Cementacion

Ingeniera de Cementaciones

Ingeniera de Cemenfaciones

INDICE

pgina

CONCEPTOS GENERALES4

Introduccin4

I. CEMENTACIONES4

Clasificacin de las cementaciones4

Descripcin de la cementacin primaria4

Descripcin de la cementacin forzada5

Descripcin de los tapones de cemento5

II. CEMENTO PORTLAND5

Definicin FabricacinPrincipales compuestos del cemento y sus funciones Clasificacin API y ASTM de los cementos Propiedades fsicas de los cementosCategoras de los aditivos y sus funciones Lechadas de cemento5@@@ 8@ 11

III. CEMENTACIN PRIMARIA20

Cmo obtener la informacin del pozo20

Cementacin de las diferentes tuberas de revestimiento21

IV. DISEO DE LABORATORIO Y RECOMENDACIONES GENERALES22

Diseo de laboratorio22

Tubera conductora22

Tubera superficial22

Tubera intermedia24

Tubera de explotacin24

Ingeniera de ementaciones

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13Ingeniera de ementaciones

Informacin de gabinete27Informacin de laboratorio27V. DISEO DE GABINETE27Procedimientos de diseo de gabinete2@Obtencin de datos2@Clculo de cemento, agua y aditivos31Clculo del requerimiento de materiales31Procedimientos operativos40Ejemplos44VI. NUEVAS TECNOLOGAS EN CEMENTACIN PRIMARIA50Tecnologa de lechada de baja densidad con alta resistencia compresiva50

VII. CEMENTACIN DE POZOS DIRECCIONALES Y HORIZONTALES5@

Introduccin5@Clasificacin de pozos horizontales5@Resumen@4

VIII. TAPONES DE CEMENTO@4

Descripcin@4Objetivos@4Tipos de tapn@5Tcnicas de colocacin@8Consideraciones de diseo@@IX. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA COLOCACIN DEL TAPN71Dump bailer71Ejemplos73X. CEMENTACIN FORZADA78Introduccin78XI. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA CEMENTACIN FORZADA81Teoras de aplicacin sobre problemas reales82Problemas especiales en cementaciones forzadas@3

XII. ACCESORIOS PARA TUBERAS DE REVESTIMIENTO@7Tipos de accesorios@7Cementacin en etapas mltiples104XIII. ACCESORIOS PARA TUBERAS CORTAS (Liner)10@Empacadores para tuberas cortas con unidad de sellos molible110Colgadores para tuberas cortas112XIV. DESARROLLO HISTRICO DE LAS UNIDADES CEMENTADORAS114Unidades cementadoras114Unidades transportadoras de cemento a granel11@Almacenaje y dosificacin de cemento120Diseo de una planta dosificadora de cemento121Salud y seguridad en el manejo de aditivos122Instalaciones123XV. CRITERIOS DE EVALUACIN DE:123Cementaciones primarias123Cementaciones a presin124Tapones por circulacin124PREGUNTAS Y RESPUESTAS125GLOSARIO128BIBLIOGRAFA12@


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3Ingeniera de Cemenfaciones


Concepfos generales

En este captulo se describen las principales operaciones de cementacin que se efectan en los pozos petroleros, las tecnologas, los equipos y materiales empleados.

I. CEMENTACIONEC

Son las operaciones con cemento que se efectan con fines especficos en los pozos petroleros.

Clasificacin de las cemenfaciones

Se clasifican de acuerdo con los objetivos que se persiguen en:

Cementacin primaria Cementacin forzada Tapones de cementoDescripcin de la cemenfacin primaria

La cementacin primaria es el 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).

ObjeSivos de las cemenSaciones primarias

1. Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo que contienen gas, aceite y agua.

2. Soportar el peso de la propia tubera de revestimiento.

3. Reducir el proceso corrosivo de la tubera de revestimiento con los fluidos del pozo y con los fluidos inyectados de estimulacin.

4. 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 consiguien- do as una buena adherencia sobre las caras de la formacin y de la tubera de revestimiento, sin ca- nalizaciones en la capa de cemento y con un lle- nado completo.

Cemento Completamente fraguado sin canalizacin de gas

Cemento adherido a la formacin

Cemento adherido a la tubera

Zona de Inters

Figura 1 Cementacin primaria.



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5Se ha vuelto prctica comn que para cumplir con el segundo y tercer objetivos, el cemento debe desarrollar un esfuerzo compresivo mnimo de 500 psi (35 kg/cm2) dentro de las primeras 8 horas. Este valor es producto de la prctica.

Descripcin de la cemenfacin 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. sta es una medida correctiva a una cementacin primaria de- fectuosa.

Objetivos de las cementaciones forzadas

1. Mejorar el sello hidrulico entre dos zonas que manejan fluidos.2. 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.3. Eliminar la intrusin de agua al intervalo productor.4. Reducir la relacin gas-aceite.5. Sellar un intervalo explotado.@. Sellar parcialmente un intervalo que se seleccio- n incorrectamente.7. Corregir una canalizacin en la cementacin primaria.8. Corregir una anomala en la tubera de revestimiento.

Descripcin de los fapones de cemenfo

Los tapones comprenden un cierto volumen de lechada de cemento, colocado en el agujero o en el interior de la tubera de revestimiento.

Objetivos de los tapones de cemento

1. Desviar la trayectoria del pozo arriba de un pesca- do o para iniciar la perforacin direccional.

2. Taponar una zona del pozo o taponar el pozo.3. Resolver un problema de prdida de circulacin en la etapa de perforacin.4. Proporcionar un amarre en la prueba del pozo.

II. CEMENTO PORTLAND

Definicin

El cemento es una mezcla compleja de caliza (u otros materiales con alto contenido de carbonato de calcio), slice, fierro y arcilla, molidos y calci- nados, que al entrar en contacto con el agua forma un cuerpo slido. 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.

Los componentes que forman el cemento son xi- dos superiores de oxidacin lenta. Esto significa que terminan su grado de oxidacin al estar en contacto con el aire al enfriarse.

De todos los cementos, el Portland es el ms importante en cuanto a trminos de calidad. Es el material idneo para las operaciones de cementacin de pozos.

Algunos cementos Portland son de fabricacin especial, debido a que las condiciones de los pozos difie- ren significativamente entre s al variar su profundidad. En la solucin de algunos problemas especficos de pozos se utilizan cementos de menor uso.

El cemento Portland es, adems, el ejemplo tpico de un cemento hidrulico: fragua y desarrolla resistencias a la compresin como resultado de la hidratacin, la cual involucra reacciones qumicas entre el agua y los componentes presentes en el cemento.

El fraguado y endurecimiento no solamente ocurre si la mezcla de cemento y agua se deja esttica al aire, tambin se presenta si la mezcla se coloca en agua. El desarrollo de resistencia es predecible, uniforme y relativamente rpido.

El cemento fraguado tiene baja permeabilidad y es insoluble en agua, de tal forma que expuesto a sta no se destruyen sus propiedades.

Tales atributos son esenciales para que un cemento obtenga y mantenga el aislamiento entre las zonas del subsuelo.

Fabricacin

Los materiales crudos se muelen y mezclan vigoro- samente, as se obtiene una mezcla homognea en las proporciones requeridas, para lograrlo existen dos procesos: seco y hmedo (figura 2, proceso de fabricacin del cemento Portland).

9roceso seco

Se preparan las materias primas y se pasan a un molino para homogeneizar el tamao de las partculas y su cantidad. Se pasan por un separador de aire y se les lleva a silos mezcladores para su almacena- miento antes de pasarse al horno rotatorio.

9roceso hmedo

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 partcula y, posteriormente, se pasa a unos con- tenedores 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 gas- to uniforme, y viaja lentamente por gravedad a la parte inferior del mismo.

El horno se calienta con gas a temperaturas de 1430 a 1540C.

Estas temperaturas originan reacciones qumicas entre los ingredientes de la mezcla cruda, resultan- do un material llamado clinker.

El clinker se deja enfriar a temperatura ambiente con corriente de aire, en un rea inmediata al horno, cons- truida bajo diseo para controlar la velocidad de en- friamiento. Una vez fro, se almacena y se muele posteriormente en molinos de bolas, para darle el tama- o 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 ter- minado de cemento Portland, figura 2.

Principales compuesfos del cemenfo y sus funciones

1. Silicato triclcico (3CaO.SiO2) habitualmente conocido como C3S.

Es el componente ms abundante en la mayora de los cementos y, adems, el factor principal para producir la consistencia temprana o inmediata (1 a 28 das). Generalmente, los cementos de alta consistencia inmediata contienen en mayor concentracin este compuesto; ms que el Portland comn y los retardados.

2. Silicato diclcico (2CaO.SiO2) habitualmente conocido como C2S.

Compuesto de hidratacin lenta que proporciona la ganancia gradual de resistencia. Ocurre en un pe- riodo largo: despus de 28 das.

3. Aluminato triclcico (3CaO.Al2O3) habitualmente conocido como C3A.

Tiene influencia en el tiempo de espesamiento de la lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ataque qumico de los sulfatos sobre los cementos. Esta susceptibilidad se clasifica en moderada y alta resistencia al ataque qumico, cuando contienen este compuesto en 8 y 3% respectivamente.

4. Almino ferrito tetraclcico (4CaO.Al2O3 .Fe2O3) habitualmente conocido como C4AF.

Este compuesto es de bajo calor de hidratacin y no influye en el fraguado inicial.

Clasificacin API Y ACTM de los cemenfos

Las Normas API se refieren a clase de cemento; las Normas ASTM a tipo de cemento.

1. Cemento clase A o tipo I

Est diseado para emplearse a 1830 m de profundidad como mximo, con temperatura de 77C, y donde no se requieran propiedades especiales.

2. Cemento clase B o tipo II

Diseado para emplearse hasta a 1830 m de profundidad, con temperatura de hasta 77C, y en donde se requiere moderada resistencia a los sulfatos.

Separador de aire

CalizaPartculas mayores

Colector de polvo

FinoAl horno

Alimentadores de materias primas

Molino

A la bomba neumtica

Cmara de aire caliente

Silos de mezclado en seco

Silo de almacenaje de materia mezclada

Al horno

Materias primas calcinadas a 2700 o FEntrada decombustible

Clinker

Materiales almacenados separadamente

Yeso

Horno Rotatorio

Enfriador del clinker con aire

Clinker y yeso convergen al molino

yeso

Separador de aire

Colector de polvos

Lneas de carga de cemento a unidades transportadoras

yes o

Materiales proporcionados

Molino de bolas

Bomba de cemento

Silos de Almacenaje

Ensacadora

Figura 8.1.01 Fabricacin del Cemento PortlandFig. No. 8.4.01 Proceso de Fabricacin del Cemento PortlandFigura 2 Proceso de fabricacin del cemento Portland.

3. Cemento clase C o tipo III

Est diseado para emplearse hasta 1830 m 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

4. Cemento clase D

Este cemento se emplea de 1830 hasta 3050 m de profundidad con temperatura de hasta 110C y presin moderada. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos.

5. Cemento clase E

Este cemento se usa de 1830 hasta 4270 m de profundidad con temperatura de 143C y alta presin. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos.

@. Cemento clase F

Este cemento se usa de 3050 hasta 4880 m de profundidad con temperatura de 1@0C, en donde exista alta presin. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos.7. Cementos clase G Y H Comnmente conocidos como cementos petroleros, sonbsicos para emplearse desde la superficie hasta 2240 mtal 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. Estn fabricados con especificaciones ms rigurosas tanto fsicas como qumicas, por ello son productos ms uniformes.

8. Cemento clase J

Se qued en fase de experimentacin y fue diseado para usarse a temperatura esttica de 351F (177C) de 3@@0 a 4880 metros de profundidad, sin necesidad del empleo de harina slica, que evite la regresin de la resistencia a la compresin.

Propiedades fsicas de los cemenfos

Los cementos de clasificacin API (Instituto Ameri-

cano del Petrleo) tienen propiedades fsicas espe- cficas para cada clase de cemento, mismas que b- sicamente definen sus caractersticas.

Las principales propiedades fsicas de los cementos son:

Ge = Gravedad espectica

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 cemen- to especficamente; sus unidades son gr/cm3, kg/lt y ton/m3.

9V= 9eso volumSrico

Denota el volumen por unidad de masa. Se toma en consideracin el aire contenido entre los granos de cemento; sus unidades son gr/cm3, kg/lt y ton/m3.

Blaine ineza de los granos de cemenSo

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. Sus unidades son cm2/gr,m2/kg Representa el rea expuesta al contacto con el agua y se determina como una funcin de permeabilidad al aire.

DisSribucin del Samao de parScula

Indica la eficiencia con la que se llev a cabo la seleccin, la molienda y el resto del proceso de fabricacin sobre la homogeneizacin de los materiales crudos molidos.

Tamao promedio de parSculas

Es el tamao de grano que ocupa el 50% de un peso determinado de cemento, dentro de la gama de ta- maos de grano que integran el cemento.

9equerimienSo 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 consistmetro de presin atmosfrica a temperatura ambiente; se expresa en por ciento por peso de cemento.

9equerimienSo de agua mnima

Denota el agua necesaria para la lechada de cemen-

to. Debe dar 30 Uc a los 20 minutos de agitarse en el consistmetro de presin atmosfrica a temperatura ambiente; se expresa en por ciento 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 gr/cm3, kg/lt y ton/m3.

ngulo de Salud naSural del cemenSo

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.

Cafegoras de los adifivos y sus funciones

Aceleradores

Son productos qumicos que reducen el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento. Incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva.

9eSardadores

Son productos qumicos que prolongan el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento.

ZxSendedores

Son materiales que bajan la densidad de los sistemas de cemento y/o reducen la cantidad de cemen- to por unidad de volumen del producto fraguado.

DensiticanSes

Son materiales que incrementan la densidad de los sistemas del cemento.

DispersanSes

Son productos qumicos que reducen la viscosidad de las lechadas de cemento.

ConSroladores de tilSrado

Son materiales que controlan la prdida de la fase acuosa de los sistemas de cemento, frente a zonas permeables.

ConSrolador de prdida de circulacin

Son materiales que controlan la prdida de cemen- to hacia zonas dbiles de la formacin o fracturas.

AdiSivos especiales

Es la miscelnea de aditivos complementarios para la cementacin, tales como antiespumantes, controladores de la regresin de la resistencia compresiva, etctera.

clases de Aceleradores

Estos aditivos qumicos acortan el tiempo de bombeo e incrementan el desarrollo de resistencia compresiva; disminuyendo el tiempo equipo de perforacin.

Los aceleradores de mayor aplicacin son:

Cloruro de calcio (CaCl2)Esta sal se dosifica del 2 al 4 % por peso de cemen- to, dependiendo del tiempo de bombeo que se desea obtener. Es el producto que exhibe mayor control en el tiempo bombeable .

Cloruro de sodio (NaCl)

Acta 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.

Sulfato de calcio (CaSO4)Es un material que por s mismo posee caractersticas cementantes y tiene fuerte influencia en expan- dir el cemento fraguado; como acelerador se dosifica basndose en el tiempo que se desea y la temperatura a la cual va a trabajar. Su concentracin vara del 50 al 100% por peso del cemento.

9eSardadores del traguado del cemenSo

Son aditivos qumicos que incrementan el tiempo de fraguado inicial y brindan la posibilidad de trabajar el cemento en un amplio rango de temperatura y presin.

Como la aceleracin, los mecanismos para retardar el fraguado del cemento Portland son an materia de controversia. As han surgido varias teoras que intentan explicar el proceso retardante. stas son: de la adsorcin, la precipitacin, la nucleacin y la complejidad. Consideran dos factores: la naturaleza qumica del retardador y la fase del cemento (silicato o aluminato) sobre la cual acta el retardador.

Los retardadores ms conocidos son los lignosulfonatos de calcio y los cromolignosulfonatos de calcio, as como otros que son mezclas qumicas. Unos trabajan a temperaturas bajas y otros a temperaturas altas. Su dosificacin es de 0.1 a 2.5% por peso de cemento.

Los retardadores ms empleados son:

Lignosulfonatos

Se componen de sales de cidos lignosulfnicos de sodio y calcio. Son polmeros derivados de la pulpa de la madera. Usualmente son compuestos no refi- nados y contienen varias cantidades de compuestos sacaroides con un peso promedio molecular que vara de 20,000 a 30,000.

Debido a que los lignosulfonatos purificados pier- den mucho poder retardante, la accin retardante de esos aditivos se atribuye a la presencia de carbohidratos de bajo peso molecular.

Los retardadores de lignosulfonatos son efectivos con todos los cementos Portland y se dosifican de1.1 a 1.5 % por peso de cemento.

Son efectivos hasta 250 F (122 C) de temperatura de circulacin en el fondo del pozo (BHCT) y hasta @00 F (315 C) cuando se mezclan con borato de sodio.

Hasta el momento se ha comprobado que los retardadores de lignosulfonatos afectan principalmente la cintica de la hidratacin de C3S; sin embargo, sus efectos sobre la hidratacin del C3A no son significativos.

cidos hidroxilcarboxlicos

Los cidos hidroxilcarboxlicos contienen grupos hidroxlicos (OH) y carboxlicos (CHn) en su estructura molecular. Son retardadores poderosos y se aplican en un rango de temperatura de 200 F (@3 C) a 300 F (14@ C).

Otro cido hidroxilcarboxlico con un fuerte efecto retardante, es el cido ctrico. ste tambin es efectivo como dispersante de cemento y normalmente se usa en concentraciones de 0.1 a 0.3% por peso de cemento.

Los cidos de hidroxilcarboxlico de manera similar que los lignosulfonatos actan ms eficientemente con cementos de bajo contenido de C3A.

Compuestos sacridos

Los sacridos son excelentes retardadores del cemento Portland.

Se usan ocasionalmente en la cementacin de pozos, por ser muy sensibles a pequeas variaciones en sus concentraciones.

Derivados de la celulosa

Los polmeros de la celulosa son polisacridos derivados de la madera o de otros vegetales. Son estables a las condiciones alcalinas de la lechada de cemento.

El retardador celulsico ms comn es el carboximetil hidroxietil celulosa (CMHEC). Es efectivo a temperaturas superiores de 250 F (120 C).

Tambin la CMHEC se usa como agente de control de prdida de fluido; adems, incrementa significativamente la viscosidad de la lechada. Organofosfonatos Se aplican a temperaturas de circulacin tan altas como400 F (204 C). Presentan insensibilidad a variacionessutiles en la composicin del cemento, y tienden a bajar la viscosidad de lechadas densificadas.

9educSores de triccin {dispersanSes

Son productos que ayudan a obtener con gastos bajos de bombeo el rgimen turbulento. Reducen la friccin entre granos, y entre stos y las paredes.

De acuerdo con varias investigaciones realizadas en diferentes pases se ha demostrado que la mayor eficiencia en la limpieza del lodo del espacio anular se logra en rgimen turbulento; es decir, cuando la lechada de cemento y los colchones de limpieza se

desplazan a una velocidad tal que corresponda a un nmero de Reynolds de 3000 a 4000 o mayor, en funcin de sus caractersticas reolgicas: n' = ndice de comportamiento de flujo y k' = ndice de consistencia.

Generalmente, son sales de cidos grasos y se dosifican del 0.2 al 2.5% por peso de cemento.

Lechadas de cemenfo

Las lechadas de cemento son suspensiones altamente concentradas de partculas slidas en agua.

El contenido de slidos de una lechada de cemento puede llegar hasta un 70%.

La reologa de la lechada de cemento est relacio- nada con la del lquido de soporte, la fraccin volumtrica de los slidos (volumen de partculas/ volumen total) y la interaccin entre las partculas.

En una lechada de cemento, el fluido intersticial es una solucin acuosa de varias clases de iones y aditivos orgnicos. Por lo tanto, la reologa de la lechada difiere de la reologa del agua.

Los slidos en una lechada estn en funcin directa a su densidad.

Las interacciones de las partculas dependen principalmente de la distribucin de las cargas superficiales. Los dispersantes del cemento, tambin conocidos como "superplastificadores", ajus- tan las cargas superficiales de las partculas para obtener las propiedades reolgicas deseadas de la lechada (figura 3)

lonizacin superticial de las par- Sculas del cemenSo en un medio acuoso

-Si - OH + OH- -Si - O- + H2OLos iones libres de calcio en la solucin reacciona- rn con los grupos cargados negativamente sobre la superficie de los granos. Un ion de calcio puede unirse a dos grupos, Si-O- los cuales pueden estar en un mismo grano o en dos granos diferentes.

El puenteo entre dos granos se debe a que el rea superficial del cemento es grande y compiten por los iones de calcio entre los sitios de adsorcin. Una parte de los granos del cemento puede estar cargada positivamente, debido a la adsorcin de calcio, mientras que otra parte est cargada negativamente; como resultado, ocurren las interacciones entre las porciones cargadas positivamente.

Viscoplasticidad de las lechadas de cemento y mecanismo de dispersin

Cuando se mezcla cemento en polvo y agua se forma una estructura de gel en toda la lechada, que impide flujos con esfuerzo cortante menor al esfuerzo de corte dado por el valor de cedencia. Esto es resultado de la interaccin electrosttica entre las partculas. A esfuerzos de corte menores al valor de cedencia, la lechada se comporta como un slido. Esto puede originar algunas deformaciones finitas,

La hidrlisis de algunos compuestos orgnicos e inorgnicos condu- cen a su ionizacin y, por consi- guiente, a cargas superficiales. ste es el caso de la slice que forma la mayor parte de los elementos del cemento, y cuya frmula es:

Figura 3 Interaccin de partculas.

de compresin o, eventualmente, de deslizamiento, pero no fluye.

Arriba del valor de cedencia, la lechada se comporta como un lquido comprendido en el modelo Bingham, con viscosidad plstica bien definida.

l e d sa r u t c eL (e t ro cde dad i co l eVVelocidad de corte (Lecturas del disco)Como se puede ver en la figura 4, experimentalmen- te, las curvas de esfuerzo cortante y velocidad de corte son aproximadamente lineales; la pendiente de la lnea es la viscosidad plstica y su ordenada al origen es el valor de cedencia.

cemento solo

Cemento disperso

Velocidad de corte (r.p.m.) .

Sin embargo, la "viscosidad aparente", representa- da por la relacin entre el esfuerzo de corte/velocidad de corte, no es una constante; en su lugar sta disminuye con el incremento del esfuerzo de corte.

Una vez que el valor de cedencia es rebasado, la lechada ya no se comporta como unidad: se rompe en partes y agregados de partculas que se mueven entre unas y otras. Estos agregados contienen agua intersticial, lo que da como resultado que el volumen efectivo de la fase dispersa sea mayor que el volumen de los granos de cemento.

El volumen de la fase dispersa es el factor clave para determinar la reologa de la dispersin. Por ejemplo, en el primer orden de anlisis ste conduce a la relacin de Einstein.

m = mo(1 + 2.5 fs)

La viscosidad de una dispersin (m), hecha con un fluido base de viscosidad (mo), depende solamente

de la fraccin de volumen (fs) ocupado por la fase dispersa.

En modelos ms sofisticados, para dispersiones concentradas, la fraccin de volumen de la fase dispersa determina el parmetro.

Un grupo hidrolizado silcico o alumnico sobre la superficie de los granos del cemento (-Si- -O-- + Ca+) lleva cargas negativas, las cuales pueden adsorberse sobre los iones de calcio.

Las partculas de cemento se tornan uniformemente con cargas negativas. Este efecto puede observarse midiendo el potencial Z, que es una funcin de las cargas electrostticas de las partculas de una suspensin de cemento diluido.

En el caso de polmeros no inicos y para algunas extensiones con polielec- trolitos, la repulsin de las partculas puede asegurarse mediante mecanismos diferentes a la repulsin electrosttica.

Las contribuciones entrpicas y entlpi- cas pueden impedir el enlace desorde- nado de los polmeros, evitando as elcontacto cerrado entre dos partculas cubiertas por una capa de polmero adsorbido.

Composicin qumica de los dispersanfes del cemenfo

Los sulfonatos son los dispersantes ms comunes del cemento.

Generalmente, los materiales preferidos para la cementacin tienen de 5 a 50 grupos de sulfonatos adheridos a un gran polmero ramificado.

Los polmeros ramificados son los ms deseables debido a su rango de concentracin, con lo cual pueden puentear dos partculas mucho ms pequeas.

El sulfonato de polinaftalina (PNS o NSFC) es un producto condensado del sulfonato b -naftalina y formaldehdo-. Tiene una alta variabilidad en el grado de ramificacin y de su peso molecular.

La representacin comercial de este producto es en forma de polvo o solucin acuosa al 40%.

Para una dispersin de lechada de agua dulce, normalmente se requiere de 0.5 al 1.5% por peso de cemento activo.

Para lechadas que contienen NaCl se requieren concentraciones tan altas como el 4% por peso de cemento.

La habilidad de dispersin del PNS es muy variable, lo cual depende del cemento.

Generalmente, el PNS es el dispersante ms utiliza- do en la cementacin de pozos. Aunque los lignosulfonatos frecuentemente son los ms empleados como dispersantes en las formulaciones de lodos de perforacin, pero tambin son efectivos en las lechadas de cemento.

El PNS y los lignosulfonatos actan simultneamente como retardadores, por lo cual no pueden usarse a bajas temperaturas. Otros derivados de la lignina, tal como las ligninas del cido carboxlico, son ms efectivos como dispersantes del cemento que las ligninas del cido sulfnico, aunque stas tambin retardan el fraguado.

Los derivados de la lignina se obtienen de subpro- ductos de la industria del papel, son baratos y tienden a ser qumicamente indefinidos.

Otros dispersantes efectivos del cemento son los sulfonatos de poliestireno, pero debido a su alto cos- to, se emplean poco.

Los poliacrilatos y los copolmeros, tales como el sulfonato de estireno o anhdrido malico, tambin tienen buenas propiedades fluidizantes. Se usan conjuntamente con compuestos inorgnicos tales como los lcalis metlicos o sales de amonio, carbonatos, bicarbonatos, oxalatos, silicatos, aluminatos y boratos.

Los polisacridos hidroxilatados de bajo peso molecular tienen propiedades dispersantes cuando estn formados por hidrlisis del almidn, celulosa o hemicelulosa. Otros polmeros no inicos como los derivados de la celulosa, polmeros de xido de etileno, alcohol polivnilico y polialcohol, tambin tienen propiedades dispersantes pero ellos retardan el fraguado.

Algunos productos qumicos como los cidos hidroxilcarboxlicos, tambin tienen propiedades dispersantes pero son fuertes retardadores del fraguado. Un ejemplo de stos es el cido ctrico el cual se usa a menudo en sistemas de cemento salado.

9eologa de las lechadas dispersas

La lechada con suficiente dispersante tiene como valor de cedencia cero y se comporta como un fluido newtoniano; de aqu se puede inferir que el valor de la cedencia vara de acuerdo con la concentracin del dispersante.

Con PNS el valor de cedencia empieza a incremen- tarse con la concentracin de dispersante y decrece escalonadamente a cero.

Cuando existen concentraciones bajas de dispersante hay un exceso de sitios cargados positivamente.

El mximo valor de cedencia refleja el punto de mxima interaccin de las partculas cuando existe un balance exacto entre los sitios cargados positiva y negativamente.

En concentraciones de dispersante ms altas, las superficies de los granos son completamente cubiertas por cargas negativas; consecuentemente, el valor de cedencia es cero debido a la repulsin electrosttica.

El efecto de los dispersantes sobre la viscosidad de las lechadas de cemento es diferente del observado con el valor de cedencia; aunque la interaccin electrosttica entre las partculas del cemento se incrementa inicialmente con la concentracin de dispersante, el tamao de las partculas agregadas empieza a decrecer inmediatamente. En consecuencia, el volumen de agua inmovilizada decrece y la viscosidad de la lechada tambin decrece continuamente con la concentracin de dispersante (figura 5).

AsenSamienSo de las parSculas y agua libre

Como efectos laterales de la adicin de dispersantes, la lechada puede mostrar sedimentacin, tener un gradiente de densidad uniforme de la cima al fondo de un contenedor, mostrar agua libre, o bien, tener una capa de fluido sin carga de partculas slidas sobre la parte superior de la lechada. Es posible que

Sistema FloculadoSistema DispersoSistema floculadoSistema disperso Figura 5 Sistemas floculado y disperso.en la parte superior se tenga agua libre y exista una lechada homognea en el fondo; tambin es posible que ocurra la sedimentacin sin desprendimien- to de agua libre.

Agua libre

Cuando las partculas del cemento estn en suspensin no se encuentran completamente dispersas, e interactan a travs de fuerzas electrostticas que forman una estructura floculada que soporta el peso de una partcula dada. Si el espacio anular en el pozo es suficientemente estrecho, el peso de las partculas se transmite a las paredes y la lechada se soporta a s misma.

Es raro que lo descrito ocurra, consecuentemente el peso de las partculas del cemento se transmite al fondo a travs del gel y ocurre la deformacin de la estructura. El agua es forzada a salir de la porcin ms baja de la lechada y se acomoda en las capas superiores que sufren el menor esfuerzo.

La habilidad de las capas superiores para acomodar el agua adicional es limitada; as, una capa de agua puede formarse en la cima de la lechada, como se muestra en la figura @.

SedimenSacin

Los dispersantes suprimen las interacciones entre las partculas del cemento por la neutralizacin de los sitios cargados positivamente. Cuando el proceso se termina, las partculas se repelen entre s a travs de interacciones de doble capa. El rango de accin de estas fuerzas es muy corto debido a la alta

Figura 6 Agua libre, sedimentacin y segregacin.

ionizacin del medio, de tal forma que las fuerzas repulsivas permiten el empacamiento uniforme de las partculas. En una lechada completamente dis- persada, las partculas se encuentran libres para moverse y libres para caer en el campo gravitacional y as colectarse en el fondo del contenedor. En la realidad esta situacin ideal nunca ocurre; en su lugar se establece un gradiente de densidad.

El fenmeno descrito se explica a travs de tres propuestas, las cuales comprenden el concepto de polidispersin de las partculas y que, sin importar su tamao, se comporten de manera diferente.

Las tres propuestas son:

1. Las partculas ms pequeas an no se han asentado.2. Las partculas ms pequeas estan prevenidas del asentamiento por movimiento browniano.3. El gel floculado no sea lo suficientemente fuerte para soportar las partculas ms grandes.

9revencin del agua libre y la sedimenSacin de la lechada

Cuando el pozo est altamente desviado y horizontal no acepta columnas de cemento heterogneas, pues se requiere suficiente fuerza mecnica del cemento fraguado y un aislamiento ms apropiado de las zonas.

Un estudio minucioso con una grfica del agua libre y valores de cedencia contra la concentracin del dispersante revela que, con un rango entre 0.2 y 0.3% por peso de cemento, la lechada es lo suficientemente fluida y estable.

En el campo, el control de la concentracin del aditivo en un rango tan estrecho es difcil. As, los agentes antiprecipitacin son a menudo adicionados para ampliar el rango de concentracin dentro del cual bajan los valores de cedencia y puede originarse agua libre.

Los agentes antiprecipitacin son materiales que res- tauran parte del valor de cedencia, a un nivel compatible con las condiciones de bombeo y la presin de friccin, donde la formacin del pozo puede soportar.

La bentonita se puede emplear para reducir el asentamiento de la lechada. sta absorbe grandes cantidades de agua, y as la lechada se mantiene homognea.

Varios polmeros solubles en agua reducen la sedimentacin mediante el incremento de la viscosidad del agua intersticial. Los materiales usados ms comnmente son derivados celulsicos, tal como el hidroxietil celulosa.

El agua de mar y los silicatos pueden mejorar la estabilidad de la lechada; adems algunas sales met- licas tales como NaCl2 y MgCl2 construyen dbiles, pero extensas estructuras de hidroxilos a travs del volumen de la lechada.

La eficiencia de los aditivos antiprecipitacin se puede evaluar midiendo el gradiente de densidad en una columna de cemento fraguado.

Para hacerlo, se coloca con la lechada en una pro- beta y se deja fraguar. De la cima, parte media y del fondo de la columna se extraen obleas de cemento fraguado.

La diferencia en peso entre las obleas da un ndice del grado de sedimentacin de la lechada.

9educSores del tilSrado

El control de filtrado es un factor de vital importan- cia en la cementacin de tuberas de revestimiento y en las cementaciones forzadas para colocar el cemento en el lugar deseado, sin que sufra deshidra- tacin fuerte al pasar por zonas permeables o bien al estar forzando la lechada.

Generalmente, los reductores de filtrado son pro-

ductos derivados de celulosa y se dosifican del 0.3% al 1.5%, por peso de cemento. El valor de filtrado estipulado por el API vara de acuerdo con el tipo de operacin y es como sigue:

Cementacin de T.R. = no mayor de 200 cm3 Tubera corta = no mayor de 50 cm3 Cementacin forzada = de 30 a 50 cm3

El valor del filtrado API se mide en cm3 a 30 minutos bajo una presin diferencial de 1000 psi.

Cuando una lechada de cemento se coloca a travs de una formacin permeable bajo presin ocurre el proceso de filtracin. La fase acuosa de la lechada escapa al interior de la formacin y deja las partculas slidas detrs. Este proceso se conoce comnmente como filtrado.

Si el filtrado no se controla puede afectar seriamen- te el trabajo que se est realizando. A medida que la fase acuosa decrece, la densidad de la lechada se incrementa. Como resultado, el comportamiento de la lechada diverge del diseo original (reologa, tiempo de espesamiento). Si es mucho el fluido filtrado a la formacin, la lechada no se puede bombear.

El API marca un filtrado para las lechadas de cemento solo, del orden de 1500 cm3 /30 min. En la mayora de las operaciones se requiere mantener un valor de filtrado menor de 50 cm3 /30 min para un trabajo adecuado de la lechada, por ello se emplean materiales conocidos como agentes de control de filtrado, los cuales estn incluidos en el diseo de la lechada.

Actualmente, los mecanismos exactos mediante los cuales operan los agentes de control de filtrado no son completamente conocidos aunque se supone que existen varios procesos. Una vez iniciado el filtrado a travs de la formacin, un enjarre de los slidos del cemento es depositado sobre la cara de la formacin. Los agentes de filtrado disminuyen la velocidad de filtracin reduciendo la permeabilidad del enjarre y/o incrementando la viscosidad de la fase acuosa.

Existen dos clases principales de aditivos para el control de filtrado:

Materiales slidos con partculas finamente divididos. Polmeros solubles en agua.

La naturaleza qumica y fsica de cada tipo de material y sus mecanismos hipotticos se explican a continuacin.

MaSeriales pulverizados

El primer agente de control de filtrado empleado para lechadas de cemento fue la bentonita, en 1@4@. Debido al tamao pequeo de sus plaquetas, la bentonita puede entrar al enjarre y alojarse entre las partculas de cemento, como resultado la permeabilidad del enjarre decrece. Adems, para determinar el filtrado se usan sistemas particulares tales como el polvo de carbonato, asfaltos, resinas termoplsticas, etc.

El ltex es un excelente agente de control de filtrado. Forma redes entre sus molculas por ser polmeros emulsionados. Usualmente se suministra como una suspensin lechosa, de partculas esfri- cas pequeas del polmero (generalmente entre 200 y 500 um de dimetro). La mayora de las dispersiones de ltex contienen aproximadamente 50% de slidos. Como la bentonita, contiene partculas tan pequeas que pueden taponar fsicamente los poros en el enjarre del cemento.

Las redes ms comunes para cementos petroleros son las de cloruro de vinilo, acetato de polivinilo y ms recientemente el butadieno del estireno. Los primeros dos materiales estn limitados a temperaturas menores de 122 F (50 C). El ltex de butadieno del estireno ha sido aplicado a temperaturas hasta de 350 F (17@ C).

9olmeros solubles en agua

A principios de 1@40, los polmeros solubles en agua se emplearon como agentes de filtracin en la perforacin.

Actualmente, estos materiales se usan extensiva- mente como agentes de control de filtrado en lechadas de cemento para pozos. Generalmente, operan simultneamente incrementando la viscosidad de la fase acuosa y disminuyendo la permeabilidad del enjarre.

La viscosidad de una solucin de polmeros depende de su concentracin y peso molecular. Por ejemplo, una solucin al 2% de hidroxietil celulosa de bajo peso molecular puede tener una viscosidad de 500 cp, pero

la viscosidad de una solucin igualmente concentra- da de HCE de alto peso molecular puede ser tan alta como 50,000 cp. La alta viscosidad debiera elevar la velocidad de filtracin; sin embargo, esta estrategia por s sola no puede ser confiable para proporcionar un control de filtrado, debido a que el mezclado de la lechada sera imposible.

La reduccin de la permeabilidad del enjarre es el parmetro ms importante observado en el control del filtrado. Cuando una lechada con suficiente agente de control proporciona una velocidad de filtrado API de 25 cm3 /30 min, el enjarre resultante es aproximadamente 1000 veces menos permeable que el obtenido con una lechada de cemento solo; consideran- do que el incremento de viscosidad del agua intersticial es cinco veces mayor, como se muestra en la tabla 1:

ADITIVOPERM.Enj.(md)VISC. FILT.REL. EFIC.FILT.(cm3/30 min)

S/A5100111600

A 0.35%9242.240.280450

A 0.60%1404.480.077173

A 0.80%6.13.700.01845

A 1.00%4.93.320.01720

B 0.30%7703.100.217300

B 0.80%5.14.800.01426

B 1.30%1.32.300.01112

C 0.08 GPS18251.010.596240

C 0.20 GPS211.050.05843

C 0.40 GPS152.050.03814

Tabla 1

El tamao de los poros en el enjarre del cemento puede evaluarse empleando un porosmetro de mer- curio. La distribucin de tamao tpico muestra el dimetro medio que es de 1 mm.

El radio de giro tpico de una molcula de polmero es menor de 1000 A (0.1mm); de tal manera que los conjuntos de molculas debern ser suficientemente grandes como para obstruir u obturar un poro en el enjarre.

Los polmeros solubles en agua pueden formar agregados coloidales adheridos dbilmente en la solucin, los cuales son suficientemente estables para el acuamiento y la constriccin del enjarre. Tales polmeros pueden tambin adsorberse sobre la superficie de los granos del cemento y, de esta manera, reducir el tamao de los poros. Probablemente, una superposicin de estos dos fenmenos, adsorcin ms

agregacin, es el mecanismo real de accin de los agentes de filtracin polimricos.

Las lechadas de cemento que contienen polmeros solubles en agua deben ser bien dispersadas para obtener ptimo control de la filtracin. Los polmeros aromticos sulfonados o sales son casi siempre adicionados en conjunto con estos materiales.

Como se explic, los dispersantes mejoran el acomo- do o empacamiento de los granos del cemento (y tal vez los agregados de polmero) en el enjarre. Por otro lado, los dispersantes reducen la permeabilidad del enjarre del cemento y pueden proporcionar algn grado de control de la filtracin en s mismos.

Derivados de la celulosa

El primer polmero usado como aditivo de control de filtrado fue una protena (polipeptina) extrada de frijol de soya. Recientemente, la etilendiamina carboximetil celulosa y otros derivados de la celulosa fueron introducidos. A finales de los aos 50 la carboximetil hidroxietil celulosa (CMHEC) fue intro- ducida como un aditivo de la filtracin para las lechadas de cemento y an es ampliamente usado. Recientemente, la ejecucin de la CMHEC se ha me- jorado. Se han ajustado el grado de sustitucin (DS) de 0.1 a 0.7 (carboximetil) y la proporcin mol (MS) de xido de etileno a anhidro glucosa aproximadamente de 0.7 a 2.5. El agente ms comn para el control de filtrado celulsico es la hidroxietil celulosa (HEC), con un grado de sustitucin entre 0.25 y 2.5.

Todos los aditivos celulsicos de filtrado tienen cier- tas desventajas, pues como suelen ser efectivos viscosificantes del agua, pueden incrementar la difi- cultad del mezclado de la lechada y causar viscosidad indeseable en la lechada del cemento.

A temperaturas menores de 150 F (@5 C), los aditivos de filtrados celulsicos son retardadores eficientes; se debe tener cuidado para evitar el sobre retardamiento de la lechada. Tambin la eficiencia de los polmeros celulsicos decrece a medida que se incrementa la temperatura. Los agentes de control de filtrado celulsico no se usan a temperaturas de circulacin arriba de 200 F (@3 C).

9olmeros sinSSicos no inicos

El polivinil pirolidn (PVP) puede emplearse con

formaldehdo de naftalen sulfonato condensado como dispersante. Tambin se usa para mejorar el control de filtrado cuando se le adiciona CMHEC o HEC.

Las mezclas complejas que contienen polivinil pirolidn, anhdrido malico - N - vinil pirolidn copolmero y poli (aril vinil benzil) cloruro de amonio que es un policatin, son efectivos aditivos de control de filtrado. Adems, el N - vinil pirolidn puede ser copolimerizado con estiren sulfonato para formar un producto con propiedades satisfactorias de control de filtrado.

El alcohol polivinlico (PVAL) se usa frecuentemente como aditivo de control de filtrado.

Este material es efectivo para aplicaciones a bajas temperaturas, aproximadamente de 100F (38C) y menores, debido a que no tiene efecto retardante a temperaturas mayores y es compatible con los aceleradores tales como el cloruro de calcio.

9olmeros sinSSicos aninicos

Los grupos ms importantes de aditivos de filtracin de polmeros aninicos estn compuestos de polmeros cortos, derivados de la acril amina (AAm). La poli acrilamina es no inica y no se usa sola en lechadas de cemento.

Los copolmeros de acrilamina muy a menudo descritos en literatura de patente, contienen un monmero sulfonado: 2-acrilamida-2-cido metil propano sulfnico (AMPS).

Para producir agentes de control de filtrado la AMPS ha sido copolimerizada con los materiales siguientes:

Acrilamida N,N-dimetilacrilamida (NNDMA)

Los terpolmeros de la AMPS se usan como se describe:

AMPS + AAm + cido itacnico (IA) AMPS + AA + N-metil-N-vinil acetamida (NMVA) AAm + vinil sulfonato + NMVA AA(AAm) + NMVA + AMPS

La AMPS tambin puede ser parte de un copolmero o un terpolmero solos o injertados a la columna vertebral de una lignina, asociado con acrilo nitrilo,

NNDMA o AA. Estos polmeros complejos trabajan eficientemente como agentes de control de filtrado en lechadas saladas.

Los polivinil aromticos sulfonados, tal como el poliestireno sulfonado (SPS) y el polivinil tolueno sulfonado (SPVT), han sido identificados como bue- nos agentes de control de filtrado. Una mezcla de SPVT, PNS y un copolmero sulfonado de estireno y anhdrido malico es efectivo en sistemas de cemento salado.

9olmeros CaSinicos

La polietilenamina es un ejemplo de un polialquil poliamina, mismo que ha sido ampliamente usado como aditivo de filtracin.

El rango del peso molecular dentro del cual la polietilenamina es efectiva: de 10,000 a un milln. Su estructura es probable que est ampliamente

diferenciales de 500 psi (750 psi con 250 psi de contrapresin).

Una notable desventaja de la polietilenamina es su tendencia a promover la sedimentacin de la lechada. Aunque la sedimentacin es previsible, el diseo de la lechada puede dificultarse.

La polialilamina ha sido reportada por Roark como un efectivo agente de control de filtrado. En lugar de ser parte de la columna vertebral, el grupo amina es derivado de sta.

Este material puede ser ligeramente cruzado para disminuir la sedimentacin de la lechada. La tabla siguiente muestra el control de filtrado ejecutado con la polialilamina de dos pesos moleculares.

PESO MOLECULARFILTRADO API cm3/30 min

ramificada; de tal forma que los tres tipos de grupo aminas (primarias, secundarias y terciarias) debern estar presentes en la cadena.

10.000150.000

121142

El dispersante PNS debe estar presente con la polietilenamina para obtener un control de filtrado significativo. Entre los dos polmeros se forma una asociacin insoluble para crear partculas, las cuales proporcionan el control de filtrado.

La ventaja principal de la polietilenamina como un agente de filtrado es su efectividad a altas temperaturas. Proporciona un excelente control de filtrado a temperaturas de circulacin tan altas como 43@F(225C), como se muestra en la tabla 2:Las pruebas de filtrado se han corrido a presiones

FLA% PPCPNS% ppcILMENITAlb/sacoPESO LECHADAlb/galTEMP (F)FILT.Cm3

0.10.5-16.229020

0.10.5-16.231530

0.130.5-16.233718

0.151.0-16.82998

0.151.5-19.038034

0.151.5-20.037040

0.181.0517.434230

0.181.03018.237090

0.181.02518.040078

0.21.29519.243616

0.251.57019.038010

0.251.57019.038011

Tabla 2

En esta tabla se muestra la comparacin del filtrado de dos pesos moleculares diferentes. Con polmeros polialilamina, adicionados al 2% ppc con 0.@@% de lignosulfonato, las pruebas de filtrado se ejecutaron a 150 F (@@ C) usando cemento clase G.

Diversos radicales de amonio cuaternario o monmeros sulfonados pueden ser copolimerizados con varios materiales para obtener efectivos agentes de control de filtrado.

A continuacin se describen varios productos de este tipo:

Cloruro alquil amonio o cloruro sulfnico Cloruro dimetil dialil amonio Cloruro metacrilamida propil trimetil amonio

El alquil amonio y los cloruros sulfnicos son copolimerizados con vinilbenzeno para obtener poliaril-vinilbenzeno alquilamonio o cloruros sulfnicos. El DMDAAC es copolimerizado con cido acrlico (AA) o cido metacrlico. El MATAC es copolimerizado con sulfonato de estireno (SS) o acrilamida (AAm), tales materiales son polmeros amfolticos cargados negativamente y positivamente a pH tan altos como la fase acuosa de una lechada de cemento Portland.

9educSores de densidad

Los reductores de densidad incrementan el ren- dimiento y reducen la densidad de la lechada. Tie- nen la habilidad de manejar grandes volmenes de agua. Esta caracterstica se aprovecha cuando se desean cubrir columnas largas con cemento, sin llegar a rebasar la presin de fracturamiento, pues al usar grandes volmenes de agua, se reduce la densidad de la lechada; adems, son mezclas ms econmicas.

Estos productos reducen la resistencia a la compresin inmediata, por lo mismo, debe tenerse mucho cuidado al emplearlos en operaciones prcticas de campo para no dosificarlos en concentraciones que den valores de resistencia a la compresin inferio- res a los 35 kg./cm2, mnimo estimado para cementos con aditivos en 24 horas para soportar la tubera de revestimiento.

Los agentes que se usan comnmente son:

1. Bentonita

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 cemen- to (ppc) sin que perjudique al producto fraguado, dado que en concentraciones mayores el cemen- to hidratado presenta en corto tiempo una regresin de su resistencia a la compresin por la alta hidroscopa de la bentonita presente.

2. Puzolana

Son cenizas volcnicas que por s solas no tienen caractersticas cementantes, pero que mezcladas con el cemento, reaccionan con la cal libre de ste y las adquieren.

El cemento fraguado que contiene puzolana contrae algunas caractersticas que son benficas, como:

Plasticidad, pues soporta vibraciones y golpes de tubera al seguir perforando.

Evita resquebrajamiento del anillo de cemento al efectuar los disparos en las zonas de inters.

Alta resistencia a la compresin secundaria.

Con esto, se demuestra la no-regresin de la resistencia mencionada, por efecto de temperatura mo- deradamente alta.

3. Metasilicato de sodio anhidro

Este expandidor es muy eficiente y econmico. Es compatible con el mayor nmero de aditivos qumicos; maneja un porcentaje variable de agua en funcin del porcentaje que se utilice. Se dosifica del 1 al 3% por peso de cemento.

Existen otros agentes reductores de densidad, tales como el spherelite o el kolite.

DensiticanSes

Son materiales qumicos inertes, de alto peso especfico y que manejan poco agua.Los densificantes comnmente empleados son:

1. Barita

Tiene un peso especfico de 4.23 gr/cm3 y requiere 22% de agua de su propio peso. No tiene influencia en el tiempo de bombeo, pero es recomendable correr pruebas de tiempo de espesamiento en cada caso. Se dosifica del 20 al 40% por peso de cemento, donde se desea usar una lechada de alta densidad.

2. Limadura de fierro

Este producto tiene un peso especfico de 5.02 gr/cm3 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 de lechada.

Otro procedimiento que se emplea para aumentar la densidad de lechada es reducir el agua de mezcla, adicionando un agente reductor de friccin para disminuir el efecto de incremento de viscosidad.

AgenSes de conSrol de regresin de la resisSencia a la compresin {harina de slice

Estos agentes evitan la regresin de la resistencia a la compresin por efectos de la temperatura. Son silicatos de alta pureza, con una textura que va de malla 100 a 325 para poder tener una distribucin grande y homognea 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 geotrmicos con temperaturas mayores (hasta de @00F (315C) se emplea harina de slice al 50% (malla 325).

AdiSivos especiales

Antiespumantes Agentes expandidores del cemento fraguado Debido a la velocidad con que se maneja el cemen-to en el campo cuando se est haciendo la lechada (aproximadamente 1 tonelada por minuto), el cemento tiende a mantener gran cantidad de aire. Esto propicia que el control de densidad de la misma sea errneo; asimismo, algunos de los productos qumicos ayudan a mantener el aire dentro de la mezcla y dificultan el trabajo de las bombas de alta presin con que se maneja sta para ser bombeada al pozo.

El problema se minimiza mediante el uso de los agentes antiespumantes, los que eliminan la mayor parte de burbujas de aire. Generalmente, son sales org- nicas cidas de solubilidad media y se dosifican del1.2 al 0.3% por peso de cemento.

Los antiespumantes son aditivos que dilatan el producto hidratado, sin que esto sea originado por efec- to de temperatura.

Los expandidores empleados comnmente son

Cloruro de sodio. Su mxima dilatacin se obtiene al 18% por peso de agua y a concentraciones mayores se obtiene ligera contraccin del cemento fraguado.

Cloruro de potasio. Este producto, adems de ser un eficiente estabilizador de arcillas, al 5% por peso de agua de mezcla exhibe la misma dilatacin que el 18% de cloruro de sodio en el cemento.

Otra caracterstica positiva del cloruro de potasio es que al 2% por peso de agua hace que el filtrado de las lechadas que lo contienen sea compatible con la mayora de los aceites, porque reduce considerable-

mente la tensin de la interface, evitando la formacin de emulsiones estables y el hinchamiento de las arcillas de la formacin.

Todas las expansiones de cemento obtenidas con cloruro de sodio y con cloruro de potasio son con- troladas. As no se presentan agrietamientos en el cuerpo del cemento.

Sulfato de calcio anhidro solo o combinado con cloruro de sodio. Se usa en la dilatacin del cemento fraguado del 3 al 5% por peso de cemento. Estas mismas concentraciones complementadas con cloruro de sodio al 18% por peso de agua, proporcionan mxima eficiencia en la expansin lineal.

9roblemas ms trecuenSes con las cemenSaciones

Baja eficiencia en el desplazamiento, que conduce a una pobre calidad de las cementaciones primarias Diseos de lechadas demasiado complejos, que se tornan altamente costosos y poco eficientes Bajo Porcentaje de xito en la colocacin de tapones balanceados Diversificacin de los cementos empleados, con pobre control de calidad. Prdida de circulacin Migracin de gas

III. CEMENTACIN PRIMARIA

Cmo obfener la informacin del pozo

Para lograr un buen desarrollo operativo en cada una de las etapas de la cementacin primaria se deben conocer conceptos tcnicos bsicos del tema. As, es necesario adentrarse en tpicos como:

Especificaciones de tuberas de revestimiento (TR) que se utilizan en el rea de trabajo Diseo de TR por cargas mximas Accesorios y equipos de flotacin para tuberas superficiales, intermedias, explotacin y comple- mentos Apriete computarizado Anclaje de las tuberas Lechadas de cemento para las diferentes cementaciones Empacadores recuperables y permanentes Manejo de H2S y CO2 en las cementaciones Uso de empacadores en tuberas de explotacin.

La informacin del pozo se consigue de su expe- diente y es la base para disear la sarta de la tubera de revestimiento por cementar. Con la informacin del diseo, el ingeniero de campo verifica en el pozo que los materiales recibidos correspondan al dise- o. Aqu se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:

Revisar especificaciones de los accesorios (tipo, marca, grado, peso y dimetro) Verificar circulaciones y reologa del fluido de control Revisar probables resistencias con la barrena. Verificar que el volumen de lodo sea suficiente para la operacin de cementacin, tomando en cuenta probables prdidas Realizar entrevista con el ingeniero de proyecto, para verificar las condiciones del pozo:

. Tiempo de circulacin, presin y gasto. Dimetro de combinaciones que se van a utilizar. Densidad del lodo de entrada y salida (reologa). Peso de la polea viajera durante la introduccin de la TR para verificar su peso. Condiciones de las bombas de lodo (dimensio- nes, camisa, pistn y eficiencia). Debe asegurarse que las lneas superficiales que- den limpias de slidos para el buen suministro de agua y lodo.

Cemenfacin de las diferenfes fuberas de revesfi- mienfo

Es importante contar con un manual de procedimientos operativos que facilite y sirva de gua a los inge- nieros de nuevo ingreso; asimismo normar operaciones para que en lo sucesivo se realicen como se indica y tratar de evitar problemas durante la operacin en los pozos.

El objetivo principal es presentar la secuencia operativa que se ha de seguir en las cementaciones de las tuberas para mejorar la eficiencia en la operacin de campo, disminuir los problemas que se presentan, el cuidado en el entorno ecolgico y el ahorro de nuestros recursos econmicos.

CemenSacin de Suberas de revesSimienSo super- ticiales

La funcin principal de la cementacin de estas tuberas es aislar formaciones no consolidadas y evi-

tar la contaminacin de mantos acuferos que se en- cuentren a profundidades someras; mantener el agujero ntegro y evitar la probable migracin de aceite, agua y gas de alguna arena productora superficial, adems de permitir la continuacin de la etapa de perforacin. Es importante sealar que se incluye en las tuberas de revestimiento superficiales a la tubera conductora. Su funcin principal es la de permitir la circulacin y evitar derrumbes de arenas poco consolidadas, adems de ser el primer medio de circulacin de lodo a la superficie. Esta tubera de revestimiento puede cementarse o hin- carse segn lo permita el terreno. Los rangos de estas TR superficiales van de @ 5/8" a 30". El filtrado promedio (Q30 ) es de 150-200 cm3/30 min.

En esta etapa se instalan los preventores para el control del pozo. Uno de los problemas que frecuentemente se encuentra en esta etapa es el bajo gradiente de fractura. Para esto hay que tener un buen diseo de lechada y evitar en la cementacin una prdida de circulacin; as tambin hay que evitar el colapso de la tubera de revestimiento debido a la carga hidrosttica generada por la lechada en el espacio anular.

Las bajas temperaturas de la formacin prolongan los tiempos de fraguado del cemento; adems, la irregularidad del agujero por condiciones del tipo de formacin dificulta durante la operacin obtener una eficiente remocin del lodo.

CemenSacin de Suberas de revesSimienSo inSerme- dias

Esta tubera es necesaria para mantener la integri- dad del pozo al continuar la perforacin para pro- fundizarlo. Sus rangos de dimetro varan de @ 5/8" a 13 3/8" y su profundidad de asentamiento vara de 300 a 4,@00 m. Normalmente es la seccin ms larga de las tuberas en el pozo y van corridas hasta la superficie, por lo cual los preventores se instalan en estas tuberas para perforar las siguientes etapas. Estas sartas generalmente se emplean para cubrir zonas dbiles que pueden ser fracturadas con densidades de lodo mayores, que son necesarias al profundizar el pozo y as evitar prdidas de circulacin. Tambin aslan zonas de presiones anor- males y la cementacin se puede realizar con una sola lechada o con dos diseos si el pozo y el gradiente de fractura lo requieren. Su filtrado (Q30) es de 100 - 150 cm3/-30 min.

CemenSacin de Suberas de revesSimienSo de explo- Sacin

La sarta de explotacin es el propio pozo y la profundidad de asentamiento de esta tubera es uno de los principales objetivos.

Esta tubera sirve para aislar los yacimientos de hi- drocarburos de fluidos indeseables, pero deben con- servar la formacin productora aislada. Es, tambin, el revestimiento protector de la sarta de produccin y otros equipos usados en el pozo.

La cementacin de esta sarta de tubera es objeto de cuidados minuciosos debido a la calidad exigida y a los atributos requeridos para considerarse como una operacin exitosa.

El aislamiento eficiente de esta tubera nos permite efectuar apropiadamente tratamientos de estimulacin necesarios para mejorar la produccin del pozo.

IV. DICEO DE LABORATORIO Y RECOMENDA- CIONEC GENERALEC

Diseo de laboraforio

Todos los procedimientos de pruebas de laboratorio son establecidos por el American Petroleum Institute (API) en sus especificaciones Spec 10, 10A y 10B y en funcin de la Normatividad de Materiales que se van a emplear.

Tubera conducfora

Para la cementacin de la tubera conductora los re- querimientos son mnimos, debido a la poca profundidad de asentamiento de esta sarta (promedio 50m). De hecho, nicamente dos factores deben cumplirse:

1. El tiempo de bombeo, el cual debe ser suficiente para efectuar la preparacin de la lechada bombeando al pozo y el desplazamiento de la misma.

2..El desarrollo de la resistencia a la compresin a las 8 horas que debe ser mnimo de 105 kg/cm2 en condiciones ambientales de presin y temperatura.

Cuando hablamos del tiempo mnimo necesario para la operacin, consideramos el tiempo para hacer la lechada bombeando al pozo, a una velocidad de mezclado de 0.5 a 0.75 ton/min., ms el tiempo de desplazamiento a un gasto moderado de 4 a 5 bl/ min. y un factor de seguridad de 1 hora adicional.

Como se puede observar, ambos parmetros estn ntimamente ligados pues si controlamos el tiempo de bombeo, ajustado al mnimo necesario para efectuar con seguridad el trabajo, automticamente es- tamos favoreciendo el desarrollo de la resistencia a la compresin del cemento.

Cuando se emplea cemento clase G o H es posible que se requiera de un aditivo que acelere la velocidad de reaccin de hidratacin del cemento acor- tando el tiempo de bombeo y favoreciendo el desarrollo de la resistencia a la compresin, todo depende de la cantidad de cemento que se va a emplear. En estas operaciones generalmente se usa cemento solo y agua, como se mencion anteriormente, un aditivo acelerador para ayudar al desarrollo de compresin. Tambin se puede adicionar un frente lavador de agua sola, con pirofosfato tetrasdico, o, en su caso, cualquier frente lavador disponible co- mercialmente.

Tubera superficial

Para perforar la seccin del pozo donde se introdu- cen las tuberas superficiales, se emplean fluidos de control con densidades bajas, debido a que el agujero atraviesa zonas poco consolidadas que no so- portan cargas hidrostticas mayores.

En la cementacin de esta tubera de revestimiento se emplean generalmente dos lechadas de cemento:

Cna lechada exSendida con:

1. La mayor densidad posible sin perder de vista evitar fracturar la formacin.

Los silicatos de baja gravedad especfca por naturaleza y con alto requerimiento de agua, como: las puzolanas activadas, la esferelita, la kaolinita, la perlita, las tierras diatomacias o, en su defecto, el metasilicato de sodio anhidro que es un agente extendedor de lechada empleado para disminuir la densidad.

2. El diseo de esta lechada se ajusta a un valor de filtrado. Para lograrlo se emplea un agente con- trolador de filtrado especial para lechadas extendidas, combinado con un porcentaje bajo 0.2 % de un agente fluidizante que ayude al agente de control de filtrado. Se deben dispersar las partculas slidas para obtener una mejor distribucin de stas en la lechada, y cuidar que no se origine asentamiento de slidos y liberacin de agua. Se tiene preferencia por un valor del orden de 150 cm3/30 minutos, o menor, a temperatura de circulacin de fondo.

3. Fluidez. Normalmente las lechadas extendidas emplean una relacin alta de agua/cemento. Esto origina que la viscosidad tenga valores bajos y no requiera la adicin de ms agente fluidizante que el empleado conjuntamente con el agente de control de filtrado.

4. El tiempo de bombeo se regula usando un agente retardador de fraguado para temperaturas bajas o moderadas, con un tiempo de bombeo equivalente al tiempo mnimo necesario para la operacin. Es decir, el tiempo necesario para preparar y bombear la lechada a una velocidad de mezclado de 1 ton/min, ms el tiempo de desplazamiento de la lechada al espacio anular al gasto mximo permisible, de acuerdo con el gasto determinado por el sistema computarizado de anlisis hidrulico, ms un factor de seguridad en tiempo de 1 hora; en los casos en donde este tiempo total sea mayor o igual a 5:30 horas, por el volumen de cemento empleado, se debe efectuar el trabajo con dos o ms unidades cementadoras.

5. El contenido de agua libre de la lechada deber tener, invariablemente, un valor de 0 cm3, debido a que la liberacin de agua generalmente est acompaada de precipitacin de slidos. En otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor numrico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser no-newtoniano para convertirse en newtoniano. Cuando sucede este fenmeno con lechadas extendidas, se debe aumentar el porcentaje del agente extendedor o cambiarlo por otro que tenga mayor capaci- dad de manejo de agua.

@. Por otro lado, la resistencia a la compresin desa- rrollada por esta mezcla no debe tener valores in- feriores a los 35 kgs/cm2, en un tiempo de 12 hrs

de reposo a las condiciones de fondo. Este cemento cubre la mayor longitud de la tubera que se va a cementar.

La segunda lechada con:

1. Densidad normal, es decir se emplea el requerimiento API de agua normal de la mezcla. El API marca en su normatividad Spec 10 que el agua normal es aqulla en la que la lechada obtiene 11 Uc a los 20 min. despus de agitarse en el consistmetro de presin atmosfrica a condiciones ambientales de presin y temperatura.

2. Se regula el filtrado con un agente de control para lechadas con densidad normal y un dispersante a una concentracin baja del orden de 0.2 o 0.3 % por peso de cemento, bajo condiciones de temperatura de circulacin de fondo, para obtener una mejor distribucin del tamao de partcula y ayudar al agente de control de filtrado en su trabajo, as se vuelve impermeable el enjarre del cemento formado.

3. Despus de obtener el valor de filtrado deseado, se procede a mejorar la fluidez de la lechada; se aumenta un poco el porcentaje del agente dispersante, de tal manera, que se reduzcan al mximo las prdidas de presin debidas a la friccin durante el desplazamiento en el espacio anular. Es importante considerar, cuando se pondera este parmetro, que de acuerdo con las investigaciones en laboratorios de reologa, la eficiencia del desplazamiento se mejora cuando el cemento viaja en el espacio anular a una velocidad mnima de 80 m/min, 1.33 m/seg, 4.37 pie/seg, y a medida que se incrementa esta velocidad, la eficiencia aumenta. Con las caractersticas reolgicas del fluido, a temperatura de circulacin de fondo y la geometra del pozo, se calculan el gasto, las prdidas de presin por friccin y la presin de fondo de cementacin. Esta ltima se debe vigilar durante toda la operacin, para que su valor no llegue a ser igual o mayor que la presin de fractura de la formacin.

4. El tiempo de bombeo debe considerar nicamente el tiempo de mezclado y bombeo de este lti- mo cemento, a una velocidad de 1 ton/min, ms el tiempo de desplazamiento al mayor gasto posible sin fracturar la formacin y un factor de seguridad mximo de 1hora.

5. El contenido de agua libre de la lechada debe tener, invariablemente, un valor de 0 cm3, debido a que la liberacin de agua generalmente est acompaada de precipitacin de slidos. En otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor numrico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser no- newtoniano para convertirse en newtoniano.

@. Debe desarrollar alta resistencia a la compresin bajo condiciones de temperatura estticas de fondo, dentro de las primeras 12 horas de reposo despus del desplazamiento, debido a que sirve de amarre a la zapata; este cemento comnmente se proyecta para cubrir de 300 a 400 metros del fondo hacia arriba.

Tubera infermedia

En la perforacin del agujero en donde se introdu- cen las tuberas intermedias, tambin se emplean fluidos de control de baja densidad, del orden de1.40 gr/cm3, debido a que se atraviesan zonas dbiles poco consistentes.

Los procedimientos de diseo de esta lechada son similares a los descritos para las tuberas de revestimiento superficiales, es decir:

En la cementacin de esta tubera de revestimiento se emplean, generalmente, dos lechadas de cemento:

Cna lechada exSendida con:

1. La densidad de 1.@0 gr/cm3 sin perder de vista la posibilidad de llegar a fracturar la formacin y, por otro lado, que la resistencia a la compresin de- sarrollada por esta mezcla no caiga a valores infe- riores a los 70 kg/cm2 en un tiempo de 12 a 24 hrs de reposo, bajo las condiciones de fondo. Este cemento cubre la mayor longitud de la tubera que se va a cementar en el espacio anular.

El agente extendedor de lechada empleado para disminuir la densidad puede ser un silicato de baja gravedad especfica por naturaleza y con alto requerimiento de agua, tales como las puzolanas activadas, la esferelita, la kaolinita, la perlita o las tierras diatomacias.

2. El diseo de esta lechada es similar al descrito anteriormente para tuberas superficiales, corres- pondiente al cemento de baja densidad.

La segunda lechada con:

1. Densidad normal, es decir se emplea el requerimiento de agua normal de la mezcla.

2. El diseo de esta lechada es similar al descrito anteriormente para tuberas superficiales, corres- pondiente al cemento de densidad normal.

Con las caractersticas reolgicas del fluido a temperatura de circulacin de fondo y la geometra del pozo, se calcula: el valor de velocidad en el anular, el gasto, las prdidas de presin por friccin y la presin de fondo de cementacin, que se debe vigilar durante toda la operacin, para que no llegue a ser igual o mayor que la presin de fractura de la formacin. En algunas tuberas intermedias que se cementan a temperaturas estticas de fondo superiores a los 100C, el diseo de las lechadas requiere de la adicin de harina de slice, para atacar el efecto de regresin de la resistencia a la compresin por temperatura. Se debe emplear para este fin, un 35 % de harina de slice por peso de cemento.

Tubera de explofacin

En la mayora de los pozos del sistema, la primera tubera de revestimiento de explotacin cementada es una tubera corta de 7" de dimetro y la segunda es una tubera corta de 5 A 3 pg de dimetro.

En la cementacin de estas tuberas de revestimien- to se emplean las siguientes alternativas de lechada:

Lechadas con densidad normal

Densidad. Debido a la profundidad de asentamien- to de estas sartas, se requiere de la adicin de harina slica malla 325 para evitar la regresin de la resistencia a la compresin. En este caso, la densidad es de 1.@3 gr/cm3 con cemento clase "H" y 52% de agua por peso de cemento.

Control de filtrado. Se procede a moderar el filtrado empleando un agente de control de filtrado para lechadas de densidad normal, combinado con un porcentaje bajo de un agente fluidizante del orden de 0.3% por peso de cemento. El valor que se debe obtener es de aproximadamente 50cm3/30min. bajo una presin diferencial de 1,000 psi.

Fluidez. Con el filtrado controlado, se procede a mejorar la fluidez de la lechada, aumentando un poco el porcentaje de fluidizante a manera de reducir al mximo las prdidas de presin por friccin durante el desplazamiento en el espacio anular. Es importante tomar en consideracin durante la ponderacin de este parmetro, que de acuerdo con las investigaciones en laboratorio de reologa, la eficiencia del desplazamiento se mejora cuando el cemento viaja en el espacio anular a una velocidad mnima de 80 m/min, 1.33 m/seg.,4.37 pie/seg. y a medida que se incrementa esta velocidad, la eficiencia mejora.

Tiempo de bombeo. El siguiente paso es determinar el tiempo de bombeo mediante la dosificacin de un retardador del fraguado para alta temperatura. Esto se hace, generalmente, con base en la respuesta que el retardador muestre al cemento que se us en trabajos anteriores o por ensayo y error. En este caso se recomienda iniciar las pruebas de tiempo de bombeo con porcentajes bajos y hacer incrementos del orden de un dcimo en la dosificacin del producto hasta lograr el tiempo deseado. El tiempo de bombeo que se debe dar a una lechada es el necesario para efectuar la operacin en el pozo; es decir, el tiempo para preparar y bombear la tota- lidad de la lechada a una velocidad de mezclado de 1 ton/min., ms el tiempo de desplazamiento de la lechada al espacio anular al gasto mximo permisible, de acuerdo con el gasto determinado por el sistema computarizado de anlisis hidrulico, ms un factor de seguridad en tiempo de 1 1/2 hr. Cuan- do este tiempo sea mayor o igual a 5 horas, debido al volumen de cemento empleado, se debe efectuar el trabajo con dos unidades cementadoras.

El contenido de agua libre de la lechada debe tener, invariablemente, un valor de 0 cm3.

El contenido de agua libre de la lechada debe tener siempre un valor de 0 cm3. El agua, al liberarse de la lechada, es atrada por cargas electrostticas a las caras de la tubera y de la formacin. Tiende a ascender y a dar lugar a la formacin alterna de puentes de agua y slidos asentados, con deslaves y/o micro anulares.

Resistencia a la compresin. Se deben correr pruebas de resistencia a la compresin, con base en el diseo completo de la lechada, para saber en cun- to tiempo el cemento fraguado desarrolla su resis-

tencia a la compresin y as poder continuar en el pozo con la perforacin de la siguiente etapa o con las operaciones de terminacin. En la prctica se asume un valor aceptable de resistencia a la compresin de 35 kg/cm2, como mnimo, para que la capa de cemento soporte el peso de la tubera. Este valor de resistencia a la compresin con lechadas de densidad normal se obtiene, generalmente, dentro de las primeras 8 horas de estar en reposo a las condiciones de fondo.

Lechadas de alSa densidad

- Densidad. Debido a la profundidad de asentamien- to de estas sartas, se requiere de la adicin de harina slica, para evitar la regresin de la resistencia a la compresin. As la densidad es ajusta- da tomando en consideracin la presencia del 35% de harina slica o de arena de slice. En estos casos de incremento de densidad es preferible usar arena malla 100, debido a que no requiere de agua adicional y el valor de la densidad estar en funcin de la densidad del fluido de control.

El incremento de la densidad se logra empleando un agente densificante de alto peso especfico que no requiera de la adicin de agua, tal como la hematita y la limadura de fierro. Otro material densificante es la barita, sulfato de bario, el cual es empleado comnmente en los lodos de perforacin para darle peso al fluido; pero para usarlo en las lechadas es poco recomendable por su bajo grado de pureza. Estos materiales densificantes se emplean a porcentajes relativamente altos con respec- to a los aditivos comunes, siempre calculando que se obtenga el peso de lechada deseado mediante balance de materiales. Tambin se puede efectuar el incremento de la densidad mediante la disminucin del agua de mezcla. En estos casos, se incrementa el porcentaje del agente dispersante para contrarrestar el incremento de la viscosidad.

Control de filtrado. Ya que se tiene la densidad de- seada, se procede a regular el filtrado. Se emplea entonces un agente de control de filtrado para lechadas de densidad normal a un porcentaje bajo del orden de 0.3 a 0.4% por peso de cemento, combinado con un porcentaje bajo de un agente fluidizante que le ayude en su trabajo del orden de 0.3% por peso de cemento. El valor que se debe obtener es de aproximadamente 50 cm3/30min. bajo una presin diferencial de 1,000 psi.

Fluidez. Con el filtrado controlado, se procede a mejorar la fluidez de la lechada, aumentando el porcentaje de fluidizante a manera de reducir al mximo las prdidas de presin por friccin durante el desplazamiento en el espacio anular. Es importante considerar durante la ponderacin de este parmetro, que de acuerdo con las investigaciones en laboratorios de reologa, la eficiencia del desplazamiento se mejora cuando el cemento viaja en el espacio anular a una velocidad mnima de 80 m/min, 1.33 m/seg., 4.37 pie/seg., y a medida que se incrementa esta velocidad, la eficiencia mejora, en este caso de lechadas densificadas, el porcentaje de fluidizante empleado es mayor debido a la baja relacin agua slidos.

Tiempo de bombeo. El paso siguiente es determinar el tiempo de bombeo mediante la dosificacin de un retardador del fraguado para alta temperatura. Esto generalmente se hace con base en la respuesta que muestre el retardador al cemen- to que se est usando de acuerdo con trabajos anteriores, por el empleo de grficas proporcio- nadas por la compaa de servicio, o por ensayo y error, en cuyo caso se recomienda iniciar las pruebas de tiempo de fraguado con porcentajes bajos y hacer incrementos del orden de un dcimo en la dosificacin del producto, hasta lograr el tiempo deseado. El tiempo de fraguado inicial que se debe dar a una lechada es el tiempo necesario para efectuar la operacin en el pozo; es decir, el tiempo para preparar y bombear la totali- dad de la lechada a una velocidad de mezclado de 1 ton/min., ms el tiempo de desplazamiento de la lechada al espacio anular al gasto mximo permisible, de acuerdo con el gasto determinado por el programa computarizado de anlisis hidrulico, ms un factor de seguridad en tiempo de 1 1/2 h, en los casos en donde este tiempo sea mayor o igual a 5:30 h, debido al volumen de cemento empleado, se debe efectuar el trabajo con dos unidades cementadoras.

El contenido de agua libre. La lechada debe mani- festar, invariablemente, un valor de 0 cm3 de agua libre, debido a que la liberacin de agua generalmente est acompaada de precipitacin de slidos; en otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor numrico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser no-newtoniano para convertirse en newtoniano. Adems al liberarse el

agua de la lechada es atrada por cargas hidrostticas a las caras de la tubera y de la formacin. Tiende a ascender dando lugar a la formacin alterna de puentes de agua y slidos asentados, con deslaves o microanulares.

Resistencia a la compresin. Se deben correr pruebas de resistencia a la compresin con el diseo de la lechada completo, para saber en cuanto tiempo desarrolla el cemento fraguado, su resistencia a la compresin y as poder continuar en el pozo con la perforacin de la siguiente etapa o con las operaciones de la terminacin del mismo. En la prctica se asume un valor aceptable de resistencia a la compresin de 35 kg/cm2, como mnimo, para que la capa de cemento soporte el peso de la tubera. Este valor de resistencia a la compresin con lechadas de alta densidad se obtiene generalmente dentro de las primeras 4 horas de estar en reposo a las condiciones de fondo.

Lechadas de baja densidad

Densidad. Debido a la profundidad de asentamien- to de estas sartas, se requiere de la adicin de harina slica para evitar la regresin de la resistencia a la compresin. La densidad se debe ajus- tar entonces tomando en consideracin la presencia del 35 % de harina slica. En estos casos de disminucin de densidad es preferible usar harina de slice malla 325, debido a que sta requiere del 40 % de su propio peso de agua adicional.

El diseo completo de esta lechada es similar al procedimiento descrito para las tuberas anteriores con lechadas de baja densidad.

El contenido de agua libre de la lechada debe tener, invariablemente, un valor de 0 cm3, debido a que la liberacin de agua generalmente indica una inesta- bilidad del sistema diseado; en otras palabras, el punto de cedencia de la lechada tiene un valor numrico de 0 o inferior a 0 y el fluido deja de ser no- newtoniano para convertirse en newtoniano.

En pozos direccionales y horizontales el factor de estabilidad de la lechada se torna crtico debido a que el agua libre puede formar un canal en la parte alta del espacio anular a lo largo del intervalo ce- mentado. Esto favorece el flujo de fluidos de las capas a travs de ste.

Tubo Conductor TR 20"TR 13 3 / 8"

TR 9 5 / 8"

TR 7"

TR Corta 5"

Figura 7 Arreglo tpico de las tuberas de revestimiento.

Informacin de gabinefe

Como se ha mencionando anteriormente la informacin es parte esencial para una buena cementacin. La planeacin de gabinete nos permite predecir el comportamiento mediante la simulacin de la cementacin del pozo. La informacin que se requiere es la siguiente:

Definir el objetivo particular de la operacin

Recopilar informacin del pozo: Estado mecnicoHistoria de perforacinDiseo de TR (Memoria de clculo)Programa de introduccin de TR (accesorios, combinaciones, centradores)

Registros:Calibracin y desviacin con temperatura de fondo del agujeroInformacin litolgica

Clculos correspondientes

Informacin de laboraforio

La informacin bsica de laboratorio se refiere a los diseos de la lechada, en funcin de la tubera que se va a cementar.

Cemento. Diseo de lechada que va a utilizarse en el pozo. Para hacerlo se deben considerar parmetros reolgicos en funcin del fluido de control de la perforacin, valor de filtrado, agua libre, tiempo de bombeo y resistencia a la compresin, de acuerdo con los diseos de laboratorio.

Frentes de limpieza. Normalmente se bombean dos tipos: un frente lavador y un frente espaciador con la finalidad de lavar y de acarrear los slidos que genera la barrena. El frente lavador normalmente tiene densidad de 1.0 gr./cm3 y el del frente espaciador depender de la densidad que tenga el fluido de control que se tenga en el pozo. De tal manera que los frentes renen requisitos como: tipo, volumen, densidad y compatibilidad con el fluido de control y con la lechada (ms detalles en el diseo de gabinete).

MaSeriales

Los materiales utilizados en la cementacin de las tuberas de revestimiento son similares a los empleados en las tuberas superficial, intermedia y de explotacin. stos dependen de la tubera que se va a cementar. Estos materiales se describirn posteriormente.

V. DICEO DE GABINETE

El diseo de gabinete de la cementacin inicia con el empleo del programa de cmputo para efectuar el estudio reolgico de las lechadas de cemento y de los dems fluidos que formarn parte de la operacin de cementacin. Esta parte del diseo est muy ligada al trabajo de laboratorio y, si se combinan, se obtienen las bases de las alternativas de diseo que habrn de seguirse. Para su aplicacin en el pozo, un buen dise- o de lechada de cemento dar lecturas del viscosmetro rotacional bajas y aportar valores de los parmetros reolgicos ms apropiados. As se obten- dr un Nmero de Reynolds mayor al Nmero de Reynolds Crtico, con gastos relativamente bajos, po- sibles de ser efectuados con la bomba del equipo de cementacin durante el desplazamiento, acorde a la

geometra del anular entre tubera de revestimiento, agujero y tubera ya cementada.

Cuando un diseo que se est analizando presenta lecturas altas en el viscosmetro rotacional, se debe modificar la proporcin de los aditivos; en especial, debe vigilarse que el agente fluidizante no origine el asentamiento de slidos y la liberacin de agua. La interrelacin del fluidizante con el agente de control de filtrado juega, tambin, un papel importante en el diseo y siempre se debe buscar un estado de equilibrio entre ambos en funcin de la temperatura. Los agentes retardadores del fraguado basado en lignosulfonato y cromolignosulfonato presentan un efecto dispersante en las lechadas de cemento, el cual debe ser tomado en cuenta al disear. Todo esto nos indica la facilidad de cambio de los parmetros reolgicos y en general obtener el diseo que ms favorezca a la eficiencia del desplazamiento en el espacio anular.

No se debe perder de vista que el gasto mximo que puede darse con una bomba del equipo de cementacin que emplea una lnea de alta presin de 2 pulgadas de dimetro, es de aproximadamente 7 bl/min y que cuando se requiere dar un gasto mayor se debe emplear una lnea de mayor dimetro o tender dos lneas o ms hasta la cabeza de cementacin.

El siguiente paso es efectuar el estudio hidrulico de la operacin de cementacin. Se debe utilizar el mismo programa de cmputo, que se alimentar con la informacin de los parmetros reolgicos y fsi- cos que caracterizan a cada lechada y fluidos tales como el fluido de control, frente lavador, frente espaciador y fluido de desplazamiento.

Al programa tambin se le suministra la informacin del estado mecnico del pozo, aparejo de cementacin, gradiente de fractura del pozo o presin de fractura de alguna zona dbil, presin de poro alta que se tenga detectada durante la perforacin. El sistema efecta el anlisis de esfuerzos a que se ver sometido el pozo durante la operacin de cementacin. Se debe tener especial cuidado de comparar continuamente las presiones de cementacin en el fondo, contra la presin de fractura sobre la base del gasto aplicado, recomendado por el estudio reolgico.

El sistema indica cuando un gasto es tan alto que no es posible efectuar la operacin en esas condiciones. Esto sucede cuando se alcanza la presin de fractura de la formacin mediante una grfica del comportamiento de la presin de fondo y la presin de fractura en todo el tiempo que dura la operacin. En este caso se debe disminuir el gasto, sacrifican- do eficiencia del desplazamiento de lodo del espacio anular; pero compensndolo con movimientos de la tubera, tanto rotacional como reciprocante, cuando sea posible. El anlisis grfico indica cun- do es posible aplicar un gasto mayor al crtico obtenido en el estudio reolgico, sin riesgo de fracturar la formacin o abrir zonas de prdida, manifestadas durante el proceso de perforacin del pozo.

El sistema establece un estado de esfuerzos en todo el pozo durante el tiempo que dura la operacin y presenta un

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