de agua y cemento de baja resistencia. Por experiencia de campo se ha mostrado que un exceso de agua libre forma grietas en el cemento dando como resultado una mala cementación.

1.8.2 Contenido mínimo de agua.

Es la cantidad de agua que puede mezclarse para producir una lechada de 30 Bc. Este criterio es importante en lechadas para balancear tapones, pues esto requiere una alta densidad y alta resistencia en corto tiempo; también en lechadas que buscan aislar el influjo de agua hacia formaciones productoras. Si se usa menos agua de la mínima, se corre el riesgo de que se eleve la presión hidrostática, causando la posible fractura de la formación, perdidas de circulación o aumento de la perdida de filtrado llegando a deshidratarse la lechada.

Tabla 6. Requerimiento de agua del cemento.

CLASE Porcentaje de agua (%)

Galones de agua por saco

Densidad (lpg) Rendimiento * (Pies3/Sk)

A – B 46 5.19 15.6 1.17

C 56 6.32 14.8 1.32

D – E – F 38 4.28 16.4 1.05

G 44 4.96 15.8 1.15

H 38 4.28 16.4 1.05

J 38 – 43.5 4.28 – 4.91 16.0 – 15.4 1.09 – 1.17

*Basado en volumen absoluto por saco de cemento igual a 3.59 Gal.

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Fuente: Cementing Oil and Gas Wells. World Oil.

1.9 ADITIVOS PARA CEMENTACION

Aditivo es un material diferente del cemento o el agua, el cual es agregado al cemento después de su fabricación para modificar sus propiedades5.

Los aditivos para cementación modifican el comportamiento del sistema del cemento permitiendo el exitoso colocamiento de la lechada entre el casing y la formación. Un desarrollo rápido de la resistencia a la compresión y un adecuado aislamiento zonal durante la vida del pozo son influenciados por las propiedades físicas y químicas del cemento, también por temperatura, presión, concentración del aditivo, energía de mezcla, orden de mezcla y relación agua cemento.

Hay cerca de 100 clases de aditivos los cuales tienen forma liquida o sólida y se clasifican en 10 categorías.

1. ACELERADORES.

2. RETARDADORES.

3. EXTENDEDORES.

4. AGENTES DE PESO (DENSIFICANTES).

5. DISPERSANTES.

6. CONTROL PERDIDA DE FLUIDO.

7. ADITIVOS DE PERDIDA DE CIRCULACION.

8. ANTIESPUMANTES.

9. ADITIVOS PARA RETROGRECION.

10. CONTROLADORES DE MIGRACION DE GAS.

ACELERADORES

Son usados para acortar el tiempo de fraguado de la lechada acelerando la rata de hidratación del cemento. A menudo se usan para compensar el efecto causado por otros aditivos como dispersantes y aditivos para control perdida de fluidos.

Reducen el tiempo de fraguado.

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Aceleran el proceso de endurecimiento.

Usados a bajas profundidades y Bajas temperaturas.

RETARDADORES

Son utilizados para retardar el fraguado del cemento con el fin de permitir suficiente tiempo para la colocación de la lechada en el pozo. Actúan sobre la superficie de los granos del cemento haciéndolos más impermeables y retardando la hidratación. Extienden el tiempo de colocación y bombeabilidad de la lechada reduciendo la rata de hidratación y reaccionando químicamente con los compuestos del cemento no hidratados o formando una capa sobre las partículas no hidratas y así prevenir el contacto con al agua.

EXTENDEDORES

Son aditivos de bajo peso utilizados principalmente para disminuir el peso de la lechada del cemento, además de reducir costos e incrementar la cedencia. Las lechadas netas de cementos API A, B, G y H preparadas con los requerimientos de agua API, alcanzan densidades iguales o mayores de 15.6 lpg. Muchas formaciones no soportan columnas hidrostáticas altas con estas densidades, por lo tanto se hace necesario disminuir el peso de la lechada adicionando bien sea materiales con alto requerimiento de agua (Bentonita), o sólidos de baja gravedad específica (Gilsonita)

AGENTES DE PESO (DENSIFICANTES)

Son materiales utilizados para dar peso al cemento, y se utilizan para contrarrestar las altas presiones encontradas en los trabajos de cementación. Existen varios materiales disponibles para incrementar la densidad de la lechada, no obstante algunos de ellos a altas temperaturas afectan otras propiedades del cemento. Los mas usados son la Hematita, Barita y arena; y se puede llegar a tener un incremento de la densidad hasta de 22 lpg.

DISPERSANTES

Los agentes dispersantes o reductores de fricción se adicionan a la lechada de cemento para hacerla mas fluida reduciendo la viscosidad de la misma y permitiendo un bombeo de la lechada de cemento a presiones por debajo de la presión de fractura. Se logra un flujo turbulento a bajas ratas de bombeo debido a que el dispersante separa las partículas de cemento.

ADITIVOS CONTROLADORES DE PERDIDA DE FLUIDOS

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Cuando una lechada de cemento se coloca a traves de la formación permeable bajo la presión ocurre un proceso de filtración. La fase acuosa de la lechada escapa dentro de la formación.

Si no se controla la perdida, la densidad de la lechada se puede incrementar haciéndola muy difícil de bombear.

ADITIVOS DE PERDIDA DE CIRCULACION

En los trabajos de cementación, en donde la lechada debe ser desplazada a través de formaciones altamente permeables, cavernosas o fracturadas, se puede presentar fugas de grandes volúmenes de lechada. Para evitar esto se hace necesario utilizar materiales que bloqueen los espacios porosos o las fracturas para permitir la restauración de la circulación.

AGENTES ANTIESPUMANTES

Algunos materiales o aditivos agregados al cemento o al agua pueden provocar una espuma excesiva, originando por anticipado problemas en la mezcla. Tales materiales pueden ser: A1, A2, R61 y algunos materiales finos adicionados durante la fabricación del cemento. Para contrarrestar dicha provocación se utilizan los agentes antiespumantes.

ADITIVOS PARA LA RESISTENCIA A LA RETROGRESION

Para grandes profundidades y temperaturas superiores a los 260 °F, las lechadas de cemento requieren de un aditivo para contrarrestar el esfuerzo de retrogresión cuya función principal es la de incrementar y mantener estable la resistencia final del cemento.

CONTROLADORES DE MIGRACIÓN DE GAS

Son aditivos utilizados para controlar la entrada de gas dentro de una columna de cemento después de su ubicación.

* Este resumen sobre cementos es tomado del trabajo de grado titulado: “ANALISIS COMPARATIVO ENTRE EL CEMENTO CLASE G NACIONAL Y EL CEMENTO CLASE G” elaborada por OSCAR ALMEIDA y ANGEL F. MONTOYA.