Libro de Cementos Petroleros Pet219

Programa de Cementros Petroleros PET-219

PROGRAMA DE CEMENTOS PETROLEROS PET-219 CEMENTOS API – INTRODUCCION – TEMA I Competencia : El estudiante conoce la disponibilidad de cementos petroleros API, su uso y sus propiedades fisicoquímicas, de la misma forma para los cementos especiales que se usan en la industria petrolera . INTRODUCCIÓN 1.1. ÁMBITO DE APLICACIÓN DEL PROGRAMA El proceso de cementación de un pozo petrolero es usado alrededor del mundo, y ha crecido en complejidad, con muchas personas, organizaciones, y tecnologías que han contribuido al estado del arte. Para ayudar al ingeniero practicante con el planeamiento y evaluación del trabajo, esta monografía ha sido escrita como una referencia comprensiva con información acerca de la variedad de materiales y técnicas usadas en la cementación de un pozo. Los capítulos están dedicados a cementos, aditivos, pruebas, planificación de trabajo, y la ejecución de trabajo de cementación primaria, cementación squeeze, y operaciones de taponamiento. La importancia de planificación en alcanzar el aislamiento zonal es destacada. También dan cobertura al equipo mecánico y de bombeo, mezcladores, sistemas de manejo de masa, y varios instrumentos subsuperficiales usadas para colocar el cemento correctamente. El programa muestra la secuencia lógica de las operaciones de cementación de un pozo para proporcionar al ingeniero petrolero los conocimientos básicos del trabajo para mejores prácticas de cementación.

1.2. OBJETIVOS DEL TEXTO Tiene dos propósitos: 1. Proveer al ingeniero petrolero responsable del proceso de cementación información que lo ayudará a juzgar según sus propios méritos varias técnicas de cementación y saber qué resultados pueden ser esperados. 2. Proporcionar un análisis comprensivo del estado del trabajo.

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1.3. PROCEDIMIENTO DE CEMENTACIÓN

La cementación de un pozo petrolero es el proceso de mezclar de cemento y agua ( lechada) y bombearlo a través de la cañería de acero a puntos críticos en el anular que se encuentra alrededor de la cañería o en el agujero abierto debajo de la sarta de cañería. (Figura 1.1) Las dos principales funciones del proceso de cementación primaria son restringir el movimiento de fluido entre las formaciones y para adherir y sostener la cañería. En adición el aislamiento de zonas productoras de petróleo, gas y agua, el cemento también ayuda a: 1. Proteger la cañería de la la corrosión 2. Prevenir reventones mediante la rápida formación de un sello. 3. Proteger la cañería de impactos de cargas en perforaciones más profundas. 4. Y sellar zonas de pérdida de circulación, o zonas ladronas (que absorben el fluido El trabajo de una cementación primaria consiste , en lo siguiente una vez que la cañería esta en fondo del pozo , hay que acondicionar el lodo , para luego reemplazarlo por una lechada que se prepara en superficie . Antes de bombear la lechada se larga el tapón inferior, el cual l lega hasta el collar flotador, por detrás s\ del tapón se bombea la lechada luego el tapón superior, que se desplaza con agua o lodo. El tapón superior asienta sobre el tapón inferior .

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1.3. PROCEDIMIENTO DE CEMENTACIÓN

La cementación de un pozo petrolero es el proceso de mezclar de cemento y agua ( lechada) y bombearlo a través de la cañería de acero a puntos críticos en el anular que se encuentra alrededor de la cañería o en el agujero abierto debajo de la sarta de cañería. (Figura 1.1) Las dos principales funciones del proceso de cementación primaria son restringir el movimiento de fluido entre las formaciones y para adherir y sostener la cañería. En adición el aislamiento de zonas productoras de petróleo, gas y agua, el cemento también ayuda a: 1. Proteger la cañería de la la corrosión 2. Prevenir reventones mediante la rápida formación de un sello. 3. Proteger la cañería de impactos de cargas en perforaciones más profundas. 4. Y sellar zonas de pérdida de circulación, o zonas ladronas (que absorben el fluido El trabajo de una cementación primaria consiste , en lo siguiente una vez que la cañería esta en fondo del pozo , hay que acondicionar el lodo , para luego reemplazarlo por una lechada que se prepara en superficie . Antes de bombear la lechada se larga el tapón inferior, el cual l lega hasta el collar flotador, por detrás s\ del tapón se bombea la lechada luego el tapón superior, que se desplaza con agua o lodo. El tapón superior asienta sobre el tapón inferior .

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Fig 1-1

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1.4.- ANTECEDENTES HISTÓRICOS PRIMEROS TRABAJOS.- La industria estadounidense de petróleo tradicionalmente data sus principios con la perforación del pozo Draque en 1859; no fue sino hasta 1903 que una lechada de cemento fue usada para cerrar el paso de agua del fondo al pozo justo por encima de una arena petrolífera en el campo de Lompoc en California. Frank F. Hill, con la Unión Petrolera Co, es la primera vez que usa una lechada en la industria petrolera.

Este pozo antes de bombearle una lechada tenia la siguiente Producción : 80 % de agua , 20 % Oil Luego de haber forzado a la lechada en las arenas productoras después de dejar el pozo 28 días sin actividad tenemos la siguiente producción de líquidos: 90 % de oíl, 10 % de agua. Hoy en día esta técnica se usa Le aceptaron para mezclar y verter, mediante una cuchara, una mezcla que consiste en 50 sacos de cemento portland puro. Después de 28 días el cemento fue perforado del agujero, y el pozo fue completado con la perforación a través de la arena petrolífera, la zona de agua había sido efectivamente aislada. Esto

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se convirtió en una práctica aceptada y pronto se propagó a otros campos en California donde dificultades similares eran encontradas. En el año 1920 Halliburton logra perfeccionar las operaciones de cementación, teniendo en cuenta el efecto de la temperatura y presión sobre las lechadas y el cemento fraguado, hasta ese año no se utilizan aditivos, a la fecha se conocen más de 60 tipos de aditivos.

1.5 .- A QUE SE LLAMA CEMENTOS. Pueden definirse como sustancias adhesivas y cohesivas, es decir capaz de unir fragmentos de masas o de materiales sólidos en un todo compacto, tal definición involucra a un gran # de materiales o sustancias diferentes, teniendo muy poco en común una con otra, salvo su adhesividad, teniendo cada una de ellas importancia técnica diferente. Los cementos que se usan en la industria petrolera son mezclas de compuestos de cal, por eso la forma correcta de referirse a este tipo de cementos es hablar de cementos calizos.

1.6.- FABRICACION DE LOS CEMENTOS PORTLAND Son el resultado de mezclar Clinker + Yeso ( Sulfato de calcio ) , en una proporción de (95 -97 %)/ (5 -3 % )

CLINKER Es un compuesto químico que forma en un horno rotatorio, cuando mezclamos caliza con arcillas, la relaciones de masa dependen de la calidad y tipo de los materiales ( 2:1 , 1:3/4 ) , que tiene un proceso de fusión a 1400 – 1600 *C.

Calizas Pueden ser de diferentes tipos como ser: El carbonato de calcio (CO 3Ca), abundan en la naturaleza para fabricar el cemento portland es adecuado el procedente de todas las formaciones geológicas , la formas más puras son la calcita y la aragonito. Puede usarse la Creta y las Margas

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Arcillas La segunda materia prima importante son las arcillas. Las arcillas en esencia son productos de meteorización de silicatos de los metales alcalinos y alcalinotérreos, en especial los de feldespato y micas. Pueden ser del grupo del caolín y/o montmorillonita. Veamos el área superficial de estas arcillas Caolín aproximadamente 15 m2 / gr Momtmorillonita aproximadamente 800 m2 / gr 1.7.- HORNO ROTARIO PARA PRODUCIR CLINKER VIA SECA

RECUPERACION DE MATERIAS PRIMAS Tanto las arcillas como la caliza se las obtiene de las canteras, dependiendo de la dureza del material se puede utilizar explosivos, excavadoras. Luego este material se lo lleva a una molienda en molinos a bolas, hasta conseguir un tamaño adecuado para llevarlo a los hornos rotatorios, de acuerdo a las relaciones anteriormente indicadas. PROCESOS QUE OCURREN EN EL HORNO 1.- ZONA DE DESHIDRATACION 100 0C La temperatura en esta zona es de 100 0C, se pierde toda el agua libre que tiene la materia prima.

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2.- ZONA DE DESCARBONIZACION 400 0C Es donde toda la caliza se descompone. CO3Ca ( s) ------------------- CO2 ( gas ) + CaO(s) En esta zona todo el material orgánico es eliminado. Si existen sulfatos se observa eliminación de los óxidos de azufre ( SO2 y SO3). Es importante recordar que estos productos gaseosos, cuando entran en contacto con el agua reacciónan, para formar ácidos, carbónico , sulfúrico y sulfuroso. Pueden también volatilizarse muchos cloruros y sales alcalinas. La perdida de materiales como gases puede llegar a ser hasta un 30 % de la carga inicial.

3.- ZONA DE LAS REACCIONES QUIMICAS Es acá donde empiezan a reaccionar los óxidos, esta es una zona de calcinación, el 20 – 30 % del material se funde y tiene lugar la formación del clinker. En esta zona algunas sustancias originales desaparecen para formara nuevos compuestos cristalizados, la temperatura de 1400 –1600 0C es muy importante para la calidad del clinker. El giro del horno mediante sus motores, su inclinación de 10 a 20 grados hacen que el material se vayan formando bolitas de hasta 2”, esto es lo que sale del horno y se

llama clinker, al salir del horno tiene un enfriamiento programado luego pasa a una serie de molinos donde se lo muele para darle una superficie especifica requerida ( cm2 / gr ) , luego hay que mezclarlo con yeso y se lo envasa. El yeso tiene la finalidad de darle características hidráulicas al clinker y retardar su tiempo de endurecimiento, e incrementar su resistencia.

PROCESO ESQUEMATICO VIA SECA Caliza + Arcilla Enfriamiento

Chancado Clinker

Transporte

Molienda

Horno

Mezcla Yeso + Clinker

COMPOSICION QUIMICA DEL CLINKER CO3Ca + Arcilla -

Clinker

* Composición

SC3 ---- 3 CaO.SiO2 Silicato tricalcico. Alita

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SC2 ---- 2 CaO.SiO2 Silicato dicalcico. Belita AC3 --- 3CaO. Al2O3 . Aluminato tricalcico AFC4 – 4 CaO.Fe2O3 Al2O3 . Aluminato ferritatetracalcico

Hablemos un poco de la función de cada uno de los componentes del Clinker SC3 Es el contribuyente mayoritario del cemento Portland 45 – 65 %. Es responsable de la mayoría de las reacciones hidráulicas en el estado inicial. Se encuentra presente en el cemento de una manera impura. La formula real es:

54 CaO. 16SiO2 Al2O3. Mg O Es el componente que influye en todas las etapas del frague del cemento, pero especialmente en la etapa de endurecimiento hasta los 28 días.

SC2 Es el segundo componente del cemento portland entre 15 – 35 %. Existen 4 tipos de cristales poliformes ( alfa , alfa prima , beta y gamma ). Predomina la forma Beta , que tiene la siguiente formula química Ca87 Mg.Al. Fe (Na0.5 KO0.5 ) (Al Si42 O180 ) Debido a que la velocidad de hidratación es baja comparada con la del – SC3 , no tiene un rol importante en el desarrollo de la resistencia en tiempos cortos, si en tiempos mayores a 28 días. AC3

Pose una gran velocidad de hidratación porque es importante en las primeras reacciones del cemento con el agua. No obstante de ser un de componente minoritario su presencia es muy importante en la reologia de la mezcla y en la resistencia final al ataque de las aguas sulfatadas. Su formula general es :

((Ca ,Mg)72- (n+m)(Na(2n+m)))72 + n ((Al,Fe)48 –(m+2) (Sim + ¾ Z ) ) O 144 Las especificaciones del API permiten hasta un 15% - AC 3 , para aquellos cementos que tienen baja resistencia a los sulfatos , y un contenido del 3 % de - AC 3 , para los

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cementos con lata resistencia los sulfatos ( las aguas con + de 250 ppm de

sulfatos se llaman sulfatadas – Cuidado en la elección del cemento ) AFC 4

No incide en la resistencia del cemento fraguado, si no que su presencia en el cemento es para darle mayor resistencia a los ataques de los sulfatos. El API indica que la suma de AFC 4 + 2 veces AC3, no deben exceder al 24 %, para obtener una máxima resistencia a los sulfatos. El Clinker tiene otros componentes de menor importancia como ser : Trialuminato pentacalcio

5 CaO 3Al2O3 --- C5 3 A

La ferrita dicalcica

2 CaO Fe2O3

K2 O , Na2 O , MnO2 Estos no son importantes, porque están en concentraciones menores al 2 %.

COMO REACCIONAN LOS COMPONENTES DEL CLINKER CON EL AGUA EL SILICATO TRICALCICO 2 ( 3 CaO . SiO 2 ) + 6 H2O RAPIDA EL SILICATO DICALCICO 2 ( 2 CaO . SiO 2 ) + 4 H2O

3 CaO.SiO2 3 H2O + 3 Ca(OH)2 TOBERMARITA

3 CaO.SiO2 3 H2O + Ca(OH)2

LENTA ALUMINATO TRICALCICO 3 CaO. Al2O3 + 12 H2O + Ca(OH)2

3CaO. Al2O3 Ca(OH)2 . 12 H2O

RAPIDA ALUMINATO FERRITA TERACALCICA 4 CaO.Fe2O3 Al2O3 + + 10 H2O + 2Ca(OH)2

6 CaO Fe2O3 Al2O3.12 H2O

LENTA

Las reacciones químicas nos indican que las principales reacciones dan como producto la TOBERMARITA . 3 CaO.SiO2 3 H2O , QUE ES UN GEL COMPUESTO DE PARTICULAS MUY FINAS., QUE TIENEN UN GRAN AREA SUPERFICIAL POR LO TANTO MEDIANTE FUERZAS ATRACTIVAS SE ABSORBEN SOBRE TODOS LOS CRISTALES PRESENTES Y LOS UNE.

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El exceso de agua que no se utiliza durante la hidratación de los componentes del clinker , hace que el cemento fraguado pierda su resistencia, lo hace mas poroso y permeable. Siempre debemos buscar que la lechada de cemento tenga la densidad programada cuando vamos a cementar el zapato guía y las piezas de cañería cercanas al zapato.

COMPOSICION QUIMICA DE LOS CEMENTOS API CEMENTO API –CLASE

COMPONENTES SC3

MOLIENDA Cm2 / gr

SC2

AC3 AFC4

A

53

24

8

8

1500-1900

B

47

32

5

12

1500-1900

C

58

16

8

8

2000- 2800

D – E

26

54

2

12

1200-1600

G,H

50

30

5

12

1400-1700

Los cementos API más usados en la industria petrolera son el G y H. Un análisis químico vía seca de estos cementos nos da la siguiente composición química. Compuesto

Formula

Abreviatura

% p/p

Oxido de Silicio

SiO2

(S)

22.43

Oxido de calcio

CaO

(C )

64.70

Oxido de hierro

Fe2O3

(F )

4.10

Oxido de Al

Al2O3

(A)

5.80

Magnesia

MgO

1.9

Trióxido de S

SO3

1.67

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Oxido potasio

KO2

0.08

Cenizas

0.54

Analizando la composición química de los cementos, podemos concluir: Que en contacto con los lodos que tienen bentonita van a producir la floculación de la bentonita, el incremento del ph a valores > a 12, lo que resulta negativo para los polímeros que tiene el lodo. Si se reperfora cemento con lodos base aceite, la presencia de alta concentración de cal viva CaO, favorece al rendimiento de lo emulsionantes. El control de la calidad de los cementos API es muy importante. Para esto tenemos que solicitar un análisis vía seca. El API nos da la siguientes ecuaciones, que deben usar para conocer a partir del análisis la cantidad de los cuatro componentes del clinker, estas ecuaciones son :

SC3 = 4.07 C – 7.6 S – 6.72 A – 1.43 F – 2.85 SO3 SC2 = 2.87 S – 0.754 SC3 AC3 = 2.65 A – 1.69 F AFC4 = 3.04 F

Estas ecuaciones pueden ser usadas solo si la relación Al2O3 / Fe2O3 , > a 0.64

Compuesto

Formula

Abreviatura

% p/p

Oxido de Silicio

SiO2

(S)

22.2

Oxido de calcio

CaO

(C )

65.60

Oxido de hierro

Fe2O3

(F )

2.8

Oxido de Al

Al2O3

(A)

5.80

Magnesia

MgO

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Trióxido de S

SO3

1.8

Oxido potasio

KO2

0.08

Cenizas

0.70

Verifiquemos la relación anterior 5.8 / 2.8 = 2.07 > a 0.64 SC3 = 4.07(65.6) – 7.6 (22.2) – 6.72(5.8) – 1.43 (2.8) – 2.85 (1.8) = 50.2 SC2 = 2.87 (22.2) – 0.754 (50.2) = 25.86 AC3 = 2.65 (5.8) – 1.69 (2.8) = 10.64 AFC4 = 3.04 (2.8) = 8.51 Hemos mencionada que una vez esta molido el clinker tenemos que mezclarlo con yeso en, 95 -97 / 5 -3 % yeso , esto porque el clinker tiene una velocidad rápida de hidratación al mezclarse con agua, es decir tiene una elevada energía Hidráulica , esta mezcla puede llegar a fraguar y esto depende de muchos factores ,el yeso para retardar el frague, del cemento así obtenido se lo puede mezclar con agua , esta mezcla llega a fraguar pero depende de muchos factores. El frague de la lechada es la generación continua de la resistencia, es decir la Consolidación de la lechada, al mezclar agua con cemento se producen cambios químicos debido a la hidratación de sus componentes produciéndose una cristalización de los mismos que generan una resistencia en los cementos en el estado de frague. En el proceso de hidratación – frague ocurre lo siguiente. Veamos desde el punto de vista químico y físico el frague.

Desde punto de vista químico. La hidratación del AC 3 y tal vez algo de Al2O3 producen hidratos amorfos al Principio luego cristaliza con AC3 junto con cristales de sulfoalumiinatos de Cálcicos donde el azufre lo provee el yeso. En esta etapa el CaO libre que puede existir también se hidrata dando lugar a los Ca(OH)2 . Luego de 24 horas de iniciado el proceso empieza la hidratación del AC 3 cristalizando junto con el remanente de CaO, mientras que el SC2 , menos básico y el hidrato de silicio forman un gel coloidal . La hidratación del SC 3 no se completa hasta los 28 días, donde en este tiempo ya empieza a cristalizar.

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Podemos nosotros hacer un resumen más fácil: La cristalización inicial de la lechada y la consolidación se debe a la hidratación del AC3 y la hidratación parcial del SC3 , el aumento posterior de la consistencia se debe a la hidratación continua del SC3 y SC2 que continua hasta que el cemento llega a un estado de equilibrio

FRAGUE DESDE EL PUNTO FISICO Primera etapa.- Frague inicial ocurre cuando la lechada pierde toda su Plasticidad y se vuelve friable al grado tal que dos fragmentos de una mezcla rota no pueden formar una masa homogénea cuando se la pone en contacto intimo. La plasticidad no se la recupera aun colocando los pedazos en agua.

Segunda etapa.Luego del fraguado inicial el cemento sufre cambios físicos debido a que continúa la hidratación, estos cambios se traducen en que el cemento adquiere una mayor dureza hasta alcanzar el fraguado final. Arbitrariamente se lo define, como la condición que alcanza cierto grado de rigidez determinado por una aguja penetración de proporciones normales (se puede medir en el aparato de Vicat.

Todos los alumnos deben buscar como se mide la consistencia de la lechada en este aparato) Tercera etapa. Luego de alcanzado el frague final, y en el periodo de 28 días, y como consecuencia de nuevos ajustes químicos que dan como resultado un aumento gradual de la resistencia y dureza esto se conoce como periodo de endurecimiento, este periodo es muy importante en las operaciones de cementar cañerías, mientras más largo este tiempo más antieconómico es para la operadora, para acortar estos tiempos se han diseñado los aditivos, para bajar este periodo a horas.

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Haremos un comentario de los efectos que tiene la presencia de algunos compuestos o iones en las aguas sobre las lechadas y los cementos fraguados -

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

-

A mayor SC2 mas retardado es el frague, a mayor cantidad de SC 3 y de AC3 , mas rápido es el frague inicial.

-

Si se quiere retardar el frague se debe controlar el contenido de SC3 y de AC3 , y la molienda debe ser más gruesa.

-

Las aguas subterráneas que se encuentran durante la perforación contienen sales disueltas , las lechadas y los cementos fraguados son muy sensibles a pequeños % de esta sales , por ejemplo :

-

Lasa soluciones de Cl 2 Ca y de Cl 2 Mg, aceleran el frague mucho más que las de ClNa.

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Soluciones con iones sulfatos en ciertas ocasiones retardan el frague, aunque a veces lo aceleran.

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El carbonato de sodio puede actuar como acelerador cualquier aditivo que en solución genere iones OH-

de igual manera

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Las soluciones de los alcalinos y alcalinos térreos además de afectar el tiempo de frague pueden causar desintegración del cemento fraguado, por largos tiempo de contacto con el cemento fraguado.

-

Las soluciones de SO4Na2 , SO4Mg , causan falta de solidez o fuerzas en el cemento, es decir cuando el cemento fraguado y endurecido se lo pone en contacto con estas soluciones , reaccionan con el SC 3 , produciendo un hinchamiento y formado nuevos compuestos , que dan como resultado una cristalización con expansión originando disgregación del cemento. Se tiene igual comportamiento si el contenido de CaO es alto.

-

Los cementos que tienen < del 3 % de AC 3 , son inmune al ataque de las aguas sulfatadas.

-

Cuando las lechadas son contaminadas con los lodos de perforación, se ven afectadas las propiedades de las lechadas y del cemento fraguado , esto es por el alto contenido de iones que tienen el filtrado del lodo ( SO 4= , CO=3 , OH- , Cl - , CO 3H- , Na + , K + , Ca ++ , Mg ++ , Fe +++ , almidones , poliacrilamidas celulosa polianionica,etc.)

Es importante tener en cuenta que la molienda del cemento influye en el tiempo de frague. La mayoría de los cementos API están molidos de manera que el 85 % del mismo pasan por la malla # 200. Veamos lo siguiente que nos permite ver lo importante de la molienda, tenemos un mismo tipo de cemento, pero lo molemos de diferentes granulometría. Muestra #1 Se la muele de manera que el 95 % ,pase por la malla # 200 , preparamos una lechada en condiciones de presión y temperatura , el tiempo de frague fue de 55 minutos. Muestra #2 Se la muele hasta que un 75% pase por la malla # 100 ; nuevamente preparamos la lechada en condiciones similares de P y T , y su tiempo de frague es de 170 minutos.

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Es importante entender el concepto de que todo cemento fraguado debe tener un volumen similar al volumen de lechada que lo origino, esto no ocurre siempre así depende del agua de mezcla. Existe un % de agua critico para formar la lechada , donde no hay separación de agua de mezcla , un exceso del agua genera un mayor volumen de lechada pero un menor volumen de cemento fraguado , ya que el resto se separa como agua libre.

Como se observa en las figuras el agua libre se separa en la parte superior , para la cantidad de agua libre que se libera de una lechada influye el agua usada para la mezcla , el envejecimiento del cemento , la forma como ha estado almacenado el cemento , es muy importante recordar que le cemento es un material higroscópico toma con facilidad la humedad, cemento que se lo observa duro con bolas no debe utilizarse para preparar las lechadas , otro factor importante es el contenido de aceite en el lodo , que si se mezcla con la lechada retarda el frague de la lechada , produce falta de adherencia a la formación y tubería , produce grietas por donde puede migrar el gas.

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1.8.- CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS Un cemento determinado se lo fabrica de acuerdo al requerimiento del cliente (sea para la construcción o la industria petrolera) , por esa razón los cemento varían en su composición química y física , molienda , según sea la necesidad . Para regular las especificaciones se han creados institutos que dictan las normas para regular la fabricación de los cementos entre ellos están:

A.C.I AMERICAM CONCRETE INSTITUTE (INSTITUTO AMERICANO DEL CONCRETO) A.S.T.M.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS (SOCIEDAD AMERICANA PARA PRUEBAS DE MATERIALES)

Es el encargado de dictar las normas para los cementos a usar en la industria de la construcción, provee especificaciones para 5 tipos de cementos portland tipo I ,II, III ,IV , V. Todos son elaborados para condiciones de presión temperatura atmosférica.

API

AMERICAM PETROLEUM INSTITUTE

Provee especificaciones para los cementos clase A,B,C,D.E.F.G.H,J. Usados bajos condiciones de presión y temperatura. Los cementos clase A, B , corresponden a los cementos del ASTM I,II y III . Los tipos IV y V , no tienen correspondencia con el API.

CLASIFICACIÓNES API.- La industria petrolera compra cementos fabricados predominantemente conforme a las clasificaciones API como se publicaron en las normas API 10, " Datos específicos para Cementos de Pozos Petroleros y Aditivos de Cemento”. Estos datos han sido publicados anualmente por el Instituto

Americano de Petróleo en Dallas, Texas, desde 1953, cuando las primeras normas nacionales sobre el cemento para su empleo en pozos fueron publicadas (emitidas).

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Estos datos específicos son repasados cada año y revisados según las necesidades de la industria petrolera. Las diferentes clases de Cemento API para su empleo a temperaturas y presiones de fondo de pozo están definidas abajo. Ellos están catalogados en las normas API de fecha 10 junio de 2004.

CLASE A.- Dirigido para el empleo desde la superficie hasta los 6000 pies de profundidad, cuando no se requieren propiedades especiales. Disponible sólo en el tipo ordinario (similar a ASTM C 150, tipo I) . CLASE B.- Dirigido para el empleo desde la superficie hasta los 6000 pies de profundidad, cuando las condiciones requieren de moderada a alta sulfato resistencia. Disponible en ambos tipos: moderadamente (similar a ASTM C 150, tipo II) y altamente resistentes al sulfato. CLASE C- Dirigido para el empleo desde la superficie hasta los 6000 pies de profundidad, cuando las condiciones requieren de un alto endurecimiento temprano. Disponible en los tipos: ordinario y moderadamente (similar a ASTM C 150, tipo III) y altamente resistentes al sulfato. CLASE D.- Dirigido para el empleo desde los 6000 a los 10 000 pies de profundidad, bajo condiciones de moderadas presiones y temperaturas. Disponible en ambos tipos: moderadamente y altamente resistentes al sulfato. CLASE E.- Dirigido para el empleo desde los 10 000 a 14 000 pies de profundidad, bajo condiciones de altas presiones y temperaturas. Disponible en ambos tipos: moderadamente y altamente resistentes al sulfato. CLASE F.- Dirigido para el empleo desde los 10 000 a 16 000 pies de profundidad, bajo condiciones de extremadamente altas presiones y temperaturas. Disponibles en ambos tipos: moderadamente y altamente resistentes al sulfato. CLASE G.- Dirigido para su empleo como un cemento básico de pozo desde la superficie a los 8000 pies de profundidad, o puede ser usado con aceleradores y retardadores para cubrir una amplio rango de profundidades de pozos y temperaturas. No adicionar otros aditivos más que el sulfato de calcio o el agua, o ambos, que pueden ser mezclados con el clinker durante la fabricación del cemento para pozo Clase G. Disponibles en ambos tipos: moderadamente y altamente resistentes al sulfato.

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CLASE H.- D Dirigido para su empleo como un cemento básico de pozo desde la superficie a los 8000 pies de profundidad, o puede ser usado con aceleradores y retardadores para cubrir una amplio rango de profundidades de pozos y temperaturas. No adicionar otros aditivos más que el sulfato de calcio o el agua, o ambos, que pueden ser mezclados con el clinker durante la fabricación del cemento para pozo Clase H. Disponibles en ambos tipos: moderadamente y altamente resistentes al sulfato. La tabla 2.5 lista las clases de cemento API e indica las cuáles son las profundidades a las que son aplicables.

1.8.

1.8

PROPIEDADES DE LA COBERTURA DE CEMENTO SEGÚN LAS ESPECIFICACIONES API En las operaciones de terminación de pozo, los cementos son casi universalmente usados para desplazar el lodo de perforación y para llenar el espacio anular entre la cañería y el agujero abierto. Para cumplir este propósito, los cementos deben ser diseñados para ambientes de pozo variando desde aquellos que se usan en la superficie a aquellos que están a profundidades excedentes de los 30000 pies de profundidad, donde las temperaturas recorren por debajo de la congelación en áreas congeladas a más de 700ºF en pozos perforados para la producción geotérmica a vapor. Los datos específicos no cubren todas las propiedades de cemento sobre tales amplias gamas de profundidad y presión.

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Estos, sin embargo, catalogan las propiedades físicas y químicas de las diferentes clases de cemento que encajarán en la mayoría de las condiciones de pozos. Estos datos específicos incluyen el análisis químico y el análisis físico. Estos análisis comprenden: el contenido de agua, la fineza, la fuerza compresiva, y el tiempo de espesamiento. Aunque estas propiedades describen los cementos para objetivos específicos, los cementos para pozos petroleros deben tener otras propiedades y características para asegurar las funciones necesarias en fondo de pozo. Las exigencias físicas y químicas de las clases de cemento API como se definieron en las Normas API 10 son mostradas en las tablas 2.6 y 2.7. Las propiedades físicas típicas de varias clases de cemento API son mostradas en la tabla 2.8. Las especificaciones de la API no son hechos cumplir por una agencia oficial; sin embargo, el empleo del monograma API indica que el fabricante ha estado de acuerdo con hacer el cemento según los datos específicos perfilados en las Normas API 10. Aunque el API defina ocho clases diferentes de cemento, sólo las clases A, B, C, G, y la H están disponibles por los fabricantes y son distribuidos en los EE UU.

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1.9.- NORMAS DEL CEMENTO FUERA DE LOS E.E.U.U. En la cementación de pozos en países distintos a EE UU, puede ser necesario usar productos locales. La tabla 2.9 cataloga las clasificaciones que han sido establecidas en varios países para los tipos más comunes de cemento de Portland usados para la construcción.

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Para algunos cementos, se hicieron clasificaciones adicionales por ejemplo, OCI (el Tipo de Cemento de Portland Ordinario I), OCII, OCIII. Sin embargo, tales clasificaciones causan problemas en la fijación de una línea divisoria clara entre tipos, porque OC tipo II o III puede fácilmente ser confundida con el cemento RHC o HSC.

En algunos países un fabricante específico puede, por velocidad y simplicidad, usar un símbolo para identificar varios tipos de cemento. La tabla 2.10 cataloga identificaciones equivalentes para varios tipos de cemento Portland, usados por algunos países comúnmente asociados con la industria petrolera

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Abajo están listadas algunas Fábricas que mantienen el monograma de la API y mercado de los cementos para la industria Petrolera. Argentina Australia Bélgica Brasil Canadá Colombia Dinamarca Ecuador Inglaterra Francia Alemania Grecia Italia Irlanda Japón

México Noruega Arabia Saudita Singapur Tailandia Trinidad Estados Unidos

Loma Negra, C.I.A., S.A. Adelaide Brighton Cement Ltd. Compagnie des Ciments Belges Companhia De Cemento Portland Alvarado Cemento Aratu S.A. (Lone Star Industries) Canada Cement Lafarge Ltd. Genstar Cement Ltd. Cementos Hércules Aktieselskabet Aalborg Portland cement Fabrik La Cemento Nacional C.E.M. Blue Circle Industries Ltd. Lafarge Dyckerhoff Zementwerke Ag. Titan Cement Italcement S.P.A. Irish Cement Ltd. Mitsubishi Mining & Cement Co. Ltd. Nihon Cement Co. Ltd. Sumitromo Cement Co. Ube Industries Ltd. Cementos Apasco S.A. Cementos Veracruz S.A. A/S Norcem Saudi Cement Pan Malaysia Cement Works Ptd. Ltd. Jalaprathan Cement Co. Ltd. Trinidad Cement Ltd. Arkansas Cement Capital Cement Inc. General Portland Inc. Ideal Basic Industries Inc. Kaiser Cement Corp. Lehigh Portland Cement Co. Lone Star Industries Inc. The Monarch Cement Co. Southwestern Portland Cement Co. Texas Cement Corp.

1.10.- CEMENTOS ESPECIALES Un número materiales cementantes, usados muy efectivamente para la cementación de pozos, no están dentro de una Clasificación específica de la API o de ASTM. Mientras estos materiales pueden o no ser vendidos bajo una especificación reconocida, sus calidades y uniformidad están generalmente controladas por el distribuidor.

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Estos materiales incluyen: 1. Cementos Puzzolanos Portland 2. Cementos Puzzolano – Cal 3. Cementos de Resina o Plástico 4. Cementos de yeso 5. Cementos diesel – petróleo 6. Cementos Expansivos 7. Cementos Refractarios 8. Cementos de Látex 9. Cementos para ambientes de congelación permanente

Cementos Puzzolánicos.- Los Puzzolánicos incluyen cualquier material con silicio, sea natural o artificial, procesado o sin procesar, que en presencia de cal y agua desarrollen características cementantes. Estos pueden estar divididos en Puzzolanos naturales y/o artificiales. Los Puzzolanos naturales son mayormente de origen volcánico. Los Puzzolanos artificiales son obtenidos mediantes el tratamiento de calentamientos de materiales naturales tales como arcillas, lutitas y algunas rocas silíceas. El Fly Ash es una Combustión producto del carbón y es ampliamente usado en la industria petrolera como una Puzolana. Este es la única puzolana respaldado por ambas especificaciones tanto la API como ASTM. Cuando el cemento Portland se hidrata, el hidróxido de calcio es liberado. Este químico por sí mismo no contribuye en la dureza o en el estrechamiento del agua y puede ser removido mediante la lixiviación. Cuando el Fly Ash está presente en el cemento, se combina con el hidróxido de calcio, ambos contribuyen al endurecimiento y al estrechamiento del agua. El Fly Ash tiene una gravedad específica de 2.3 a 2.7, dependiendo de la fuente, comparado con la gravedad específica del los Cementos Portland de 3.1 a 3.2. Esta diferencia en gravedad específica da como resultado una lechada de cemento Portland de peso más liviano que las lechadas de consistencia similar hechas con Cemento Portland. (la tabla 2.11 Clasifica las especificaciones de la API para el Fly Ash).

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Cementos Puzzolánicos con Cal.- Los cementos puzzolánicos con cal o cal – silicatos son usualmente mezclas de Fly Ash (silicatos), cal hidratada, y pequeñas cantidades de cloruro de calcio. Estos productos se hidratan con agua para producir formas de Silicato de Calcio. A bajas temperaturas sus reacciones son más lentas que reacciones similar con Cementos Portland, y además generalmente son recomendadas para cementaciones primarias a temperaturas superiores a los 140 ºF. Las características de este tipo de cemento son adelgazadores o reductores de la retardación, peso liviano, económicos, y poseen una dureza estable a altas temperaturas.

Cementos Plásticos o con Resina.- Los cementos plásticos o con resinas son materiales especialmente usados selectivamente para taponamientos de agujeros abiertos, perforaciones con squeeze, y pozos con cementación para disposición de desechos. Son usualmente mezclas de agua líquida con resinas, y un catalizador mezclado con un Cemento API Clase A, B, G, o H. La única propiedad de estos cementos es que cuando la presión es aplicada a la lechada la fase de resina puede ser forzada dentro de una zona permeable y formar un

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sello dentro de la formación. Estos cementos son especialmente usados en pozos con volúmenes relativamente pequeños. Son efectivos a temperaturas que van de un rango de 60 a 200 ºF.

Cementos de Yeso.- Los cementos de yeso son usados para trabajos de remediación de una cementación. Normalmente, están disponibles en: 1. Una forma semihidratada de yeso (CaSO 4 * ½H2O) y 2. Como yeso contenedor de un aditivo poderoso de resina (CaSO 4 * 2H2O). Las únicas propiedades de un cemento de yeso son su capacidad de ubicarse rápidamente, su alta dureza temprana, y su expansión positiva (aproximadamente 0.3%). Los cementos de yeso son mezclados con Cementos API Clase A, G, o H en un rango de 8 a 10% de concentración para producir las propiedades tixotrópicas. Esta combinación es particularmente útil en pozos someros para minimizar los recursos de emergencia después de su desplazamiento (Ver figura 3.16). Debido a la solubilidad del yeso, es usualmente considerado como un material de taponamiento temporal a menos que sea ubicado en el fondo del pozo donde no hay movimiento de agua. En enfrentamientos con la pérdida de circulación, los cementos de yeso son algunas veces mezclado don volúmenes iguales de cementos Portland para formar un material de taponamiento insoluble y permanente. Estas mezclas deben ser usadas cautelosamente porque tienen propiedades de ubicación muy rápidas y pueden ubicarse prematuramente durante el desplazamiento. (Ver sección 3.6, concerniente a la pérdida de circulación).

Cementos Diesel – oil.- Para controlar el agua en la perforación o en la producción de pozos, las lechadas de Cementos Diesel – Oil son frecuentemente usadas. Estas lechadas están básicamente compuestas de Cementos API Clase A, B, G, o H mezcladas con diesel o Kerosén con un agente activo en superficie. Los cementos diesel – oil tienen tiempos de bombeabilidad ilimitados, y no se ubicarán a menos que sean desplazados en una zona con asientos de agua: allí la lechada absorbe agua y sitúa un cemento denso y duro. La función del surfactante es de reducir la cantidad de oil necesario para humedecer las partículas de cemento. Algunas composiciones de cemento diesel – oil contienen un anión surfactante cuyo efecto es extender la reacción o

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tiempo de espesamiento para permitir una penetración adicional a la formación. El cemento diesel – oil es usado primordialmente para cerrar el paso del flujo de agua, pero también puede ser usado para reparar fugas en la cañería, para combatir algunos problemas de pérdida de circulación, para taponar canales detrás de la tubería y para controlas la penetración de la lechada. (Ver figura 2.5). Pozo productor de agua y de petróleo

Squeeze con lechada de cemento Diesel oil

El pozo produce sólo petróleo

FIGURA 2.5.- EL PASO DE FLUJO DE AGUA ES CERRADO USANDO CEMENTO DIESEL OIL

Cementos Expansivos.- Para algunas condiciones de fondo de pozo es deseable tener un cemento que se expandirán a través del filtrado de lodo y de la tubería. Para tal uso la industria petrolera ha evaluado varias composiciones que se expanden ligeramente cuando se ubican. Estas reacciones que causan esta expansión son similares al proceso descrito en la literatura de cementación como Ettringite. Ettringite es el proceso de formación de un cristal que toma lugar entre los sulfatos y el aluminato tricálcico componente en el Cemento Portland (figura 2.6). Los Cementos expansivos comerciales (3CaO * Al 2O3 * 3CaSO4 * 32H2O) son tipo Portland a los cuales se les ha añadido un Anhídrido Sulfoaluminato de Calcio (4CaO * 3Al 2O3 * SO3), sulfato de calcio (CaSO 4), y cal (CaO).

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FIGURA 2.6.- CRISTALES ETTRINGITE EN EL CEMENTO

Concurrentemente hay tres tipos de Cementos expansivos comerciales:

1. Tipo K.- Los cuales contienen Sulfoaluminato de calcio como componente y es mezclado con un cemento Portland con licencia de los fabricantes. Cuando el cemento Tipo K es mezclado con agua, la reacción creada por la hidratación de expansión es aproximadamente de 0.05 a 0.20%. 2. Tipo S.- Sugerido por el cemento Portland Assn., consiste de un cemento de alto C3 Al, similar al cemento API Clase A, con aproximadamente un 10 a 15% de yeso. Las características expansivas son similares a aquellas del tipo K. 3. Tipo M.- El cual es obtenido mediante la añadidura de pequeñas cantidades de cementos refractarios al Cemento Portland para producir fuerzas expansivas. Hay otras formulaciones de cemento expansivo: a) API Clase A (cemento Portland) conteniendo de un 5 a 10% de formas semihidratadas de yeso. (Las características expansivas de los cementos API Clase A y Clase H contienen yeso – sulfato de calcio – son comparadas en la Tabla 2.12)

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b) Cemento API Clase A, G, o H conteniendo cloruro de sodio en concentraciones que van de un rango de 5% a la saturación. La expansión es causada por las reacciones del silicato de cloro (Ver Sección 3.9 para una discusión de otros beneficios de la sal.) c) Cementos Puzzolánicos. Fuerzas expansivas son creadas cuando el álcali reacciona con un cemento Clase A, G, o H para formar cristales de Sulfoaluminato. En estos tiempos no hay una prueba de procedimiento o alguna especificación en los estándares de la API para medir las fuerzas expansivas de los cementos. La mayoría de los laboratorios usan la prueba expansiva de bar, empleando un molde de 1 * 1 * 10 pulgadas de muestra de cemento. La fuerza expansiva es medida cortamente después de la ubicación del cemento por una base de referencia y luego en varios intervalos de tiempo hasta que la expansión máxima es alcanzada. Las pruebas de adherencia hidráulica también han sido usadas para evaluar el crecimiento del cristal de los cementos expansivos.

Cementos con Aluminato de Calcio.- Los cementos refractarios son cementos con alto contenido de alúmina fabricados con la mezcla de bauxita

(aluminio mineral) y caliza y calentando la mezcla en hornos reverberos abiertos con crisol hasta que esté licuado. Dos de los más ampliamente usados cementos con alto contenido de alúmina son los llamados Lumnite (fabricado por Lehigh Cement Co., en Gary), y Ciment Fondu (hecho en Inglaterra y Francia por The Lafarge Cement Co., y en los Estados Unidos por Lone Star

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Lafarge Inc.). los análisis de estos materiales difieren de los cementos Portland porque la Bauxita reemplaza la arcilla o lutita usada en la fabricación del Cemento Portland. Los análisis típicos de estos cementos refractarios muestras que contienen aproximadamente un 40% de cal (CaO) y pequeñas cantidades de Silicato y Hierro. Los Aluminatos de Calcio en estos cementos producen un endurecimiento rápido y mayor resistencia a altas temperaturas y al ataque de químicos corrosivos. Los cementos con alto contenido de alúmina son usados en pozos con combustión in-situ, donde las temperaturas alcanzan un rango de 750 a 2000 ºF durante el proceso de quemado. Estos productos pueden ser acelerados o retardados para satisfacer las condiciones individuales de cada pozo, pero las características de retardación se diferenciarán de los cementos Portland. La adición de Cemento Portland a los Cementos refractarios causarán una ubicación rápida además, cuando ambos son manejados en el campo, ellos deben ser almacenados de forma separada.

Cementos de Látex.- Mientras que el Cementos de látex es a veces clasificado como un cemento especial, es actualmente una mezcla de los cementos API Clase A, G, o H con látex líquido o en polvo. Estos látex con químicamente conocidos como acetato de polivinilo, cloruro de polivinilo, o emulsiones de feniletileno butadieno. Improvisan la fuerza de adherencia y el control de filtrado de una lechada de cemento en los pozos. El Látex líquido es añadido en relaciones de aproximadamente 1 gal/saco de cemento. El látex en polvo no congela y puede ser mezclado en seco con cemento antes de ser transportado al lugar del pozo. Las propiedades impartidas por el látex líquido son mostradas en la tabla 2.13.

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Cementos de Congelación Permanente.- Los problemas especiales aparecen en el conductor de cementación y en la superficie de la cañería en medios ambientes congelados. A través del Ártico hay formaciones con cojinetes de hielo que se extienden a profundidades mayores a los 3 000 pies. Pueden ser descritos como suelos congelados en algunas áreas y en otros como bloques de hielo parecidos a un glaciar. (Ver figura 2.7). Es normalmente conveniente usarlo para una colocación rápida, con un cemento con calor de hidratación bajo que no derretirá el suelo congelado (Ver sección 14.10 – Ambientes Congelados).

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Congelación permanente

Congelación discontinua

Temperatura anual Media

FIGURA 2.7.- ÁREAS DE CONGELACIÓN PERMANENTE EN NORTE AMÉRICA. Para tales condiciones de bajas temperaturas, mezclas de cemento base yeso y de cementos refractarios han sido usadas muy satisfactoriamente. La mezcla de cemento de yeso puede ser acelerado o retardado y se ubicará a los15ºF antes de su congelamiento. Para la superficie de la cañería estas lechadas son normalmente diseñadas para un tiempo de bombeabilidad de 2 a 4 horas, aún así el desarrollo de dureza es un poco rápido y varía un poco a temperaturas entre 20 y 80 ºF. 1.1. SUMARIO

En las últimas dos décadas, la estandarización de los cementos y su uso en los campos ha sido grandemente simplificada. El número de clases API ha sido reducido al punto que las Clases API G y H son las más ampliamente usadas. Aproximadamente el 80% de los cementos usados en pozos en países no comunistas son fabricados en los Estados Unidos y mantienen estas dos clases. Aproximadamente el 65% del cemento hecho en los Estados Unidos es el API Clase H (mayormente en las operaciones de la Costa del Golfo y en las del Medio Continente), y el 15% es cemento API Clase G, el cual es vendido en California y en áreas de montañas Rocky. El resto de cemento usado en pozos son el Clase A (10%) o el Clase C (10%).

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