aditivos para cementación

ADITIVOS PARA CEMENTACION

Introducción

SISTEMAS DE CEMENTO PORTLAND:SISTEMAS DE CEMENTO PORTLAND:

Temperaturas: Bajo cero a 700°F

Presiones: Ambiente a 30000 psi

Formaciones Porosas

Fluidos Corrosivos

Formaciones Sobrepresurizadas

Invasiones de Gas

COMO CONTROLAR COMPORTAMIENTO DE ESTOS SISTEMAS?COMO CONTROLAR COMPORTAMIENTO DE ESTOS SISTEMAS?

ADITIVOSADITIVOS

Aditivos

••ACELERADORESACELERADORES

••RETARDADORESRETARDADORES

••EXTENDEDORESEXTENDEDORES

••DENSIFICANTESDENSIFICANTES

••DISPERSANTESDISPERSANTES

••REDUCTORES DE FILTRADOREDUCTORES DE FILTRADO

••MATERIALES PARA PERDIDA POR CIRCULACIONMATERIALES PARA PERDIDA POR CIRCULACION

••ADITIVOS ESPECIALESADITIVOS ESPECIALES

Aditivos - Aceleradores

Aceleradores:Aceleradores: Son agregados a las lechadas de cemento para acortar el tiempo de bombeabilidad y acelerar el proceso de fragüe.

Son sales inorgánicas, generalmente cloruros, silicatos, nitratos de diversos cationes.

Actúan rompiendo un compuesto gelatinoso que se forma alrededor de las partículas de cemento cuando comienza el proceso de hidratación, permitiendo una rápida penetración del agua.

Eficiencia de aceleración según Edwards y Angstadt:

Ca+2 > Mg+2 > Li+ > Na+

Cl- > Br- > NO3- > SO4-2

Los mas usuales son:

•• CLORURO DE CALCIO CLORURO DE CALCIO

•• CLORURO DE SODIOCLORURO DE SODIO


Cloruro de CalcioEs el más eficiente y económico de todos los aceleradores, y puede utilizarse en

todas las clases de cementos API.

Normalmente usado en concentraciones que van de 1 a 4% BWOC.

Concentraciones excesivas aumentan la viscosidad de la lechada y se pierde el control del tiempo de bombeabilidad.

Tiempo deTiempo deBombeabilidadBombeabilidad

aceleradoaceleradocon Cloruro decon Cloruro de

Calcio en Calcio en escamasescamas

Efecto del Cloruro de Calcio sobre el Tiempo de Bombeabilidad

050

100150200250

0 1 2 3 4 5

Cloruro de Calcio (% BWOC)

Tiem

po d

e B

ombe

abili

dad

(min

)

91 °F 103 °F 113 °F


Cloruro de SodioEs menos efectivo que el Cloruro de Calcio

Modifica el Tiempo de Bombeabilidad de diferente forma dependiendo de la concentración:

Tiempo deTiempo deBombeabilidadBombeabilidad

aceleradoaceleradocon Cloruro decon Cloruro de

Sodio en Sodio en escamasescamas

Efecto del Cloruro de Sodio sobre el Tiempo de Bombeabilidad

0100200300400500

0 5 10 15 20 25 30 35

Cloruro de Sodio (% BWOC)

Tiem

po d

e B

ombe

abili

dad

(min

)

140 °F 180 °F

Hasta 10% BWOW actúa como aceleradorEntre 10% y 15% BWOW es esencialmente neutralPor encima de 15% BWOW causa retardo


Cloruro de Sodio (Cont.)Ventajas:

Favorece la Adherencia del cemento a formaciones lutíticas

Minimiza el daño en zonas sensibles al agua dulce

Produce ligera expansión.

Actúa como dispersante en las lechadas reduciendo su viscosidad.

Desventajas:

Puede causar algo de espuma durante su mezclado.

No debe emplearse en lechadas que contengan FT-4.

Tiene problemas de compatibilidad con la mayoría de los reductores de filtrado pero puede utilizarse con FC-22, FC-52L y SGS-500L.

Aditivos - Retardadores

Retardadores:Retardadores: Son agregados a las lechadas de cemento para prolongar el tiempo de bombeabilidad en condiciones de media y alta temperatura. Como consecuencia retardan el desarrollo de Resistencia a la Compresión.

Actúan por mecanismos combinados de Adsorción, Precipitación y Complejado de productos de reacción sobre los granos del cemento reduciendo la reacción de hidratación.

Los mas usuales son:

LIGNOSULFONATOSLIGNOSULFONATOS

ACIDOS CARBOXILICOSACIDOS CARBOXILICOS

DERIVADOS DE CELULOSADERIVADOS DE CELULOSA

COMPUESTOS INORGANICOSCOMPUESTOS INORGANICOS


LignosulfonatosLos más comúnmente usados son lignosulfonatos de sodio y calcio no refinados.

(SR-2 y SR-6)

Son usados en concentraciones que van de 0.1% a 1.5% BWOC. Son efectivos en temperaturas hasta 300°F (BHCT)

Este rango puede ser extendido hasta temperaturas de hasta 400°F con extendedores adecuados (SR-7)

Tienen una acción dispersante.Efecto de los Lignosulfonatos sobre el Tiempo de

Bombeabilidad

0

100

200

300

400

150 200 250 300

BHCT (°F)

Tiem

po d

e B

ombe

abili

dad

(min

)

0,3% SR-6 0,5% SR-6 0,75% SR-6


Ácidos CarboxílicosLos más usuales son sales de Acido Cítrico, Glucónico y Glucoheptónico.

Pueden aplicarse hasta 400°F. Se utilizan de 0.1 a 0.5% BWOC.

Tienen una leve acción dispersante.

Actúan complejando el Ca++ y adsorbiéndose sobre los sitios activos de hidratación.

ÁÁcido cido GlucoheptGlucoheptóónicoÁÁcido Ccido Cíítricotrico ÁÁcido cido GlucGlucóóniconico nico


Derivados de CelulosaEl mas comúnmente usado es CMHEC (Carboximetilhidroxietilcelulosa)

(SR-11 Ex-Diacell LWL).Usado en temperaturas hasta 200 °F, en concentraciones de 0.1 a 1% BWOC.Incrementa la viscosidad de la lechada y funciona también como Reductor de Filtrado.

Efecto de los Derivados de Celulosa sobre el Tiempo de Bombeabilidad

0

100

200

300

400

140 160 180 200 220

BHCT (°F)

Tiem

po d

e B

ombe

abili

dad

(min

)

0,3% SR-11 0,5% SR-11


Compuestos InorgánicosSe utilizan también otros compuestos inorgánicos como:

Ácidos y sus Sales: Bórico, Fosfórico, Crómico, etc.

Cloruro de Sodio: concentraciones > 20%

Óxidos: De Zinc y Plomo

Tetraborato de Sodio: usado como extendedor para lignosulfonatos.

Base Fosfonatos: SR-6 L

Aditivos - Extendedores

Los ExtendedoresExtendedores son usados para :

Reducir la densidad de la lechada: Para reducir la presión hidrostática durante la cementación y evitar pérdidas de circulación.

Incrementar el Rendimiento de la lechada: Los extendedores reducen la cantidad de cemento a usar para llenar un volumen determinado de anular, logrando así economizar.

Los extendedores más usados son:

Extendedores de agua: Arcillas o agentes viscosificantes o materiales con alta superficie específica que permiten el agregado de agua sin generación de excesiva agua libre.

Agregados de Baja Densidad: Se adicionan materiales de densidad menor que la del cemento (3.15 gr/cm3) .

Extendedores Gaseosos: El agregado de Nitrógeno o aire permite lograr extremadamente bajas densidades, aunque su preparación y colocación es compleja.

Aditivos – Extendedores (Extendedores de Agua)

Extendedores de Agua

Mientras más agua se incorpore a la lechada, sin deteriorar sustancialmente las propiedades, menor densidad final tendrá.

Reología

Filtrado

Bombeabilidad

Agua Libre

Resistencia a la compresión


Bentonita (85% Smectita)

La hidratación de las arcillas aumenta su volumen original produciendo altas viscosidades, resistencia de gel y capacidad de soportar sólidos en suspensión.


Bentonita (Cont.)

En la medida que se incrementa el porcentaje de bentonita la densidad de la lechada baja e incrementa el rendimiento, pero cae la resistencia y se incrementa la permeabilidad.

200 ° F

100 ° F


Bentonita (Cont.)

Ventajas

Mezcla: En planta en seco o prehidratada Reología: Mantiene buenas propiedades aún a bajas densidadesAgua salada: Puede usarse pero pierde eficienciaEficiencia: Aumenta cuando se prehidrata previamente (4 a 1).Costo: reducido

Desventajas

Resistencia: Cae substancialmente con la densidadPermeabilidad: Aumenta con la disminución de densidad, luego es menos resistente

a sulfatos y otros corrosivos de formación. Contaminantes: El K+ en el agua de mezcla inhibe la hidrataciónRequerimiento de agua: Por cada 1% de bentonita agregada es necesario adicionar

5.3% de agua (a partir de la R a/c).


Silicato de SodioEl silicato de sodio reacciona con el calcio del cemento para formar un gel de silicato

de calcio que provee suficiente viscosidad para permitir que se usen grandes cantidades de agua de mezcla sin excesiva agua libre separada.

Ventajas

Mezcla: En planta - metasilicato (sol.) o en agua de mezcla - silicato (liq.)Reología: Mantiene buenas propiedades aún a bajas densidadesAgua salada: Puede usarse sin inconvenientesCantidades: Se requiere poca cantidad, esto simplifica el almacenamiento y

manipuleo (uso off shore).Costo: Reducido

Desventajas

Acelera: Acorta la bombeabilidad.Acción química: Quita eficiencia a otros aditivos como red. de filtrado, retardadores,

etc.


PuzolanasSon materiales silíceos o siliceo-aluminosos con mínimas o nulas propiedades

cementicias.

Cuando son agregadas a la lechada en forma finamente dividida (mayor superficie específica), se combina con el (OH)2Ca que libera el cemento en su proceso de hidratación formando un componente cementicio.

Las puzolanas pueden ser:

Naturales: Tierra de Diatomeas y cenizas volcánicas Artificiales: como ciertas cenizas voladoras


Puzolanas (Cont.)

Ventajas

Mezcla: En planta o las cementeras suelen entregar cemento puzolánico.Reología: Similar a las lechadas con bentonita.Resistencia: Tiene mayor que un extendedor tradicional por la actividad de las

puzolanas. Permeabilidad: muy baja, sin excesiva agua tiene menos de 0.001 mD, esto ayuda a

resistir sulfatos y otros agentes corrosivos

Desventajas

Costo: Suele ser muy elevado.


Puzolanas (Cont.)

Tierras de Diatomeas Tierras de Diatomeas

Compuestas por esqueletos silíceos de diatomeas depositadas en lechos de aguas.

Para su uso como extendedor son pulverizadas hasta un tamaño de partícula similar al cemento y por lo tanto el material tiene una gran área superficial y alta demanda de agua.

Ventajas

Reología: Imparte a la lechada propiedades similares a la bentonita; pero no incrementa la viscosidad de la lechada en tan alto grado.Resistencia: Mayor resistencia a la compresión que las lechadas con bentonita

Desventajas

Costo: Elevado Costo


Puzolanas (Cont.)

FlyFly AshAsh (Ceniza Voladora) (Ceniza Voladora)

Residuo de plantas de generación de energía eléctrica que queman carbón. Las cenizas son transportadas por los gases en forma de partículas fundidas y luego se solidifican con formas redondeadas.

Las cenizas tienen una superficie expuesta del orden del cemento, el principal componente de las cenizas es el sílice y la alúmina con algo de oxido de hierro, calcio, álcalis y magnesio, cuarzo, hematita y magnetita.

De acuerdo a la composición, las propiedades de las cenizas varían (2.0 a 2.7 kg/Lt).


Puzolanas (Cont.)

FlyFly AshAsh (Cont.)(Cont.)

Ventajas

Resistencia: Más rápido desarrollo de resistencia.

Desventajas

Agua libre: Requiere adición de bentonita para controlarla.Reología: Debido al alto contenido de cal, la reología debe ser monitoreada

cuidadosamente.Composición: variable, luego lo son sus propiedades.


Puzolanas (Cont.)

MicrosMicrosíílicelice

Es un subproducto de la producción de aleaciones de silicio.

Tamaño de partícula: 0.1 a 0.2 micrones (cerca de 50 a 100 veces más fina que la partícula de cemento o las cenizas puzolánicas).

Área Superficial: 15.000 a 25.000 m2/kg).

Concentración normal de uso: 15%


Puzolanas (Cont.)

MicrosMicrosíílicelice (Cont.)(Cont.)

Ventajas

Filtrado: Ayuda en el control de filtrado de la lechada.Migración de gas: Se ubica en la matriz de cemento colaborando en el control de

migración de gas. Superficie expuesta: extremadamente alta, lo que lleva a alto requerimiento de agua.

Logrando sin agua libre una aceptable resistencia aún para bajas densidades.Temperatura: Es recomendado para altos gradientes térmicos (pozos termales).

Desventajas

Costo: Elevado comparativamente con otros extendedores


MicrocementoSu composición es similar al cemento normal pero su granulometría es 10 veces más

fina.

Por lo tanto el área superficial es extremadamente alta (6500 a 9000 m2/Kg) lo que incrementa el requerimiento de agua.

Pueden obtenerse lechadas con densidades de 12.5 a 11 ppg con 100 a 180 % de agua.

Se logra un rápido desarrollo de la resistencia a la compresión.


Microcemento (Cont.)

Ventajas

Cementación a presión de microanillos: El tamaño de partículas permite sellar microanillos.

Superficie expuesta: extremadamente alta, lo que lleva a alto requerimiento de agua.Logrando sin agua libre una aceptable resistencia aún para bajas densidades.

Rápido desarrollo de resistencia

Desventajas

Costo: Elevado comparativamente con otros extendedores

Aditivos – Extendedores (Materiales de baja densidad)

Perlita ExpandidaEs un vidrio volcánico partido, que se expande al calentarse. La perlita expandida asi

producida tiene una densidad bulk de 0.124 Kg/l lo cual permite formular lechadas con densidades tan bajas como 12.0 Lb/gal (1.44 gr/Cm3).

Una pequeña cantidad de bentonita (2 a 4% BWOC) debe ser adicionada para prevenir la segregación de partículas de la lechada.

La perlita expandida contiene: poros abiertos, cerrados y matriz. Bajo la presión hidrostática los poros abiertos llenos de agua y algunos de los poros cerrados se rompen y como resultado la perlita incrementa su densidad y por ende la mezcla que la contiene.

Por lo tanto, para preparar una lechada con una densidad determinada en fondo de pozo, es necesario mezclar la lechada a una densidad menor en superficie.


Perlita Expandida (Cont.)

Ventajas

Mezcla: Se realiza en seco, se complica a altas concentraciones.Temperatura: Es recomendado para cementar pozos termales o inyección de vapor,

es un buen aislante térmico.

Desventajas

Baja resistencia: A 3000 psi la densidad de la perlita expandida es de 2.4 Kg/Lt


Gilsonita (Rafaelita)Se obtiene en depósitos naturales de asfaltita mineral.

Es un sólido negro y angular, con un amplio rango de tamaño de partículas (hasta 0.6 cm) y por esto es utilizado también como material para pérdida de circulación.

Es inerte en las lechadas de cemento y se mezcla con el cemento produciendo un aumento de volumen de lechada y una disminución del peso.

Tiene una densidad de 1.07 Kg/lts y pueden obtenerse lechadas de hasta 12 ppg (1.44 Kg/lt)

Posee un requerimiento de agua de 2 gal/ft3

Su punto de fusión es de 385 °F (196 °C) pero puede ocurrir ablandamiento a 240 °F (116 °C), por lo tanto no se recomienda su uso en pozos con BHST mayores a 300 °F (149 °C).


Gilsonita (Cont.)

Ventajas

Mezcla: Se realiza en seco, se complica a altas concentraciones.

Costo: Razonablemente económico

Desventajas

Baja resistencia: No soporta elevadas presiones, luego la densidad final de la lechada es superior a la programada.

Temperatura: Hasta 300°F

Otros aditivos: Requiere de la adición de bentonita para mantenerla en mezcla.


MicroesferasSon pequeñas burbujas llenas de gas, con gravedades específicas que varían entre

0.4 y 0.8.

Esto permite preparar lechadas de alta resistencia, baja permeabilidad y densidades tan bajas como 8.05 lb/gal (1.02 Kg/l)

Se utilizan en pozos con bajos gradientes de fractura, y en muchos casos su uso ha eliminado la necesidad de cementación en etapas.

Existen dos tipos:

Microesferas cerámicas (Esfelite)

Microesferas de Vidrio (UL-4000)


Microesferas (Cont.)

Esfelite (Esfelite (MicroesferasMicroesferas cerceráámicas)micas)

Esferas huecas fabricadas de óxidos de sílice y aluminio. El gas interior es una mezcla de CO2 y N2.

Tienen una gravedad específica de 0.7 a 0.8 y una densidad bulk de 25 #/ft3.

El tamaño promedio de partícula es de 125 µm.

Son susceptibles a la ruptura y colapso cuando son expuestas a altas presiones hidrstáticas y como resultado la densidad de la lechada se incrementa.

No se recomienda su uso cuando la presión de fondo excede las 4500 psi.



Esfelite Esfelite (Cont.)(Cont.)

Resistencia del Esfelite

01000200030004000500060007000

0 10 20 30 40

% de Microesferas Rotas

Pres

ión

(psi

)

Resistencia del Esfelite




Efecto de la presión sobre la densidad de lechadas con Esfelite

9,510,010,511,011,512,012,513,013,514,014,5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Presion (psi)

Den

sida

d de

le

chad

a (lb

/gal

)

9#/gal 10,5#/gal 12#/gal




Efecto del Esfelite sobre la densidad de lechadas

0,0

50,0

100,0

150,0

7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5

Densidad de Lechada (lb/gal)

Mic

roes

fera

s(%

BW

OC

)

Densidad de lechada




Ventajas

Mezcla: Se realiza en seco, se complica a altas concentraciones.

Temperatura: Soporta altas temperaturas, apta para pozos termales.

Resistencia: Elevada aún a bajas densidad de lechadas.

Permeabilidad de lechada: Baja.

Desventajas

Costo: Elevado comparado en otros alivianantes naturales.



ULUL--4000 (4000 (MicroesferasMicroesferas de vidrio)de vidrio)

Son fabricadas con vidrio tipo pirex (borosilicato), tienen forma esférica y color blanco transparente.

Otorga fluidez y lubricidad a la lechada, disminuyendo la viscosidad de la misma.

El tamaño de partícula es similar al cemento. La distribución del tamaño puede variar de 20 a 200 micrones, con espesor de paredes de 0.5 a 2 micrones.

Son más livianas que las microesferas cerámicas, tienen una gravedad específica de 0,38 a 0,6.

68Distribución 90 % (µm)44Distribución 50 % (µm)16Distribución 10 % (µm)

4000Presión de colapso (psi)0,38Gravedad específica

68Distribución 90 % (µm)44Distribución 50 % (µm)16Distribución 10 % (µm)

4000Presión de colapso (psi)0,38Gravedad específica

Espesor de pared de0.5 a 2 µm

Espesor de pared de0.5 a 2 µm


Microesferas (Cont.)ULUL--4000 4000 (Cont.)(Cont.)

Ventajas

Mezcla: Se realiza en seco.

Resistencia: Elevada aún a bajas densidad de lechadas.

Permeabilidad de lechada: Baja

Nota: Es la mejor opción para rangos de densidad por debajo de 10 ppg.

Desventajas

Mezcla: por la baja densidad requiere consideraciones especiales, transporte neumático, etc.

Costo: El más elevado, se deben evaluar aspectos de resistencia y rendimiento.

Aditivos – Extendedores (Extendedores Gaseosos)

Nitrógeno (Cemento Espumado)Sistema compuesto por cemento, agua, aditivos, estabilizador de espuma (surfactante)

y nitrógeno.

Se pueden lograr densidades que van desde 4 a 15 ppg, por lo que permite cubrir una amplia gama de posibilidades de cementación.

Desarrolla relativamente alta resistencia a la compresión, baja permeabilidad y puede ser usado para levantar anillos de cemento sin superar el gradiente de fractura.

Provee protección a formacíones sensibles al agua dulce, como arcillas, lutitas y sal.

Si se utiliza el gas en una lechada de corto tiempo de bombeabilidad, puede se útil para controlar grandes flujos de agua de formación, complicada por formaciones de bajo gradiente de fractura.

Controla la percolación de gas de formación, ya que es un cemento compresible.

Provee protección térmica, ya que es un excelente aislante térmico. Puede ser usado a temperaturas desde 28 °F a 600 °F.

Aditivos - Extendedores

Resumen

TIPO DE TIPO DE EXTENDEDOREXTENDEDOR

RANGO DE RANGO DE DENSIDADES DENSIDADES OBTENIBLESOBTENIBLES

(lb/gal)(lb/gal)

COMENTARIOSCOMENTARIOSRANGO DE RANGO DE

RESISTENCIA A LA RESISTENCIA A LA COMPRESION COMPRESION

(Para una densidad (Para una densidad De 12.5 lb/gal)De 12.5 lb/gal)

BentonitaBentonita 11.5 a 1511.5 a 15 Colabora en el Colabora en el Control de FiltradoControl de Filtrado

300 a 1000 psi300 a 1000 psi

Silicatos de SodioSilicatos de Sodio 11 a 1411 a 14 Requieren bajos Requieren bajos porcentajes de uso.porcentajes de uso.Compatible con agua de Compatible con agua de mar.mar.

600 a 800 psi600 a 800 psi

Cemento EspumadoCemento Espumado 4 a 154 a 15 Se obtienen muy bajas Se obtienen muy bajas densidades.densidades.Resistencia a la Resistencia a la CompresiCompresióón mediasn mediasPreparaciPreparacióón complejan compleja

600 a 1200 psi600 a 1200 psi

MicroesferasMicroesferas CerCeráámicasmicas 8.3 a 158.3 a 15 Muy buenos valores de Muy buenos valores de Resistencia a la Resistencia a la CompresiCompresióón, resistencia n, resistencia ttéérmica y propiedades rmica y propiedades aislantes.aislantes.

1000 a 2300 psi1000 a 2300 psi

Aditivos - Densificantes

Densificantes:Densificantes: Son utilizados para controlar formaciones sobrepresurizadas, con gas o formaciones plásticas deformables.

Bajo estas condiciones pueden necesitarse densidades de hasta 18 lbs/gal (2.16 g/cm3). Para ello se agregan materiales con altas gravedades específicas.

Dichos materiales deben cumplir con ciertos criterios:

La distribución de tamaño de partícula del material debe ser compatible con el cemento. (Partículas grandes tienden a decantar y partículas muy pequeñas incrementan la viscosidad).

El requerimiento de agua debe ser bajo.

El material debe ser inerte con respecto a la hidratación del cemento y compatible con los aditivos de cemento.

No deben reducir significativamente la resistencia del cemento

No deben afectar el tiempo de bombeabilidad


Los densificantes mas comúnmente usados son:

MATERIAL GravedadEspecífica

Volumen Absoluto(gal/lb)

ColorRequerimiento

de aguaAdicional

(gal/lb)

IlmenitaIlmenita 4.45 0.027 Negro 0.00

HematitaHematita 5.02 0.024 Rojo 0.0023

BaritaBarita 4.33 0.028 Blanco 0.024


Ilmenita (FeTiO3)

Es un material negro granular con una gravedad específica de 4.45.

Tiene poco efecto sobre el tiempo de bombeabilidad y la resistencia a la compresión.

Generalmente viene en granulometrías gruesas por lo tanto debe ajustarse la reología de la lechada para evitar decantación.

Pueden obtenerse densidades de hasta 20 lb/gal (2.4 gr/cm3)


Hematita (Fe2O3)

Posee una gravedad específica de 5.02.

El material viene en gránulos cristalinos rojos, con una distribución de tamaño de partícula fina. Por lo tanto en altas concentraciones debe agregarse dispersante a la lechada para controlar la viscosidad.

Pueden lograrse lechadas con densidades de hasta 22 lb/gal (2.64 gr/cm3)


Barita (BaSO4)

Es un material blanco grisáceo en polvo, que es fácilmente disponible en la mayoría de las locaciones, aunque no es tan buen densificante como la ilmenita o hematita.

Su gravedad especifica es de 4.33 , pero requiere agregado de agua adicional con lo cual pierde eficiencia como densificante.

Este agregado de agua también disminuye la resistencia a la compresión del cemento fraguado.

No obstante pueden lograrse lechadas de hasta 19 lb/gal (2.28 gr/cm3)

Aditivos - Dispersantes

Las lechadas de cemento son suspensiones concentradas de partículas sólidas en agua (hasta 70%).

La reología de estas suspensiones depende de:

El fluido intesticial entre las partículas (agua de mezcla)

De la fracción de sólidos

De la interacción entre partículas

Por lo tanto la reología es afectada por la carga iónica del agua de mezcla y por distribución de cargas superficiales de las partículas de cemento.

Los dispersantes o reductores de fricción, ajustan las cargas de las partículas sobre la superficie para obtener las propiedades reológicas deseadas.

Son complejos químicos aniónicos( grupo hidrofílico cargado negativamente), que se adsorben sobre la partícula de cemento y las separa suspendiéndolas uniformemente en el agua de mezcla.

Como consecuencia hay menor resistencia al movimiento y mayor movilidad de las partículas, proporcionando una disminución de la viscosidad. Se induce así el flujo turbulento.


En las etapas tempranas de la hidratación del cemento se forma una estructura gelatinosa de C-S-H que otorga cargas negativas a la superficie de las partículas.

Los iones Ca+2 en solución competirán por esos grupos cargados negativamente formando:

Puentes entre dos granos (aumento de viscosidad)

Uniendo dos grupos en el mismo grano (Inerte)

Uniéndose a un sitio lo cual dejará una carga remanente positiva (dispersión)

Según el caso será el comportamiento reológico de la lechada

C2SH- +Ca+ -HSC2

C2SH-

C2SH-

C2SH-

+

Ca

+

+Ca+

+Ca+ -HSC2

AUMENTO DE AUMENTO DE VISCOSIDADVISCOSIDAD

DISPERSIONDISPERSION

INERTEINERTE


Cuando el cemento y agua se mezclan se forma una estructura que previene el flujo debido a la interacción entre partículas. Cuando se le aplica un esfuerzo existe un valor mínimo para que comience a moverse (Punto de Fluencia).

Hasta este valor la lechada se comporta como un sólido y luego de este valor se comporta como un líquido con una determinada viscosidad (Viscosidad Plástica).

Esta viscosidad irá variando en la medida que el sistema es agitado y se va rompiendo la interacción electrostática entre partículas.

Efecto de los dispersantes sobre la reologia de lechadas

0,010,020,030,040,050,060,0

0 100 200 300

Velocidad de corte (RPM)

Esfu

erzo

de

cort

e (L

ectu

ra d

e Fa

nn)

Lechada Neta Lechada Dispersa

Pendiente de la curva= Vp

Ordenada al origen= PF

V aparente= Esfuerzo de corte/velocidad de corte

(decrece al aumentar el esfuerzo de corte)


Una vez que se excede el punto de fluencia, la lechada no se comporta como una unidad singular, sino que se rompe en piezas de agregados de partículas que se mueven unas entre otras.

La ruptura del agregado puede del agregado puede conseguirse por acción de corte o por adición de un dispersante.

Ambas acciones dejan una porción de agua intersticial entrampada en los agregados y por esto, el volumen efectivo de la fase dispersa es mayor que el de los granos de cemento y la viscosidad de la lechada decrece.

FLOCULACION DISPERSION

AGITACIONAGITACION

ADICION DE ADICION DE

DISPERSANTESDISPERSANTES


Cuando el cemento se mezcla con agua, existen sitios con cargas positivas y negativas sobre la superficie de los granos de cemento.

Estos sitios interactúan unos con otros para crear una red estructural continua, que debe romperse si la lechada va a ser bombeable.

Los dispersantes mas usados son polianiones que se agregan a la solución yse adsorben sobre los sitios positivamente cargados de las partículas de cementoevitando la interacción entre partículas y haciendo que se repelan entre sí por cargarse negativamente.

C2SH-

C2SH-

+Ca+

+Ca+

- O3S

- O3S

SO3-

SO3-


El dispersante más utilizado es un PolinaftalenSulfonato (FT(FT--4)4)

Se utiliza en concentraciones que van desde 0.2 a 1.5% BWOC, y es compatible con la mayoría de los aditivos usados en cementación.

No se recomienda su uso en lechadas con sal (NaCl) ya que causa un incremento en la viscosidad.

Una excesiva concentración de dispersante puede ocasionar la sedimentación de sólidos.

Debido a su composición química proveerá cierto retardo en el tiempo de bombeabilidad cuando se aplique en BHCT de hasta 200°F.

Aditivos – Reductores de Filtrado

Cuando la lechada de cemento es alojada a través de una formación permeable bajo presión, ocurre un proceso de ppéérdida de fluidordida de fluido llamado FiltradoFiltrado.

La fase acuosa de la lechada escapa hacia la formación, dejando las partículas de cemento detrás.

Si este proceso no es controlado se producen serias consecuencias sobre el trabajo de cementación. A medida que el volumen de agua decrece, la densidad de la lechada se incrementa y su comportamiento reológico, bombeabilidad y resistencias diferirán del diseño original.

Si la pérdida es suficientemente grande, la lechada se torna imbombeable y puede producirse un fragüe espontáneo (flash set).

El Ensayo de Filtrado APIEnsayo de Filtrado API se realiza a través de una malla 325 registrando la pérdida de fluido en 30 minutos con un diferencial de presión de 1000 psi.

Una lechada de cemento solo tiene una pérdida que excede los 1500 cc/30 min.

En las lechadas se busca controlar el filtrado a valores del orden de 50 a 200 cc, e incluso menores para el caso de cementaciones en formaciones gasíferas.


Para controlar el Filtrado son utilizados aditivos llamados Reductores de FiltradoReductores de Filtrado.

Un buen Reductor de Filtrado debe cumplir con las siguientes condiciones:

Buen control de Pérdida de Fluidos.

Estabilidad con la Temperatura.

Tolerancia al pH.

Compatibilidad con el resto de aditivos de cementación (Sales, dispersantes, retardadores, etc).

No afectar notablemente las condiciones de fragüe de la lechada (Bombeabilidad, Resistencia a la Compresión, etc).

Control de Agua Libre y de Sedimentación de Sólidos.

Otorgar viscosidad controlada a la lechada durante su mezcla en superficie y durante la colocación de la lechada en el pozo.


El mecanismo de control es complejo pero básicamente es a través de la formación de una torta de filtrado de cemento y otros sólidos a través de la superficie permeable la cual impide el libre paso de fluidos hacia la formación.

Existen dos mecanismos de control, uno a través de la reducción de permeabilidad de la torta y el otro incrementando la viscosidad de la fase acuosa.

MALLA325

MALLA325

Velocidad de Filtrado:Velocidad de Filtrado:V = Q = k ∆ P__

A µ e

k µ

e


Tipo "G"3 Lts/Bsa

0.0% BWOC0.2% BWOC0.0% BVOW0.0% BWOC0.0% BWOC0.0% BWOW0.1% BWOC0.0% BWOC0.0% BWOC

Agua de Laboratorio 60.0%

Cloruro de Sodio:Otros aditivos:

Reductor de fricción:Antiespumante:

Acel. de fragüe:Inhibidor de arcillas:

DIACEL LWL

FC-52 L Cemento marca:Reductor de filtrado:

Extendedor:

Agua de Pozo

Composición de la Lechada

AE-11L

HERCULES

Temperatura de ensayo Presión de ensayo57 °C 1000 psi

134.6 °F

Tiempo(min) ml gr0.51.02.05.07.510.015.025.030.0

Blowout : ml en minutos

30.00 ml/30min

ml/30min

2.60

0.80

9.70

15.00

Filtrado

Perdida por Filtrado API

1.40

6.008.00

12.3014.50

Densidad del fluido pesado (gr/lt):

Perdida por Filtrado API Calculada:

Perdida por Filtrado API:

Perdida de Filtrado

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

√ t

Filtr

ado µµ


Tipo "G"1.2%0.0% BWOC0.2% BWOC0.0% BVOW0.0% BWOC0.0% BWOC0.0% BWOW0.3% BWOC

15.0% BWOC0.0% BWOC

Agua de Laboratorio 65.0%

Cloruro de Sodio:Otros aditivos:

Reductor de fricción:Antiespumante:

Acel. de fragüe:Inhibidor de arcillas:

MET.SILde SODIO

FC - 50Cemento marca:Reductor de filtrado:

Extendedor:

Agua de Pozo

Composición de la Lechada

RAFAELITA

AE-11L

COMODORO

Temperatura de ensayo Presión de ensayo°C psi°F

Tiempo(min) ml gr0.51.02.05.07.510.015.025.030.0

Blowout : ml en minutos

30.00 ml/30min

ml/30min

8.30

3.80

11.20

15.00

Filtrado

Perdida por Filtrado API

7.20

9.6010.50

12.4014.10

Densidad del fluido pesado (gr/lt):

Perdida por Filtrado API Calculada:

Perdida por Filtrado API:

Perdida de Filtrado

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

√ t

Filtr

ado kk


Los Reductores de Filtrado más utilizados son básicamente de tres tipos:

Materiales sólidos que disminuyen la permeabilidad de la torta (ingresan en la torta de filtrado y se alojan entre las partículas de cemento):

•Bentonita, Carbonatos, sílicas, látex (LTX-L)

Polímeros solubles que trabajan sobre la viscosidad del agua de mezcla:

•Hidroxietilcelulosa (HEC), CarboxiMetilHEC (FC-2, SR-11 (ex-DiacellLWL),

•Polímeros aniónicos sintéticos (FC-22, FC52-L)

Combinaciones de ambos (FC-50)

HEC CMHEC

Aditivos – Materiales para Pérdida por Circulación

Pérdida por circulación se define como la infiltración parcial o completa de un fluido de circulación (lodo, espaciador, cemento, etc.) en su totalidad hacia la formación, a diferencia del filtrado donde solo se pierde una fracción líquida de dicho fluido.

Las pérdidas de circulación más frecuentes ocurren en :

•LECHOS DE GRAVA: Depósitos o intervalos de arenas de alta permeabilidad y granulometría elevada que aceptan fluidos viscosos a altos caudales. El uso de materiales obturantes gradados (10 a 100 mesh) normalmente solucionan las pérdidas. Se utilizan ssíílicaslicas, carbonatos, celof, carbonatos, celofáán, cn, cááscara de nuez, etc.scara de nuez, etc.

•BOLSAS O CAVERNAS: El principal problema en estos casos es conocer el tamaño de las cavernas. El uso de lechadas convencionales no da resultado. Deben usarse cementos cementos tixotrtixotróópicospicos, diesel/cemento, diesel/bentonita, u otros materiales , diesel/cemento, diesel/bentonita, u otros materiales ultraviscososultraviscosos que provean soporte artificial a la columna hidrostática de lodo.

•FRACTURAS: Es más complicado controlar la pérdida, pues una vez iniciada la fractura esta crece rápidamente aceptando cada vez más fluido. La única forma de controlarlo es a través de tapones ultraviscosos como TemposealTemposeal.. También puede bombearse cemento detrás de dicho tapón para estabilizar la zona cercana al pozo. En caso de tratarse de una zona de interés puede utilizarse MC Cemento MagnMC Cemento Magnéésicosico el cual puede ser removido posteriormente.

Aditivos – Aditivos Especiales

ADITIVO PARA MEJORAR LA TENACIDAD DEL CEMENTO: MFBADITIVO PARA MEJORAR LA TENACIDAD DEL CEMENTO: MFB--12 12 ((MicrofibrasMicrofibras))

Los cementos aditivados con MFB 12 combinan la alta resistencia a la compresión con una muy buena resistencia a la tracción, elasticidad aceptable y valores de tenacidad significativamente superiores a los del cemento estándar o con cualquier otro aditivo (incluso látex).La incorporación de MFB 12 no altera ninguna propiedad físico – química de la

lechada y su mezcla en campo no reviste complicaciones operativas.El MFB 12 se utiliza en cantidades que varían de 0.3 a 0.5 % BWOC. Estas

cantidades hacen que el incremento en el costo de la lechada no sea significativo.


Pozo Cementado sin MFB 12

Previo al punzado Post-punzado


Pozo Cementado con MFB 12

Previo al punzado Post-punzado


••ADITIVO INHIBIDOR DE CORROSIADITIVO INHIBIDOR DE CORROSIÓÓN EN CEMENTO : ICCN EN CEMENTO : ICC--11

La incorporación de un inhibidor de corrosión a las lechadas disminuye la velocidad de corrosión del acero en todos los casos y condiciones ensayados.

La incorporación del inhibidor de corrosión a las lechadas no altera sus propiedades físicas e inhibe el proceso de corrosión localizada (picado).

La cementación completa del pozo empleando lechadas alivianadas y aditivadas con inhibidor de corrosión permite evitar las fallas por corrosión externa de casings, y prolongar la vida útil del pozo sin la necesidad de recurrir a sistemas de control de corrosión auxiliares.


EFECTO DE LOS ADITIVOS COMUNES DE CEMENTACION SOBRE LAS PROPIEDADES DE LAS LECHADAS

Ace

lera

dore

s

Ben

toni

ta

Puz

olan

as

Hem

atita

Ret

arda

dore

s

Dis

pers

ante

s

Red

uct.d

e Fi

ltrad

o

Adi

t. Pé

rdid

a C

ircul

ació

n

Are

nas

Sal

(10-

20%

)

Sili

ca F

lour

Agu

a de

Mar

Requerimiento de Agua Aumenta X X X XDisminuye X

Densidad Aumenta X X XDisminuye X

Viscosidad Aumenta X X X X XDisminuye X X X X

Tiempo Bombeabilidad Acelera XRetarda X X X

Filtrado Aumenta Disminuye X X

Resistencia Temprana Aumenta X X X XDisminuye X X X X X

Resistencia Final Aumenta X XDisminuye X

Durabilidad Aumenta XDisminuye X

Casing Conducc. X X X X XGuia X X X X X X

Tipos de Trabajo Intermedia X X X X X Xdonde son mayormente Casing Producc. X X X X X X X X

usados Liner X X X X XSqueeze X X XTapones X X

X Efecto Menor Efecto Mayor

aditivos para cementación

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