Universidad Nacional Autónoma de México Cementación: Aditivos y Espaciadores Tarea No.8
Introducción Se tienen varios tipos de aditivos para cemento los cuales son clasificados con base a su función:
7 de octubre de 2014
Integrantes Bravo Martínez Gabriela Copca Godínez Elihu Sebastián
Juárez Jacinto Gustavo Medina Rodríguez Kenia
Nogueda Montalvo Miguel Ángel Pérez Hernández Yareli
Resumen En el presente trabajo, se seguirá profundizando en temas de interés para la cementación, como lo son los aditivos del cemento, que se utilizan en la industria para modificar ciertas propiedades iniciales del cemento, considerando las características y la clasificación de estos aditivos. De igual forma se explica la función que ejercen los espaciadores al momento de llevar a cabo la operación de cementación en el pozo, así como la diversa gama que podemos utilizar de estos y sus propiedades.
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Aceleradores. Son productos químicos que reducen el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento. Incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva. Retardadores. Prolongan el tiempo de fraguado de los sistemas de cemento. Extendedores. Son materiales que bajan la densidad de los sistemas de cemento y/o reducen la cantidad de cemento por unidad de volumen del producto fraguado. Densificantes. Son materiales que incrementan la densidad de los sistemas del cemento. Dispersantes. Reducen la viscosidad de las lechadas de cemento.
Controladores de filtrado. Controlan la perdida de la fase acuosa de los sistemas de cemento, frente a zonas permeables.
Controlador de pérdida de circulación. Controlan la perdida de cemento hacia zonas débiles de la formación o fracturas. Aditivos especiales. Es la miscelánea de aditivos complementarios para la cementación, tales como antiespumantes, controladores
de la regresión de la resistencia compresiva, etcétera. En la actualidad más de 40 aditivos químicos son usados con varias clases de cemento API para darle a la lechada de cemento características aceptables para casi todo tipo de ambiente subterráneo. Esencialmente todos los aditivos son polvos que pueden ser mezclados con el cemento seco antes de ser transportado al pozo o pueden ser dispersados con el agua de mezcla en el lugar donde se ubiquen los trabajos de cementación. Los cementos clases G y H pueden ser modificados de manera sencilla mediante el uso de aditivos para cumplir casi cualquier especificación de trabajo de manera económica. Los aditivos de cemento disponibles pueden ser subdivididos en los siguientes grupos funcionales: (1)
aditivos para el control de la densidad, (2) aditivos para el control del tiempo de fraguado, (3) aditivos controlar la perdida de circulación, (4) aditivos para el control de filtrado, (5) aditivos para controlar la viscosidad, y (6) aditivos especiales. Algunos aditivos son empleados para más de una tarea, y por lo tanto pueden entrar en más una clasificación.
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Aditivos para el control de la densidad La densidad de la lechada de cemento debe ser lo suficientemente alta para prevenir que las formaciones sobre presurizadas invadan al pozo durante las operaciones de cementación, pero no tan altas como para fracturar las formaciones más débiles. En muchos casos, la densidad de la lechada de cemento obtenida de mezclar agua con cemento será demasiado para esfuerzo de fractura de la formación, y se necesitara una lechada de menor densidad. Los aditivos para controlar la densidad de una lechada de cemento se pueden dividir en extendedores y densificantes. A continuación se explicara la diferencia entre ellos y se darán ejemplos.
Extendedores Bentonita (Montmorillonita de sodio)este material es capaz de disminuir la densidad de la lechada, sin embargo es indeseable ya que tiende a aumentar la viscosidad de la misma. Se han utilizado concentraciones de hasta 25% de bentonita por peso de cemento. Usualmente la bentonita es mezclada en seco con el cemento. Adicionar bentonita reduce el costo de la lechada, pero si se adiciona demasiada bentonita se reducirá la fuerza del cemento y el tiempo de fraguado. Como la bentonita hace que el cemento se hidrate más de lo normal, el alto contenido de agua reduce la resistencia al ataque de sulfatos e incrementa la permeabilidad del cemento al fraguar. Tierra diatomea- Este material tiene una menor gravedad específica que
la bentonita y permite mayores proporciones de agua/cemento sin dar como resultado agua libre en la lechada. Adicionalmente la silica contenida en la diatomea reacciona químicamente con el hidróxido de calcio desprendido al asentarse el cemento, lo cual produce un gel que se vuelve cementante con el paso del tiempo y la temperatura. Hidrocarburos sólidos- La gilsonita (un asfalteno) y a veces el carbón son usados como solidos con gravedades especificas extremadamente bajas para reducir la densidad de la lechada sin incrementar la cantidad de agua de la misma. Adicional gilsonita no tiene casi ningún efecto secundario sobre el tiempo de fraguado de la lechada Perlita expandida- Es un vidrio volcánico que contiene una pequeña cantidad de agua combinada. La beta es expandida en un horno, donde la temperatura es elevada hasta alcanzar el punto de fusión del material. A esta temperatura, el agua combinada se expande, lo cual produce una estructura celular de paredes delgadas. Cuando la perlita es usada en cementos el agua utilizada en la mezcla entrara a la estructura celular bajo al estar sometido a altas presiones. Se sabe que aproximadamente 4.5 galones de agua son requeridos para saturar completamente 1 pie cubico de perlita expandida bajo presión. Generalmente la bentonita es usada en con junto con la perlita para minimizar la separación del agua en la superficie y alzar la viscosidad de la lechada. Sin la bentonita, la perlita tiende a separarse y flotar en la superficie de la lechada. Sin embargo a presiones altas, se tiene un incremento en la
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densidad de la lechada, debido a que el agua es forzada dentro de la estructura celular de la perlita expandida. Pozzolan- son sustancias minerales aluminosas y silicias que reaccionaran con el hidróxido de calcio formado por la hidratación del cemento portland, estos formaran silicatos de calcio los cuales poseen propiedades cementantes. La tierra diatomea es un ejemplo de un pozzolan. Sin embargo, el término es empleado para aditivos elaborados con piedra pómez finamente molida o bien ceniza (polvo proveniente de la combustión). Las características de este aditivo son muy similares a las del cemento, sin embargo es muy empleado en la industria debido a su bajo costo.
Densificantes Hematita- Es un oxido férrico ( rojizo que tiene aproximadamente una gravedad especifica de 5.02. Es usada para incrementar la densidad de la lechada hasta 19 lbm/gal. El efecto que tiene la hematita sobre el esfuerzo compresivo y el tiempo de fraguado de la lechada es mínimo. Ilmenita- Es un mineral negro, compuesto por acero, titanio y oxígeno, tiene una gravedad especifica de aproximadamente 4.67. A pesar de que presenta una menor cantidad de gradad especifica que la hematita, esta no requiere agua adicional y provee la misma densidad a la lechada que la hematita utilizando concentraciones semejantes. Como la hematita, la ilmenita tiene un efecto mínimo sobre el tiempo de fraguado y el esfuerzo compresivo.
Barita- El uso de barita o sulfato de bario, en las lechadas de cemento es para incrementar la densidad. Los requerimientos de agua de la barita son de aproximadamente 2.4 gal/100 lbm de barita, lo cual es considerablemente mayor a lo requerido para la hematita y la ilmenita. La gran cantidad de agua requerida disminuye el esfuerzo compresivo del cemento y diluye otros aditivos químicos. Arena- La arena Ottawa, a pesar de su relativamente baja gravedad específica de aproximadamente 2.63, en ocasiones es usada para incrementar la densidad de la lechada. La arena tiene pocos efectos sobre la fuerza o la bombeabilidad del cemento, pero causa que la superficie del cemento sea relativamente dura. Pr la tendencia antes mencionada, la arena es comúnmente usada para formar un tapón de cemento cuando se desea re direccionar un pozo.
Aditivos para el control del tiempo de fraguado El cemento debe ser colocado y debe desarrollar la suficiente fuerza para soportar a la tubería y además debe ser capaz de actuar como un sello hermético que no deje pasar los fluidos de la formación. Todo esto debe realizarse antes de que las operaciones de perforación o terminación puedan ser resumidas. Cuando se cementan pozos someros, de bajas temperaturas, puede ser necesario acelerar la hidratación del cemento y así poder minimizar el tiempo de espera después de la cementación. Para lograr esto se utilizan aceleradores. Entre los aceleradores más comunes están los siguientes:
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Cloruro de sodio- Es un acelerador que normalmente se usa en concentraciones bajas. La rapidez ocurre a una concentración de aproximadamente 5% para cementos que no contienen bentonita. En concentraciones superiores a 5% la efectovidad como acelerador se ve reducida, debido a que las soluciones saturadas con cloruro de sodio tienden a actuar como un retardador en vez de un acelerador. Los cementos saturados con cloruro de sodio son frecuentemente utilizados cuando se cementa a través de formaciones salinas y formaciones que son altamente sensibles al agua dulce. Yeso- Grados especiales de yeso pueden ser mezclados con el cemento portland para producir un cemento con un tiempo de fraguado rápido a bajas temperaturas. Estos materiales no deben ser usados a altas temperaturas debido a que los hidratos de yeso no forman un conjunto estable. La máxima temperatura operable depende del grado de cemento usado, variando desde 140°F para los grados regulares hasta 180°F para los grados de alta temperatura. El requerimiento de agua del yeso es de 4.8 gal/100 lbm por saco. Silicato de sodio- Es usado como un acelerador, el cual contiene tierra diatomea. Es empleado en concentraciones de hasta 7%.
Retardadores de Cemento: Los lignosulfatos de calcio es un dispersante muy efectivo a muy bajas concentraciones.
Aditivos controlar la perdida de circulación La pérdida de circulación es definida como la perdida de cemento del pozo hacia la formación. Esta situación es detectada en superficie cuando el flujo por el anular es inferior al flujo bombeado al pozo. La pérdida de circulación ocurre cuando (1) se encuentran formaciones extremadamente permeables o (2) cuando atraviesas formaciones fracturadas o bien la fracturas debido al exceso de presión ejercida sobre la formación. Los aditivos para pérdida de circulación son adicionados a la lechada para minimizar la perdida de cemento hacia formaciones problemáticas, y así asegurar que el cemento se colocara en el lugar deseado. Los aditivos para el control de la perdida de circulación se clasifican como: fibrosos, granulares o laminosos. Los aditivos fibrosos y granulares son efectivos en capas de gravas con altas permeabilidades. En fracturas, los aditivos granulares y laminados son efectivos. Los aditivos granulares más empleados son: gilsonita, perlita expandida, plásticos y cascaras de nuez aplastadas. Los materiales fibrosos utilizados incluyen: fibra de nylon, corteza de madera despedazada, aserrín y paja. Los materiales laminados incluyen celofán y escamas de mica.
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La colocación de estos aditivos semisólidos requiere de una operación especial de colocación. Se debe inyectar una de las siguientes lechadas en conjunto (1) Cementos con yeso, (2) Mezclas de bentonita y aceite diésel, y (3) mezclas de cemento, bentonita y aceite diésel.
Aditivos para el control de filtrado Los aditivos para el control del filtrado son adicionados para la misma razón que se le adicionan al fluido de perforación. Sin embargo, las lechadas de cemento sin tratamiento tienen mayores tasas de perdida de circulación que los lodos sin aditivos. Por tal razón es vital limitar la perdida de agua filtrada de la lechada hacia formaciones permeables. Es necesario minimizar la perdida de fluido por las siguientes razones: Minimizar la hidratación de formaciones sensibles al agua. Limitar el incremento en la viscosidad mientras el cemento es colocado. Prevenir puentes en el espacio anular. Permitir que exista suficiente agua disponible para hidratar el cemento. Los aditivos para el control de filtrado comunes incluyen 1. Látex 2. Bentonita con algún dispersante 3. CMHEC (carboximetil hidroximetil celulosa) 4. Polímeros orgánicos
La tasa de tasa de filtrado en cm3/ 30 min a través de una malla de 325 mesh originada por una presión diferencial de 1000 psi para varias
concentraciones de un polímero orgánico (Halad-9) en un cemento clase H, se muestra en la tabla 1.
Tabla1. Cementos clase H con aditivo de control de fluido, “Applied Enginnering Drilling”, pág. 102.
Aditivos para controlar la viscosidad.
Tabla 2. Tasas de flujo crítico para turbulencia, con y sin dispersante, “Applied Enginnering Drilling”, pág. 102.
Los aditivos comúnmente usados para controlar la viscosidad de la lechada son: Defloculantes orgánicos, como lignosulfonato de calcio, cloruro de sodio y algunos polímeros de cadena larga. Lignosulfatos de calcio-sodio, producen una lechada de baja viscosidad durante el mezclado y ayuda a reducir la presencia de aire. Borax( Sodium tetraborate decahydrate), es utilizado para mejorar la efectividad de los defloculantes orgánicos como retardadores, especialmente en pozos profundos con altas temperaturas, donde es requerido un incremento en el tiempo de fraguado.
Las lechadas de cemento que no son tratadas con aditivos tienen alta viscosidad efectiva en los esfuerzos de corte presentes durante la colocación del cemento. Es deseable reducir la viscosidad efectiva de la lechada para que (1) menos caballos de fuerza sean requeridos en las bombas para colocar el cemento, (2) para que se tenga una reducción en el gradiente de presión por fricción en el espacio anular, y así poder disminuir la probabilidad de fracturar la formación, y (3) con esto la lechada puede ser puesta en flujo turbulento a tasas de bombeo más bajas. La evidencia indica que el fluido de perforación puede ser desplazado con menor mezclado evitando contaminarse con el cemento cuando el patrón de flujo es turbulento. En la tabla 2 se muestra un comparativo de la velocidad requerida para alcanzar la turbulencia del cemento clase H con y sin aditivos para controlar la viscosidad.
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Los defloculantes reducen la viscosidad del cemento pero debe tenerse presente que también actúan como retardadores (aumentan el tiempo de fraguado). Existen algunos polímeros orgánicos disponibles que actúan como adelgazantes sin ace-
lerar o retardar el tiempo de fraguado de la lechada de cemento.
Aditivos especiales
que es benéfico cuando hay riesgo de un flujo de gas en un agujero recién cementado cuando el cemento comienza a fraguar.
Existen otros aditivos no mencionados en ninguna categoría de las anteriores debido a que no modifican ninguna de las propiedades principales de la lechada de cemento, pero no por esto dejan de ser importantes. Estos aditivos especiales incluyen:
A continuación se muestra las consecuencias que tienen la agregación de algunos aditivos sobre las propiedades de las lechadas de cemento.
Paraformaldehido y cromato de sodio Son usados para contrarrestar el efecto de la contaminación del cemento causada por defloculantes orgánicos producto del lodo perforación. Harina de sílice Es usada para formar un cemento más fuerte, estable y menos permeable el cual se puede utilizar a altas temperaturas. Hidracina y carroñeros de oxigeno Son usados para controlar problemas de corrosión en las tuberías. Trazadores radioactivos Son utilizados para determinar la ubicación de colocación del cemento. Fibras especiales El nylon es un ejemplo de estas fibras, las cuales son utilizadas para hacer el cemento más resistente al impacto. Componentes especiales Estos aditivos lentamente toman las pequeñas partículas de gas mientras el cemento comienza a endurecerse. La formación de pequeñas burbujas de gas en el cemento es pensado
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Tabla 3. Aditivos de cementación, “Drilling Data Handbook”, pág. 380
Espaciadores La contaminación de la interferencia entre el lodo y el cemento, es un problema que puede afectar la efectividad de un trabajo de cementación. La contaminación puede llegar a expandirse a través de la lechada y causar una canalización. Este problema puede ser contralado mediante la separación del lodo y el
cemento mediante un fluido espaciador. El espaciador puede ser diseñado para ser usado con fluidos de perforación base aceite y base agua. Los espaciadores son típicamente densificados con sólidos insolubles y agentes de peso. Los espaciadores pesados puede ayudar al control de pozos, mientas que los espaciadores reactivos pueden beneficiar el incremento para remover fluidos de perforación. Los parámetros que afectan la efectividad de los espaciadores son: Gasto Tiempo de contacto Propiedades de los fluidos
nas compañías recomiendan una diferencia de 1 lb/gal entre cada fase del fluido. El volumen de los espaciadores deber ser suficiente para permitir un tiempo de contacto de 10 minutos con la formación durante el proceso de desplazamiento. Este valor es la regla del pulgar para remover el enjarre debido a la erosión por un fluido turbulento. Usualmente el volumen de los espaciadores es de alrededor de 20 bbl o 3.2 m 3 y también cumplen con la función de remover el lodo de perforación del espacio anular entre la tubería de revestimiento y las paredes del pozo.
Los fluidos espaciadores se bombean en flujos turbulentos y laminares. Los espaciadores deben ser diceñados con varias características básicas:
La reologia de los espaciadores a las temperaturas deseadas Debe ser compatible con la lechada de cemento y el lodo de perforación. La densidad debe ser menor que la de la lechada de cemento pero a la vez tiene que ser mayor que la densidad del lodo de perforación. Esta diferencia de densidades minimiza las canalizaciones. Algu-
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Los espaciadores son usados principalmente cuando hay un cambio de tipo de lodo y para separar el lodo del cemento. En la siguiente figura se esquematiza el proceso de como los espaciadores y las lechadas de cemento desplazan el lodo de perforación en el pozo.
Imagen 1. Unidad sencilla de cementación: (a)Lodo de circulación (b) Bombeo de espaciador y lechada (c) y (d) Desplazador (e) Final de trabajo. “Drilling Equipment and Operations”, pág.472
Dos tapones limpiadores son usualmente utilizados para separar el espaciador y la lechada de cemento del fluido de perforación. La cabeza de cementación tiene dos válvulas retenedoras para sostener los dos tapones limpiadores elásticos flexibles. Cuando el espaciador y la lechada de cemento van a ser bombeados dentro de la tubería de revestimiento a través de la cabeza de cementación, el tapón limpiador de fondo es soltado en la porción inicial del flujo espaciador en el pozo. El tapón limpiador de fondo evita que el lodo de perforación contamine el espaciador y la lechada de cemento mientras pasan por dentro de la tubería de revestimiento. Cuando toda la lechada de cemento ha pasado a través de la cabeza de cementación se suelta el tapón lavador superior al flujo en el pozo. En este punto en la operación de cementación la bomba empieza a bombear lodo de perforación a través de la cabeza de cementación al pozo para desplazar tanto al espaciador como a la lechada de cemento. Los tipos de espaciadores son los siguientes:
Espaciadores acuosos Emulsión espaciadora Espaciadores para lodos base aceite Espaciadores salmueras
La química de los espaciadores suelen afectar las propiedades de la
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lechada, por ejemplo, tiempo de fraguado, reología y esfuerzo compresivo.
Bibliografía Adam T. Bourgoyne, “Applied Enginnering Drilling”, “SPE”, (1991) págs. 100-105.
William C. Lyons, “Drilling Equipment and Operations”, “Elseiver”,(2010), págs. 470-480 Institute Français du Pétrole, “Drilling Data Handbook”, “TECHNIP”, (1999), págs. 380-382
