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Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos
de cementación de pozos petrolíferos
Carlos Andrés Romero Villacis
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas, Escuela de Procesos y Energía
Medellín, Colombia
2018
Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos
de cementación de pozos petrolíferos
Carlos Andrés Romero Villacís
Tesis de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título de:
Magíster en Ingeniería - Ingeniería de Petróleos
Director: Ph.D., M.Sc., Ingeniero de Petróleos, Sergio H. Lopera
Línea de Investigación:
Perforación
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas, Escuela de Procesos y Energía
Medellín, Colombia
2018
“Este trabajo de investigación lo dedico a Dios
por darme el regalo de la vida, a mis padres
por todo ese cariño y apoyo incondicional,
gracias a ustedes soy una persona de bien”
Agradecimientos
A Dios.
A mi familia por todo su apoyo en este proceso académico.
Al ingeniero Sergio Lopera director de tesis y amigo por todos sus consejos, su tiempo y
apoyo académico.
A los ingenieros Farid Cortez y Camilo Franco por toda esa motivación, criterio y paciencia,
ha sido un privilegio tenerles como docentes.
Un agradecimiento especial a la Facultad de minas de la Universidad Nacional de
Colombia, a la empresa CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited (CCDC)
por darme la oportunidad de demostrar mis conocimientos y al personal de ingeniería, por
brindarme el soporte necesario para realizar este proyecto de investigación.
Resumen y Abstract XI
Resumen
Analizar las pérdidas por filtrado en los procesos de cementación de pozos es de
vital importancia, debido a que es un factor que puede generar problemas
operacionales en la perforación, ocasionando un fraguado prematuro de la lechada
de cemento, una deshidratación de la lechada de cemento frente a zonas
permeables y un cambio en la composición química de la lechada. El volumen de
filtrado es compuesto básicamente por carbonato de calcio y sulfato de calcio los
cuales ocasionan daños en la formación, debido a que la composición química
produce una reacción por el cambio del pH con los fluidos del yacimiento,
provocando la formación de emulsiones las cuales taponan las gargantas porales,
alteran la permeabilidad en la cara del pozo y obstruyen la movilidad del
hidrocarburo. Por lo tanto el objetivo principal de esta tesis es evaluar el efecto de
las nanopartículas de sílice en la fase acuosa, como controlador de las pérdidas
por filtrado ocasionadas por la deshidratación prematura de la lechada de cemento
frente a zonas altamente permeables. Este proyecto de investigación evalúo los
efectos producidos por las nanopartículas de sílice en un sistema cementante
como el efecto de relleno o filler y el comportamiento de la nanopartículas como
centro de nucleación en el proceso de hidratación del cemento. Para comprobar la
eficacia de las nanopartículas de sílice como aditivo especial, se realizó pruebas
de laboratorio, utilizando las normas API RP 10A y API RP 10B las cuales
recomiendan las buenas prácticas en procesos de cementación, dando como
resultado de la prueba del filtroprensa de alta presión una disminución de volumen
de filtrado con respecto a la lechada base. Por último se realizó una prueba a
condiciones de reservorio la cual corroboro los resultados de las pruebas estáticas
mostrando también un comportamiento de tendencia del filtrado con respecto al
tiempo. Deduciendo así que las nanopartículas de sílice ocupadas como aditivo
especial reducen el volumen de pérdida por filtrado ocasionado en un proceso de
cementación.
Palabras clave: Nanopartícula, Perdidas por filtrado, normativas API, lechada de
cemento.
XII Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Abstract
To analyze the filter losses into cementation process of the wells is very important, due to
be a factor that can generate operational issues in drilling activities, causing a premature
setting of the cement slurry. The filtrate volume is composed basically by calcium
carbonate and calcium sulfate which causes formation damage due to the chemical
composition produces a reaction by the pH with the fluid’s reservoir creating a formation of
emulsions which plugs the poral throats, altering the permeability in the face of the well and
obstruct the mobility of the hydrocarbon therefore, the main objective of this project is to
evaluate the effect of silica nanoparticles in aqueous phase, as a controller of the losses
by filtering caused by the premature dehydration of the cement slurry in front of highly
permeable zones. This research project evaluates the effects produced by silica
nanoparticles in a cementing system such as a filler effect and the behavior of nanoparticles
as a nucleation center in the cement hydration process. To verify the effectiveness of silica
nanoparticles as a special additive, laboratory tests were carried out, using API RP 10A
and API RP 10B normativity, which recommend good practices in cementing processes.
Resulting in a high-pressure filter test a decreasing of filtrate volume respect to the base
slurry. Finally a test was carried out at reservoir conditions which corroborated the results
of the static tests showing also a filtrate trend with respect to time. Deducing that the
nanoparticles of silica occupied as a special additive reduce the volume of loss filtering
caused in a cementing process.
Key Words: Nanoparticle, filtrate losses, Normative API, cement slurry.
Contenido XIII
Contenido
Resumen ........................................................................................................................ XI
Abstract......................................................................................................................... XII
Lista de figuras ............................................................................................................. XV
Lista de tablas ............................................................................................................. XVI
Lista de Símbolos y abreviaturas .............................................................................. XVII
Introducción .................................................................................................................... 1
1. Aspectos teóricos .................................................................................................... 7
1.1 Dispersión de partículas ..................................................................................... 7 1.2 Calorimetría de las nanopartículas de sílice ....................................................... 9 1.3 Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento ............. 10 1.4 Ley de Darcy .................................................................................................... 11 1.5 Componentes de las lechadas de cemento ...................................................... 14
1.5.1 Clases de cementos petroleros ...................................................................... 14 1.5.2 Aditivos para cementación de pozos .............................................................. 16
2. Materiales y métodos ............................................................................................. 19
2.1 Materiales ........................................................................................................ 19 2.1.1 Síntesis de las nanopartículas ....................................................................... 19 2.1.2 Pruebas estáticas API RP 10A y API RP 10B ................................................ 19 2.1.3 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento ........................................... 20
2.2 Métodos ........................................................................................................... 20 2.2.1 Síntesis de las nanopartículas ....................................................................... 20 2.2.2 Parámetros de la lechada base ..................................................................... 21 2.2.3 Pruebas estáticas de laboratorio .................................................................... 23 Densidad: ................................................................................................................. 24 2.2.4 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento ........................................... 27
3. Análisis de resultados ........................................................................................... 31
3.1 Síntesis de las nanopartículas .......................................................................... 31 3.2 Caracterización de la lechada de cemento ....................................................... 33
3.2.1 Caracterización de la lechada de cemento con NpSi58 ................................. 33
XIV Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
3.3 Resultados de las Pruebas estáticas utilizando la normativa API 10 B ............. 36
3.3.1 Pruebas de agua libre ................................................................................... 36 3.3.2 Comportamiento reológico de la lechada de cemento ................................... 37 3.3.3 Pruebas de filtrado API .................................................................................. 43
3.4 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento .............................................. 45 3.4.1 Datos pre-eliminares ..................................................................................... 45 3.4.2 Análisis de resultados de las pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento................................................................................................................ 47
4. Conclusiones y recomendaciones ....................................................................... 51
4.1 Conclusiones .................................................................................................... 51 4.2 Recomendaciones ............................................................................................ 52
Contenido XV
Lista de figuras
Figura 1-1: Curvas de liberación de calor con nanopartículas [46]................................... 9
Figura 1-2: Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento [53] . 10
Figura 1-3: Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento [55] . 11
Figura 1-4: Relación entre la perdida de filtrado y la raíz cuadrada del tiempo [31] ....... 13
Figura 1-5: Relación entre la perdida de filtrado y la temperatura [31] .......................... 14
Figura 2-1: Diagrama empleado para evaluar fluidos de perforación [61,62] : 1) Horno, 2)
Bomba de desplazamiento positivo, 3) Cilindros de desplazamiento, 4) Filtros, 5) Bomba
dos, 6) Porta núcleos, 7) multiplicados de presión 8) Diafragma de presión de poro, 9)
Manómetro, 10) Válvula, 11) Transductor, 12) Probeta. ................................................. 27
Figura 2-2: Diagrama de evaluación de pérdidas por filtrado en laboratorio .................. 29
Figura 3-1: Distribución de tamaño de partícula de las nanopartículas de sílice a) NpSi7,
b) y NpSi58 .................................................................................................................... 32
Figura 3-2: Reología de la lechada de cemento con nanopartículas de 7 nanómetros. . 37
Figura 3-3: Viscosidad Plástica vs Concentración de nanopartículas de sílice de 7
nanómetros. ................................................................................................................... 38
Figura 3-4: Punto cedente vs Concentración de nanopartículas de sílice de 7
nanómetros. ................................................................................................................... 39
Figura 3-5: Reología de la lechada de cemento con nanopartículas de 58 nanómetros. 40
Figura 3-6: Viscosidad Plástica vs Concentración de nanopartículas de sílice de 58
nanómetros. ................................................................................................................... 41
Figura 3-7: Punto cedente vs Concentración de nanopartículas de sílice de 58
nanómetros. ................................................................................................................... 42
Figura 3-8: Pérdidas por filtrado vs Concentración (NpSi7) ........................................... 43
Figura 3-9: Pérdidas por filtrado vs Concentración (NpSi58) ......................................... 44
Figura 3-10: Pérdida por filtrado en Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento. .. 47
Contenido XVI
Lista de tablas
Tabla 1-1: Componentes químicos del cemento tipo G ................................................... 16
Tabla 2-1: Parámetros de la lechada de cemento base. ................................................. 21
Tabla 2-2: Componentes de la lechada de cemento base .............................................. 22
Tabla 2-3: Componentes químicos de la lechada de cemento base ............................... 22
Tabla 2-4: Concentración de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros aplicados a la
lechada base .................................................................................................................. 23
Tabla 2-5: Concentración de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros aplicados a la
lechada base .................................................................................................................. 23
Tabla 3-1: Características de los empaques de arena Ottawa ........................................ 46
Tabla 3-2: Característica de los fluidos ........................................................................... 46
Tabla 3-3: Resultados de Kw y Ko, antes y después de la inyección de la lechada de
cemento base ................................................................................................................. 48
Tabla 3-4: Resultados de Kw y Ko, antes y después de la inyección de la lechada de
cemento con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros ................................................ 49
Contenido XVII
Lista de Símbolos y abreviaturas
Símbolos con letras latinas Símbolo Término Unidad SI
A Área de superficie de la sección trasversal m2 BWOC Masa en base al peso lb/sk H Espesor del revoque cm Ms Masa trasversal de la lechada de cemento G q Vff
Caudal Volumen de fluido libre
cm3/seg mL
Yp Punto cedente lbf/100 ft2
Símbolos con letras griegas Símbolo Término Unidad SI
𝜌 Gravedad específica g
𝑐𝑚3
µ Centipoise 1 g/(cm·s)
Abreviaturas Abreviatura Término
DLS Dispersión dinámica de la luz API American Petroleum Institute NPT Non Productive Time Kw Permeabilidad efectiva al agua Ko Permeabilidad efectiva al aceite
Introducción
El reto de la industria hidrocarburifera en los últimos años ha sido combatir con los bajos
precios del petróleo, [1] lo cual cambia el panorama de negocios y desarrollo de nuevas
tecnologías, desafiando el crecimiento en la innovación de la industria del petróleo [2] Esta
situación trasciende en la investigación con importantes aportes como la propuesta de
utilizar la nanotecnología como alternativa en procesos de perforación de pozos. [3,4,5] En
los fluidos de perforación y de completamiento se ha realizado importantes estudios los
cuales se enfocan en controlar, inhibir o mitigar el daño de formación [6,7,8] y también
evitar posibles fallas operacionales [9].
Los procesos de cementación de pozos se dividen en dos fases, La cementación primaria
se desarrolla después que el hoyo sea perforado en cualquiera de sus secciones [10,11] y
la tubería de revestimiento sea colocada procediendo a cementar el espacio casing-
formación teniendo como destino proteger la tubería de producción, sellar zonas de pérdida
de circulación, proteger zonas productoras y controlar las arremetidas de pozo. La
cementación secundaria tiene como objetivo remediar los problemas que puede tener una
cementación primaria, realizando una cementación forzada o la colocación de tapones de
cemento [10]. Los problemas se originan cuando la lechada de cemento está expuesta a:
zonas de alta permeabilidad, al estrecho margen entre la presión de poro y de fractura,
cuando existe flujos someros de agua y gas, los ambientes son de baja temperatura y entre
otros [11].
Los diseños del revestimiento serán determinados por las condiciones del plan de
perforación [11]. De eso dependerá la configuración de la lechada de cemento debido a
que para cada sección se caracteriza la lechada. Cada sección cumple con un objetivo
diferente ya sea para un revestimiento superficial, revestimiento intermedio o para un
2 Introducción
revestimiento de producción [12]. Dependiendo de los requerimientos de cada sección se
formulara la lechada de cemento, ocupando cemento, aditivos y agua [10].
En el año 1824 Joseph Aspdin desarrollo el cemento llamado Portland utilizando calizas y
arcillas. El cual sería posteriormente ocupado por Frank Hill en la industria hidrocarburifera
en el año 1903, con el objetivo de aislar acuíferos adyacentes a la zona de interés [14].
Años después Halliburton en 1920 diseña lechadas de cemento tomando como referencia
parámetros de los pozos como la presión, temperatura y la profundidad [13]. Las
caracterizaciones de la lechada de cemento mejoraron notablemente a partir del año 1940
donde empezaron a fusionar componentes químicos a las lechadas base logrando así una
mezcla uniforme [15].
En la actualidad Barbudo et al [16], definen al cemento portland como una mezcla compleja
producida por la cocción hasta la sinterización de la mezcla de arcilla y caliza. Este
cemento lo denominan un cemento hidráulico con alto contenido de carbonato de calcio,
hierro, alúmina y sílice. Los cuales permiten el fraguado y la resistencia a la compresión
producto de la hidratación del cemento debido a la mezcla con el agua. Los componentes
de este cemento son óxidos superiores de oxidación lenta los cuales terminan su grado de
oxidación al estar en contacto con el aire al enfriarse [17].
Las principales reacciones en la hidratación del cemento Portland son: el silicato tricálcico
que al reaccionar con el agua produce la torbemorita y la portlandita, el silicato bicálcico
el cual reacciona lentamente al agua y el aluminato tricálcico [16]. El cual forma una
solución coloidal que rodea los silicatos que se encuentran hidratados. Para lograr una
buena cementación y cumplir con los parámetros exigidos por las empresas operadoras,
se utilizan aditivos químicos los cuales pueden ser sólidos y/o soluciones acuosas en las
lechadas de cemento permitiendo una adaptación a las condiciones operativas del plan de
perforación [11]. Los aditivos químicos son utilizados para cambiar las propiedades de la
lechada de cemento como: el tiempo de fraguado, la densidad, la viscosidad, la resistencia
a la comprensión y la perdida por filtrado de la lechada de cemento. Entre los aditivos más
comunes se encuentran los aceleradores, retardadores, controladores de filtrado,
antiespumantes, extendedores y densificantes los cuales son de origen orgánico y/o
sintético y son ocupados como componentes de las lechadas actuales [19].
Introducción 3
Sin embargo, las exigencias de la industria hidrocarburifera requieren una constante
innovación, las cuales permitan aumentar el tiempo de vida de la cementación, reduzcan
el NPT en pozos de alcance extendido y mitiguen el daño de formación causado por el
filtrado.
Por lo cual se están desarrollando nuevas tecnologías que puedan acoplarse a las
necesidades actuales, entre las cuales se encuentra la nanotecnología aplicada a la
industria hidrocarburifera [20]. Un nanomaterial es aquel que las dimensiones son
inferiores a 100 nm (ISO / TS 80004-1), posee un gran área superficial y tiene condiciones
físico-químicas mejoradas. La nanotecnología impulsada por la innovación energética ha
tenido un gran desempeño en aplicaciones de hidrocarburos tanto en upstream [21],
midstream [22] y downstream [22,23].
En base a las consideraciones anteriores, la aplicabilidad de la nanotecnología en la
elaboración de las lechadas de cemento ha sido soportada por varios autores entre ellos
Yazdy et al y Wang [32,33], los cuales promueven la investigación de nuevas aplicaciones
nanotecnológicas en las lechadas de cemento debido a los buenos resultados obtenidos
en sus análisis con respecto a mejorar las propiedades tales como resistencia a la
compresión, resistencia a la abrasión y resistencia a la tracción Björnström et al en el año
2004 [24], justificaron la adición de nanopartículas de sílice para mejorar la hidratación del
cemento pórtland y esta teoría es apoyada por autores como Li et al [25] y Qing et al, [26].
En el año 2012 Santra Ashok et al [27]. Analizaron la influencia de la nanotecnología en
el proceso de hidratación y la planteó como una alternativa química que va contribuir a
mejorar las propiedades físicas químicas del cemento tipo “G” el cual es ocupado en la
industria petrolera. Según Xiujian et al. [28], en su investigación publicada en el año 2016
las nanopartículas de sílice mejoraron las propiedades globales del cemento indicando el
uso potencial en cementaciones de pozo de petróleo y gas en aguas profundas y ultra
profundas. Recientemente Atashnezhad et al, [29] evaluó el efecto de las nanopartículas
de barita con el propósito de mitigar las pérdidas por filtrado los procesos de cementación
de pozos, en este estudio se aplicó nanopartículas de barita directamente al cemento
suspendido a diferentes concentraciones en una lechada de cemento compuesta de agua,
Hidroxietil celulosa, barita y cemento portland. El estudio dio como resultado que
aumentando la concentración de nanopartículas de barita y disminuyendo la concentración
de barita se logró reducir hasta el 50 por ciento de filtrado en análisis de laboratorio con
4 Introducción
respecto a la lechada original [29], Cabe recalcar que barita tiene un peso específico
aproximado de 4.23 gr/cm3 y es habitualmente usada para incrementar la densidad la
lechada y requiere aproximadamente un 22 por ciento de agua de agua de su propio peso.
Mohammadmehdi et al, [37] estudiaron experimentalmente el efecto de las nanopartículas
de sílice sobre las propiedades físicas del cemento. Diferentes pruebas demostraron que
las nanopartículas de sílice se comportan como un agente de relleno en la microestructura
del cemento mejorando el mortero del cemento y también funcionan como un agente
promotor de la reacción punzolaica. El autor índico que la mezcla entre las nanopartículas
de sílice y los morteros de cemento ayudaron a mejorar la reología dando como resultado
un aumento en las resistencias a la compresión y la flexión del mortero de cemento.
Provocando una disminución en la porosidad y permeabilidad del cemento, además la
adición de la nanopartículas de sílice provoco una disminución de agua libre en la lechada,
en el tiempo de fraguado y la duración del período de latencia. Por otro lado Bahadori et
al, [34] en su análisis concluyen que las nanopartículas de sílice no altera la resistencia a
la compresión ni la tensión, pero mejora la microestructura del hormigón lo cual disminuye
la cantidad de cemento necesario en un proceso de cementación, esto se debe al
rendimiento de las partículas sólidas a escala nanométrica y a la nano porosidad existente
en la zona de transición interfacial entre partículas de cemento y áridos [35]. Según
Collepardi et al., [36] a partir de estas características se puede mencionar otras como la
durabilidad y la contracción del cemento. Sin embargo, estos autores no llevaron a cabo
pruebas de dinámicas a condiciones típicas de yacimiento.
En esta tesis se sintetizaron nanopartículas de sílice para aprovechar las ventajas que esta
posee en la interacción fisicoquímica de las lechadas de cemento [28] al obtener buenos
resultados en la hidratación del cemento portland [24,25 26], manteniendo la reología y
resistencia a la compresión [28,30]. La nanopartículas de sílice tiene la capacidad de
ocupar los espacios vacíos existentes en la zona de transición interfacial y el agua [34],
mitigando así una deshidratación de la lechada en la cara de la formación debido al
diferencial de presión [37].
En base a las consideraciones anteriores, la adicción de las nanopartículas de sílice
controlaran las pérdidas por filtrado en las lechadas de cemento debido a que actuarán
como nano-rellenos ocupando los poros vacíos entre partículas de gel C-S-H [35],
Introducción 5
produciendo un efecto en las microestructura del cemento las cuales ocupan las cavidades
capilares que son menores a 100 nanómetros [38]. Aprovechando también las
características fisicoquímicas, la alta relación área superficial/volumen y su capacidad de
mejorar la relación agua/cemento, y reducir la permeabilidad del enjarre inicial de la
lechada [39].
Por lo cual, este proyecto de titulación evaluara el desempeño de la nanotecnología
ocupando nanopartículas de sílice de diferente tamaño y a diferentes concentraciones [40]
sobre una lechada base desarrollada para pozos profundos de la cuenca petrolífera
Oriente [41], el objetivo general de esta tesis fue desarrollar una lechada de cemento que
reduzca las perdidas por filtrado en procesos de cementación de pozos petroleros,
partiendo de los siguientes objetivos específicos:
Realizar la síntesis de las nanopartícula utilizando en método sol-gel.
Elaborar y caracterizar la lechada de cemento.
Realizar pruebas de laboratorio dinámicas y estáticas para verificar la efectividad
de la reducción de pérdidas por filtrado en procesos de cementación.
1. Aspectos teóricos
A continuación se presentan los fundamentos teóricos relacionados con la dispersión de
partículas de sílice en un sistema cementante, el efecto de las nanopartículas de sílice
como centro de nucleación o filler, la influencia de las nanopartículas de sílice sobre la
hidratación del cemento, el efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de
cemento, la determinación de las perdidas por filtrado mediante la ley de Darcy la cual
describe su relación entre la tasa de filtración con la permeabilidad y por último los
componentes de una lechada de cemento.
1.1 Dispersión de partículas
La dispersión de las partículas en una matriz es un factor del cual dependerá el rendimiento
del material cementante, esto se debe a que si existe una mala dispersión de partículas,
la mezcla no poseerá las mismas características en todo su sistema y en algunos casos
cambiara una o varias propiedades [42], como la cantidad y tamaño de los poros y la
tortuosidad de la matriz cementante. Cuando las partículas no se encuentran bien
dispersas pueden producir aglomeraciones en el sistema, lo cual es debido al volumen de
partículas, el pH o el tamaño de las partículas [43]. Debido a estas consideraciones se
debe analizar el tiempo y la aplicación adecuada de ingresar las nanopartículas en la
lechada de cemento por ejemplo Gaitero et al, [45] dedujeron en sus estudios que las
nanopartículas en suspensión dieron mejores resultados que las que se encontraban en
polvo y por su lado Tobón [46] concluyó que a mayor pH en la lechada de cemento las
nanopartículas en polvo tienden aglomerarse con mayor facilidad. Según varios autores
8 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
que utilizaron nanopartículas [44,45,46,47], una buena dispersión incrementara la
viscosidad de suspensión, por lo cual ayudara a la suspensión de cemento y agregados.
Las altas concentraciones de nanomaterial en una matriz cementante tienden agregarse,
lo cual mitiga los efectos positivos de las nanopartículas [46] como actuar de centro de
nucleación de la mezcla. Autores como Shih, Li y Qing [47,25,26] recomiendan en sus
análisis utilizar bajas concentraciones de nanopartículas, alrededor del 0.6, 1 y 3 por ciento
respectivamente, pero autores como Gaitero et al, [45] han encontrado mejores resultados
utilizando concentraciones del 6 por ciento, si existe una alta concentración de partículas
el material cementante tiende a ser propenso a micro grietas.
El actuar como centros de nucleación en el proceso de hidratación es otro fenómeno que
se presenta en la aplicación de las nanopartículas sobre las lechadas de cemento, esto
debido a su gran área superficial y a la actividad de los átomos en su superficie [46]
provocando una mayor cantidad de sitios de nucleación y aumentando la cinética de la
hidratación del cemento [46, 25, 26, 48]. Según el autor Nazari [50], las nanopartículas de
sílice aceleran el proceso de hidratación en la lechada de cemento logrando incrementar
la producción de hidróxidos de calcio (C-S-H).
Por último, un porcentaje de nanopartículas realizan un efecto denominado filler en la
lechada de cemento, el cual es un efecto de relleno según Gaitero et al [45], los materiales
que no sobrepasan las 80 micras son denominados fillers y habitualmente son fragmentos
de rocas silíceas, calcáreas o silico-calcareas. Estos fragmentos varían entre 5 y 30 por
ciento del porcentaje en peso de la lechada y no reaccionan químicamente con el cemento
[46] las propiedades físicas de estas partículas le proporcionan al cemento una disminución
en la permeabilidad [48,49] y fomentan la formación de hidróxidos de calcio, los cuales
estarán presentes entre los granos de cemento y disminuirán la cantidad de poros de la
matriz cementante la cual debido a este efecto tendrá una tendencia de absorción de agua
libre del sistema [43,51].
Capítulo 1 9
1.2 Calorimetría de las nanopartículas de sílice
Para poder estudiar el efecto las nanopartículas de sílice durante la hidratación del
cemento se tiene analizar la calorimetría, la cual depende de una serie reacciones
exotérmicas. Tobón [46] realizo un análisis comparativo de calorimetría entre las curvas
típicas de liberación de calor del cemento Portland realizadas por Taylor [52] y muestras
de cemento Portland con adición de nanopartículas de sílice a diferentes concentraciones.
Los resultados obtenidos en la figura 1-3 mostraron que para ambos casos existió una
misma liberación de energía en forma de calor [46]. También se pudo evidenciar que las
nanopartículas de sílice actúan como aceleradores en el proceso de hidratación aun con
el efecto de dilución [46], este efecto considera que a menor concentración de cemento en
una muestra compuesta con otras adicciones, se libera menor cantidad de energía [52].
Figura 1-1: Curvas de liberación de calor con nanopartículas [46]
10 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
1.3 Efecto del gradiente de presión ejercido por una
lechada de cemento
En el año 1979 Levine [53] llevo a cabo un estudio en el cual planteó que el gradiente de
presión ejercido por parte del cemento disminuye gradualmente con el paso del tiempo,
estos estudios fueron basados en la hipótesis planteada por Carler et al [54] quienes
dedujeron que la gelificación del cemento tenía una relación con la reducción de la carga
hidrostática. Levine [53] evidencia este fenómeno en la figura 1-2 la cual relaciona la
profundidad con la presión.
Figura 1-2: Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento [53]
Capítulo 1 11
En la figura 1-1 se indica el comportantamiento del cemento con referencia al tiempo de
endurecimiento del cemento, mostrando en la primera fase una reduccion de la presión
hidrostática de la lechada de cemento sobre la presion hidraulica del agua de formacion,
en la segunda fase se evidencia una dismunucion en el gradiente de la columna de agua,
esto debido a que la lechada de cemento esta en un proceso de transicion debido al
fraguado del cemento, en la tercera fase se produce un proceso de difucion el cual se
traduce en un declive del gradiente de presión a un gradiente menor, produciendo un efecto
de endurecimiento del cemento produciendo un entrampamiento de las particulas de agua
entre los poros de la lechada de cemento [55] como se lo puede ver en la figura 1-2. Esto
sucede debido a que la permeabilidad del cemento en esta etapa es muy baja, impiendo
asi una migracion del filtrado desde la lechada hacia el sistema externo.
Figura 1-3: Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento [55]
1.4 Ley de Darcy
La ley de Darcy puede ser utilizada para establecer la relación entre la tasa de filtración y
la permeabilidad, superficie de la sección transversal, presión diferencial, viscosidad del
filtrado y espesor del revoque [31]. Esta ley es aplicada cuando existe un flujo de fluidos a
través de un medio permeable como se lo demuestra en la ecuación 1.1.
𝑞 =𝑘 𝐴 ∆𝑝
𝜇ℎ (1.1)
12 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Donde:
q (cm3/seg) es el caudal de filtrado, μ (cp) es la viscosidad, k (darcys) la permeabilidad,
h (cm) el espesor del revoque, ΔP (atmosferas) el Diferencial de presión y A (cm2) la
superficie de la sección transversal.
Cuando las condiciones mencionadas anteriormente son constantes la pérdida por filtrado
disminuye progresivamente en el trascurso del tiempo, hasta que se crea un sello en la
cara de la formación y detenga el filtrado [31]. La ecuación 1.2 permite pronosticar un
volumen de filtrado desconocido VF2 sobre un periodo de tiempo considerado t2, a partir
de una medida de filtración VF1 tomada de un periodo t1, el volumen de filtrado obtenido
estará en función de la raíz cuadrada entre los dos intervalos de tiempo.
𝑉𝐹2 = 𝑉𝐹1 ∗ √𝑡2
𝑡1 (1.2)
Donde:
VF2 es el volumen de filtrado desconocido en un tiempo t2, VF1 es el volumen de filtrado
al tiempo t1 y t2, siendo de t2 es el periodo de tiempo considerado y t1 es el periodo de
tiempo para VF1. La relación del volumen de filtrado y la raíz cuadrada del tiempo se
muestran en la figura 1-4.
Capítulo 1 13
Figura 1-4: Relación entre la perdida de filtrado y la raíz cuadrada del tiempo [31]
La temperatura y presión son otros parámetros que se deben analizar cuando se requiere
hacer un análisis en la determinación de las perdidas por filtrado en un proceso de
cementación. Siendo así que para que exista un filtrado en la formación, la presión del
medio de circulación de la lechada de cemento debe ser mayor a la del medio permeable
[31].
El aumento en la viscosidad del filtrado disminuirá las perdidas por filtrado por lo cual la
temperatura afecta directamente a las características de la lechada de cemento, como se
lo puede visualizar en la figura 1-5, variando su viscosidad produciendo efectos
electroquímicos que influyen al grado de floculación y agregación.
14 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Figura 1-5: Relación entre la perdida de filtrado y la temperatura [31]
1.5 Componentes de las lechadas de cemento
La American Petroleum Institute conocida como API describe los materiales, ensayos de
laboratorio y las condiciones básicas que deben cumplir las lechadas de cemento,
simulando condiciones que posteriormente van a ser aplicadas en campo, según las
especificaciones requeridas. [10,11,12.13.30]
1.5.1 Clases de cementos petroleros
Para elaborar una lechada de cemento primero saber las características del hoyo a
cementar por lo cual la American Petroleum Institute clasifica en nueve a las clases de
cemento dependiendo de su requerimiento fisicoquímico y su rendimiento. [10,11,12]
Capítulo 1 15
Cemento clase “A”: Este tipo de cemento es el resultado de la molienda conjunta
de Clinker tipo II y yeso, se utiliza en cementaciones que van desde la superficie
hasta máximo 6000 ft de profundidad. El cemento clase “A” es ocupado cuando no
se requiere propiedades especiales y la relación agua/cemento es 5.2 gal/sxs.
Cemento clase “B”: Está diseñado para cuando se requiera una resistencia
considerable a los sulfatos debido a su menor contenido de C3A con respecto al
cemento clase “A”: Este clase de cemento se utiliza hasta 6000 ft de profundidad y
la relación agua/cemento es 5.2 gal/sxs.
Cemento clase “C”: Esla clase de cemento es usado cuando se requiere una alta
resistencia a la compresión temprana este cemento es usado hasta los 6000 ft de
profundidad, este cemento tiene una baja densidad debido a que la relación
agua/cemento es 6.3 gal/sxs.
Cemento clase “D”: Este cemento se emplea de 6000 ft a 10000 ft y está
desarrollado para ocuparse bajo condiciones moderadas de presión y temperatura.
La relación agua/cemento es 4.3 gal/sxs.
Cemento clase “E”: Este cemento es usado generalmente para profundidades
considerables que van de 10000 ft hasta 14000 ft, donde las condiciones de presión
y temperatura son altas la relación agua/cemento es 4.3 gal/sxs.
Cemento clase “F”: Esta clase de cemento se fabrica en moderada y alta
resistencia a los sulfatos y es usado para condiciones extremas de presión y
temperatura donde la aplicación va desde los 10000 ft a 16000 de profundidad, y
su relación agua/cemento es 4.3 gal/sxs.
Cemento clase “G y H”: Estos cementos son comúnmente llamados cementos
petroleros el cemento tipo G es el más utiliza en la industria hidrocarburifera, debido
a su composición la cual puede ser modificable con químicos aceleradores o
retardadores de fraguado. Este cemento puede emplearse en trabajos de
cementación que van desde la superficie hasta los 8000 ft de profundidad y estar
expuesto a altas condiciones de presión y temperatura. La relación agua/cemento
es 5.0 gal/sxs.
También existen cementos especiales los cuales tienen sus características propias como
lo son los cementos ultra finos, cementos diésel, cemento resinoso, puzolanas y entre
otros. [12]
16 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Para analizar la reacción química de un cemento frente a los componentes químicos
adicionados en una lechada de cemento, se debe realizar un análisis químico vía seca al
cemento para determinar los compuestos y el porcentaje que ocupa cada uno de ellos en
su constitución, en la tabla se muestra el análisis vía seca de un cemento tipo G. [12]
Tabla 1-1: Componentes químicos del cemento tipo G [12]
Compuesto Formula % p/p
Óxido de silicio SiO2 22.43
Óxido de calcio CaO 64.70
Óxido de hierro Fe2O3 4.10
Óxido de aluminio Al2O3 5.8
Magnesia MgO 1.9
Trióxido de azufre SO3 1.67
Óxido de potasio KO3 0.08
Cenizas 0.54
1.5.2 Aditivos para cementación de pozos
Cuando se va a formular una lechada de cemento se debe analizar las condiciones en las
cuales va estar expuesta y los aditivos [30] que pueden utilizarse para obtener un buen
rendimiento, estos aditivos pueden presentarse en forma líquida o en polvo dependiendo
del compuesto [12]. Entre los aditivos que pueden cambiar la composición de la lechada
de cemento se nombra los siguientes:
Aceleradores: Este componente rompe la sustancia química que se forma en el
área superficial de las partículas de cemento, produciendo una aceleración en el
proceso de fraguado, incrementa el proceso de hidratación y acelera el tiempo de
bombeabilidad. Los aceleradores son: sales inorgánicas, silicatos, cloruros.
Retardantes: Los retardadores actúan sobre los granos de cemento mediante
fenómenos de adsorción y precipitación, reduciendo la hidratación produciendo
Capítulo 1 17
prolongando el tiempo de fraguado y bombeabilidad. Los retardadores más
comunes son: lignosulfonatos, los derivados de la celulosa y ácidos carboxílicos.
Extendedores: Los Extendedores son usados comúnmente para incrementar el
rendimiento de la lechada y reducir la densidad de la lechada, habitualmente se
utilizan: extendedores de agua, extendedores gaseosos y componentes de baja
densidad.
Densificantes: Estos compuestos tienen un alto peso específico los cuales
permiten incrementar la presión hidrostática ejercida por la lechada de cemento.
Los elementos químicos que producen un incremento en la lechada de cemento
son: Ilenita, hemanita y Barita.
Dispersantes: Estos aditivos químicos reducen la viscosidad de la lechada
modificando el punto de cedencia, reducen el contenido de agua, mejoran las
propiedades del controlador del filtrado y reducen la presión de fricción. Siendo el
dispersante más común el Polinaftalensulfonato.
Reductores de filtrado: Los componentes químicos llamados controladores de
filtrado son aquellos que impiden que la fase acuosa de la lechada de cemento
migre hacia una formación permeable. Las repercusiones de las perdidas por
filtrado afectaran la densidad de la lechada, la reología, y la bombeabilidad la cual
puede producir un fraguado espontaneo. Entre los controladores de filtrado más
utilizados son: materiales sólidos y polímeros.
Material para perdida de circulación: Estos aditivos permiten controlar las
pérdidas de la lechada de cemento frente a fracturas o débiles. Entre los principales
controlares tenemos a los siguientes: materiales granulados, la mica y las lechadas
tixotrópicas.
Aditivos especiales: Los aditivos especiales son usados cuando se requiere una
lechada con características diferentes a la convencional o cuando las condiciones
del yacimiento requieren una lechada especial. Entre los principales aditivos
especiales se pueden nombrar los: Antiespumantes, controladores de gas,
inhibidor de corrosión, antisedimentación, entre otros.
2. Materiales y métodos
2.1 Materiales
2.1.1 Síntesis de las nanopartículas
Las nanopartículas sintetizadas para aplicarlas posteriormente en la lechada de cemento
base, con el fin de reducir las pérdidas por filtrado fueron de sílice [56,57,58,59], con
diferente tamaño. Para realizar la síntesis de las nanopartículas de sílice se ocupó en
diferentes concentraciones: TEOS Tetraetil Ortosilicato (99%), etanol (99.9%), NH4OH
Hidróxido de Amonio (30%) y como agente de lavado se ocupo agua desionizada.
2.1.2 Pruebas estáticas API RP 10A y API RP 10B
La lechada de cemento se preparó con una base de cemento Tail tipo G (CCDC, China),
y agua desionizada. Para cambiar las propiedades de la lechada se utilizaron componentes
químicos como el agente retardante denominado BXR-200L (CCDC, China), el agente
antiespumante G603 (CCDC, China), el agente expansivo GJ-Z (CCDC, China) y el
controlador de pérdidas por filtrado BXF-200L (CCDC, China)
20 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
2.1.3 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento
Para comprobar la efectividad de las nanopartículas a condiciones de yacimientos se
elabora dos lechadas de cemento, la primera será la lechada base o blanco y la segunda
será una lechada de cemento base más nanopartículas de sílice. Por consiguiente, para
la elaboración del empaque de arena se utiliza arena de sílice Ottawa (Minercol, Estados
Unidos), para saturar el medio poroso se utilizó salmuera y Tersol denominado aceite
cristal UPS (Protokimica, Colombia).
2.2 Métodos
2.2.1 Síntesis de las nanopartículas
Para la obtención de las nanopartículas de sílice se utilizó el método Sol - gel el cual
consiste en la formación de una suspensión coloidal el cual es el sol y una gelificación
del sólido para formar una red en una fase líquida continua siendo este el gel [59]. Este
método fue planteado por Stöber & Fink [56] el cual propone la síntesis de la nanopartículas
de sílice mediante la hidrolisis de un percusor y la condensación de metales alcóxidos
logrando así un producto puro y homogéneo. El procedimiento para realizar la síntesis de
las nanopartículas de sílice mediante el método sol-gel fue el siguiente: En un beaker se
agrega las cantidades previamente calculas para obtener el tamaño de partícula deseada
de TEOS, etanol y posteriormente el NH4OH sometiendo la mezcla a agitación durante 1
hora a 25°C y por último se somete la muestra a un proceso de secado a 80°C durante 24
horas en un horno eléctrico. [57,58,59,60]
Capítulo 2 21
2.2.2 Parámetros de la lechada base
En la elaboración de una lechada de cemento es importante analizar las propiedades de
la mezcla en laboratorio, Por lo cual antes de realizar cualquier operación de cementación
se debe simular las condiciones de presión y temperatura a las cuales va estar expuesta
la lechada. Las características de la lechada de cemento dependerán de las
concentraciones de los aditivos, tipo de cemento y cantidad de agua. Todo los parámetros
antes mencionados van regidos bajo las normativas API RP 10A y API RP 10B [10]. Para
caracterizar una lechada de cemento debemos analizar propiedades como: La densidad
la cual dependerá de la cantidad de agua y cemento que está compuesto la lechada
variando de 11 a 18.5 ppg, el tiempo de bombeabilidad es otro parámetro muy importante
debido a que indica el tiempo que la lechada de cemento se encuentra en estado líquido
bajo condiciones de presión y temperatura en un medio dinámico, el tiempo de mezclado
en el Waring Blender y el volumen de lechada final, tal como se muestra en la tabla 2-1.
Tabla 2-1: Parámetros de la lechada de cemento base.
Densidad 16.00 ppg
Yield 1,15 Cu ft/sk
Requerimiento de agua 4.39 gal/sk
Fluido total 5.11 gal/sk
Tiempo de mezclado (Waring Blender) 50 seg
Tiempo de bombeabilidad 4.15 min
Para analizar el efecto de las nanopartículas de sílice como controlador de pérdidas por
filtrado, se ocupó la formulación de la lechada de cemento base que emplea habitualmente
la empresa CCDC en Ecuador en pozos profundos. La formulación está enfocada en la
cementación primaria de una zona de interés o productora, por lo cual ocupar los aditivos
correctos y las concentraciones adecuadas, permitirán el buen desempeño de la lechada
en todo el proceso de cementación y mitigara el daño en la formación. Los componentes
bases y químicos con sus respectivas concentraciones son descritos en las tablas 2-1;
2-2 los cuales serán fijos en la elaboración de todas las lechadas de cemento, debido a
22 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
que el objetivo de este análisis es evaluar el comportamiento de las NpSi58 y NpSi7 como
aditivo químico especial en esta lechada base.
Tabla 2-2: Componentes de la lechada de cemento base
Tabla 2-3: Componentes químicos de la lechada de cemento base
Aditivos Concentración Origen
Nombre Descripción
BXR-200L Retardador 0.050 China
BXF-200L
Controlador de
perdida por
filtrado
3.500 China
G603 Antiespumante 0.100 China
GJ-Z Expansivo 3.000 China
Para llevar a cabo el desarrollo de este tema de investigación se debe realizar un análisis
comparativo entre la lechada de cemento base y la lechada de cemento base más la
adición de las nanopartículas de sílice utilizando diferentes concentración, Para lo cual se
debe realizar un total de ocho pruebas, las cuales contemplan cuatro utilizando
nanopartículas de sílice de siete nanómetros (NpSi7) como se puede observar en la tabla
2-4 y cuatro pruebas utilizando nanopartículas de sílice de cincuenta y ocho nanómetros
(NpSi58) como lo describe la tabla 2-5.
Componente Concentración Origen
Nombre Descripción
Cemento Tipo G 100 CHINA
Agua Desionizada 39 -
Capítulo 2 23
Tabla 2-4: Matriz de concentraciones de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros aplicadas a la lechada base
Aditivos Concentración Origen
Nombre Descripción
NpSi7 Nanopartícula 0.025 Colombia
NpSi7 Nanopartícula 0.050 Colombia
NpSi7 Nanopartícula 0.125 Colombia
NpSi7 Nanopartícula 0.180 Colombia
Tabla 2-5: Matriz de concentraciones de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros aplicadas a la lechada base
Aditivos Concentración Origen
Nombre Descripción
NpSi58 Nanopartícula 0.025 Colombia
NpSi58 Nanopartícula 0.050 Colombia
NpSi58 Nanopartícula 0.125 Colombia
NpSi58 Nanopartícula 0.180 Colombia
2.2.3 Pruebas estáticas de laboratorio
Las pruebas estáticas fueron realizadas bajo las normativas API RP 10A Y RP 10B [10] en
las que se establece las practicas recomendadas para realizar las pruebas de
cementación. Por lo cual, se ha determinado analizar la densidad, la reología, el control de
perdida por filtrado y el agua libre. Para realizar las pruebas estáticas se acondiciono
previamente las lechadas de cemento a una temperatura similar a la de circulación.
24 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Los equipos utilizados para realizar las pruebas son los siguientes
Consistómetro presurizado (acondicionamiento de la lechada).
Probeta de 250 ml (agua libre)
Balanza presurizada (Densidad).
Filtro-prensa de alta presión (Filtración).
Viscosímetro Rotacional Ofite (Reología).
Agua libre: Esta prueba se la realiza con el propósito de observar la estabilidad estática
de la lechada de cemento y poder contabilizar el volumen de agua que se separa de la
lechada de cemento antes de su proceso de fraguado [10]. Para realizar una prueba de
agua libre primero se debe realizar la lechada de cemento y acondicionarla en el
consistómetro presurizado, después agregar 250 ml de lechada de cemento en una
probeta con dicha capacidad y taparla con el propósito de evitar la evaporación del fluido
libre, luego dejar la mezcla en superación durante 2 horas, después del tiempo trascurrido
medir la cantidad de fluido libre obtenido. Por consiguiente, ingresar el dato del volumen
de filtrado a la formula (2.1) y determinar el volumen agua libre en porcentaje.
%𝐹𝐹 =𝑉𝐹𝐹∗ 𝜌
𝑚𝑠∗ 100 (2.1)
Donde:
%FF es el contenido de agua libre determinado porcentaje, Vff es el volumen de fluido
libre expresado en mililitros, 𝜌 es la gravedad específica en gr/cm3 y ms es la masa
inicial de la lechada en gramos.
Densidad: La densidad depende de la cantidad de cemento y agua que se encuentra en
la mezcla, este parámetro es expresado en ppg. Para determinar la densidad se utiliza una
balanza presurizada a la cual se le debe extraer todo el aire de la porta muestras de la
balanza. Para determinar la densidad se debe realizar la lechada de cemento y verter
dentro de la porta muestra de la balanza presurizada, cuidadosamente se ajusta la tapa
Capítulo 2 25
de la balanza presurizada y sellar completamente la cámara con consiguiente, extraer todo
el aire alojado dentro de la cámara con una bomba manual para finalmente colocar la
balanza en el medidor de peso, por consiguiente deslizar el indicador hasta que se
encuentre en equilibrio y proceder a leer el valor de la densidad.
Reología: La reología permite evaluar el comportamiento del flujo y su deformación
mediante modelos plásticos como el de Binghan o el modelo de ley de las potencias. La
prueba de reología describe el comportamiento de la lechada en movimiento en el proceso
de cementación, las características de la mezcla, el tiempo la bombeabilidad y la capacidad
de remover el lodo del espacio anular por parte de la lechada de cemento. Para realizar
esta prueba se debe realizar el siguiente procedimiento, Adecuar la lechada de cemento
con el consistómetro después aplicar la lechada de cemento en la copa del viscosímetro
hasta el indicador marcado en la copa y por ultimo tomar las lecturas proporcionadas por
el viscosímetro ofite 600, 300, 200, 100, 6 y 3 rpm de forma ascendente y por ultimo de
forma descendente. Tomando en cuenta que se analiza la lechada sometida a temperatura
de circulación y ambiente para determinar su comportamiento [10]. Los datos de reología
son utilizados para calcular la viscosidad plástica y el punto cedente.
Viscosidad plástica: La viscosidad plástica se describe como la resistencia al flujo que es
caudado por la fricción mecánica. La viscosidad plástica depende de la concentración,
tamaño y la forma de los sólidos presentes en la lechada. Po lo cual, se utiliza la siguiente
ecuación.
Determinación de la viscosidad plástica para lechadas de cemento.
𝑉𝑝 = (𝜃300 − 𝜃100) ∗ 1.5 (2.2)
Donde:
26 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Vp es la viscosidad plástica expresada en centipoise, θ300 es el valor obtenido a 300 rpm
medido por el viscosímetro ofite y θ100 es el valor obtenido a 100 rpm medido por el
viscosímetro ofite.
Punto cedente: Esta propiedad de la lechada de cemento se refiere a la resistencia al flujo
inicial o el esfuerzo requerido para que la lechada se mueva. Por lo cual, se utiliza la
siguiente ecuación.
Determinación del punto cedente para lechadas de cemento
𝑌𝑝 = 𝜃300 − 𝑉𝑃 (2.3)
Donde:
Yp es punto cedente expresado en lbf/100ft2, θ300 es el valor obtenido a 300 rpm medido
por el viscosímetro ofite y VP es la viscosidad plástica calculada previamente.
Perdida por filtrado: Esta prueba permite determinar el tiempo de deshidratación de la
lechada de cemento frente a una zona permeable, esto sucede por el diferencial de presión
existente entre ambas zonas. Los efectos causados por la perdida por filtrado son el
fraguado prematuro, cambio en la densidad y cambio en la composición química del
cemento. Según la aplicación de la lechada de cemento se realiza la prueba por filtrado,
en este caso se utiliza el método de determinación por alta presión debido a que la
composición de la lechada es para un pozo de 9500 ft aproximadamente. Para realizar una
prueba de filtrado API [10] se debe primero adecuar la lechada de cemento a condiciones
de temperatura que va estar expuesta la lechada de cemento con el consistómetro
presurizado, después armar el filtroprensa ubicando una malla de 45 μm en el extremo
inferior de la celda, la cual estará en contacto con la lechada de cemento luego
acondicionar el filtroprensa a la temperatura circulante, después presurizar el sistema con
nitrógeno a 1000 psi, posteriormente ubicar una por debajo del filtroprensa una probeta
Capítulo 2 27
para poder medir el volumen de filtrado, después contabilizar la cantidad de, filtrado
volumen a los 0.5, 1, 2, 5, 7.5, 10, 15, 20, 25 y 30 minutos, con estos resultados medir el
volumen total de filtrado y multiplicarlo por 2 para obtener el resultado en unidades API,
con toda la prevención del caso proceder a despresurizar el sistema y posteriormente
proceder a desmontar el equipo cuidadosamente.
2.2.4 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento
Con el propósito de simular el proceso de cementación de una zona productora, se procede
a realizar una prueba dinámica a condiciones propias del yacimiento como: presión de
poro, presión de sobrecarga, overbalance y temperatura. Por lo cual, se utiliza el diagrama
planteado en la figura 2-1, el cual es ocupado en la Universidad Nacional de Colombia [61]
para realizar saturaciones en el medio poroso y por consiguiente medir el daño de
formación. Para un sistema de inyección de cemento se necesita un cabezote con doble
diafragma, el cual permita inyectar la lechada de cemento por un diafragma y por
consiguiente evacuarla por el otro, tal como se muestra en la figura 2-2.
Figura 2-1: Diagrama empleado para evaluar fluidos de perforación [61,62] : 1) Horno, 2) Bomba de desplazamiento positivo, 3) Cilindros de desplazamiento, 4) Filtros, 5)
Bomba dos, 6) Porta núcleos, 7) multiplicados de presión 8) Diafragma de presión de poro, 9) Manómetro, 10) Válvula, 11) Transductor, 12) Probeta.
28 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
El Procedimiento se debe hacer en el siguiente orden 1) Elaborar el empaque, utilizando
arena Ottawa del tamaño de malla deseado, 2) Medir la porosidad mediante el método del
peso seco, 3) Adecuar y armar el sistema de desplazamiento con las condiciones
previamente planteadas, 4) Inyectar salmuera para obtener datos de la permeabilidad
absoluta, 5) Inyectar aceite para obtener datos de la permeabilidad efectiva, 6) Cambiar de
cabezote fijo a uno de doble diafragma, el cual simulara un proceso de cementación a nivel
de laboratorio, 7) Desplazar la lechada de cemento base durante dos horas por la cara del
empaque de arena y ubicar una probeta en el al final del cabezote móvil para medir el
filtrado de la lechada de cemento, 8) Cambiar el cabezote de doble diafragma por el
cabezote fijo, 9) Inyectar salmuera para medir la permeabilidad absoluta después del
desplazamiento de la lechada de cemento base, 10) Inyectar aceite para medir la
permeabilidad efectiva después del desplazamiento de la lechada de cemento base, 11)
Elaborar un nuevo empaque de arena Ottawa, utilizando el tamaño de malla del empaque
anterior, y cambiarlo por el utilizado en la prueba anterior, 12) Medir la porosidad mediante
el método del peso seco 13) Utilizar las mismas condiciones ocupadas en el sistema
anterior, 14) Inyectar salmuera para obtener datos de la permeabilidad absoluta,
15) Inyectar aceite para obtener datos de la permeabilidad efectiva, 16) Cambiar de
cabezote fijo a uno de doble diafragma, el cual simulara un proceso de cementación a nivel
de laboratorio, 17) Desplazar la lechada de cemento con nanopartículas por la cara del
empaque de arena durante dos horas y ubicar una probeta en el al final del cabezote móvil
para medir el filtrado de la lechada de cemento, 18) Cambiar el cabezote de doble
diafragma por el cabezote fijo, 19) Inyectar salmuera para medir la permeabilidad absoluta
después del desplazamiento de la lechada de cemento con nanopartículas, 20) Inyectar
aceite para medir la permeabilidad efectiva después del desplazamiento de la lechada de
cemento con nanopartículas y finalmente determina el porcentaje de daño en Ko y Kw.
Capítulo 2 29
Figura 2-2: Diagrama de evaluación de pérdidas por filtrado en laboratorio
En la figura 2-2 se puede observar de manera detallada la interacción entre la lechada de
cemento y el empaque de arena. La fenomenología producida entre el cemento y la
formación produce una formación de un mud cake de cemento, el cual debe tener una
permeabilidad baja para disminuir el volumen de filtrado. En esta gráfica también se puede
identificar las zonas afectadas por el proceso de cementación como la zona lavada la cual
ha estado expuesta directamente al fluido de perforación, aplicación de espaciadores y al
proceso de cementación, la zona de transición es la parte de la formación la cual ha sido
por el filtrado del lodo y del cemento, por último la zona virgen es la parte a la cual migra
solo el filtrado de cemento, debido a que la lechada de cemento es presurizada en el
30 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
espacio anular hasta llenar el volumen deseado, variando la presión diferencial entre la
lechada de cemento y la formación.
3. Análisis de resultados
3.1 Síntesis de las nanopartículas
En este trabajo de investigación se sintetizaron nanopartículas de sílice de diferente
tamaño, siendo nombradas como NpSi7 y NpSi58. Para la elaboración de las NpSi se
ocupó las relaciones molares publicadas por Betancurt [60], quien utilizo los reactivos
químicos en el siguiente orden: TEOS, etanol y NH4OH y ocupo la siguiente relación molar
para la elaboración de las NpSi7 1:1.1:0.2, y para la relación molar de las NpSi58 fue 0.8:
1.1:1.1. La síntesis fue basada en el método sol-gel el cual propone la síntesis de partículas
de sílice por medio de la hidrólisis de un precursor [56,57,58] y la medición del tamaño de
las nanopartículas se las realizo mediante la técnica de dispersión dinámica de la luz (DLS)
Las imágenes tomadas por el microscopio eléctrico y la distribución del tamaño de partícula
representada en una campana de Gauss se presentan en la figura 3-1en el panel a) se
presentan las NpSi7 y el panel b) se presentan las NpSi58.
32 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Figura 3-1: Distribución de tamaño de partícula de las nanopartículas de sílice a) NpSi7, b) y NpSi58
Capítulo 3 33
3.2 Caracterización de la lechada de cemento
Previo a la caracterización de la lechada de cemento con nanopartículas se elaboró
pruebas experimentales considerando la influencia de la nanoadición en el
comportamiento de la mezcla. El resultado se obtuvo mediante una prueba de filtrado API
10B RP [10] con la cual se observó un comportamiento homogéneo de la mezcla tal como
lo demostro Pang et, al. [27], conformada por agua, cemento y aditivos, justificando la
adición de las nanopartículas después de la elaboración de la lechada, logrando conseguir
una reducción en el porcentaje de filtrado con este método el cual se lo describe en la
ecuación 3.1 donde se presenta el orden ocupado para la elaboración de todas las
lechadas.
𝐿𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑁𝑝𝑆𝑖 = (𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝐴𝑔𝑢𝑎) + ((𝐺603) + (𝐵𝑋𝐹 − 200𝐿) +(𝐵𝑋𝑅 − 200𝐿) + (𝐺𝐽 − 𝑍)
) + (𝑁𝑝𝑆𝑖) (3.1)
3.2.1 Caracterización de la lechada de cemento con NpSi58
Partiendo de los resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio se presenta la
caracterización de la lechada de cemento con NpSi58 con una concentración de 0.05 sobre
el volumen total del peso del cemento.
Masa en base al peso del cemento: Para calcular la masa de las NpSi58 en base al peso
de las del cemento tail, se utilizó la masa en peso de la lechada base y se le sumo la base
en peso de NpSi ocupando la concentración 0.05.
34 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
mNpSi(58nm)0.05%BWOC =94
lb
sk∗0.05% = 0.047
lb
sk
(3.2)
Volumen ocupado por la masa con base al peso del cemento: El cálculo del volumen
ocupado por las NpSi58 se lo obtuvo ocupando la masa en base al peso de cemento con
NpSi58, dividido para la densidad de la NpSi58 el cual es 89.726.
vNpSi(58nm)0.05%BWOC =
0.047lbsk
89.726 = 0.005238
gal
sk
(3.3)
Σm de los diseños de lechada con nanomaterial: Para obtener este resultado se agregó
el volumen ocupado por las NpSi58 en base al peso de cemento al sumado de la lechada
base.
∑ mNpSi(58nm)0.05%BWOC =100.251
lb
sk+0.047
lb
sk = 100.289
lb
sk
(3.4)
Σv de los diseños de lechada con nanomaterial: Para obtener este resultado se agregó
el volumen ocupado por las NpSi58 en base al peso de cemento al sumado de la lechada
base.
∑ vNpSi(58nm)0.05%BWOC =3.992
gal
sk+0.005238
gal
sk = 3.99723
gal
sk
(3.5)
Requerimiento de agua para los diseños de lechada con nanomaterial: Este cálculo
determinara la cantidad de agua a ocuparse por cada saco de cemento utilizado en un
proceso de cementación a nivel campo.
Capítulo 3 35
vagua NpSi0.05%BWOC =
100.251lbsk
(16lb
gal∗3.997
galsk
)
(16lb
gal∗8.31
lbsk
) = 4.730
gal
sk
(3.6)
Rendimiento de las lechadas con NpSi: El rendimiento es el volumen de lechada de
cemento, cuando un saco de cemento es mezclado con el agua y los componentes
químicos deseados
𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑁𝑝𝑆𝑖0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =
3.997𝑙𝑏𝑠𝑘
+4.730
(7.48𝑔𝑎𝑙
𝑓𝑡3)
= 1.166𝑓𝑡3
𝑠𝑘
(3.7)
A continuación se determina la cantidad de materiales en gramos a ocuparse en la
elaboración de la lechada de cemento con NpSi, tomando en cuenta el rendimiento en el
cálculo 3.7
Cantidad de cemento para 800ml de lechada con NpSi58.
𝑚𝑎𝑠𝑎𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =
903.434
(1.166𝑔𝑎𝑙
𝑓𝑡3)
= 774.814 𝑔𝑟 (3.8)
Cantidad de agua para 800ml de lechada con NpSi58.
𝑚𝑎𝑠𝑎𝑎𝑔𝑢𝑎 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =
9.611
(1.166𝑔𝑎𝑙
𝑓𝑡3)
∗4.370𝑔𝑎𝑙
𝑠𝑘∗8.31 𝑝𝑝𝑔= 323.990 𝑔𝑟
(3.9)
Cantidad de retardador para 800ml de lechada con NpSi58.
𝑚𝑎𝑠𝑎𝐵𝑋𝑅−200𝐿 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =
903.434
(1.166𝑔𝑎𝑙
𝑓𝑡3)
∗0.05 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 0.388 𝑔𝑟 (3.10)
36 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Cantidad de controlador de filtrado para 600ml de lechada con NpSi58.
𝑚𝑎𝑠𝑎𝐵𝑋𝐹−200𝐿 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =
903.434
(1.166𝑔𝑎𝑙
𝑓𝑡3)
∗3.5 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 27.11 𝑔𝑟 (3.11)
Cantidad de antiespumante para 600ml de lechada con NpSi58.
𝑚𝑎𝑠𝑎𝐺603 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =
903.434
(1.166𝑔𝑎𝑙
𝑓𝑡3)
∗0.1 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 0.775 𝑔𝑟 (3.12)
Cantidad de expansivo para 600ml de lechada con NpSi58.
𝑚𝑎𝑠𝑎𝐺𝐽−𝑍 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =
903.434
(1.166𝑔𝑎𝑙
𝑓𝑡3)
∗3 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 23.254 𝑔𝑟 (3.13)
Cantidad de NpSi58 para 600ml de lechada.
𝑚𝑎𝑠𝑎𝑁𝑝𝑆𝑖 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =
903.434
(1.166𝑔𝑎𝑙
𝑓𝑡3)
∗0.05 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 0.388 𝑔𝑟 (3.14)
3.3 Resultados de las Pruebas estáticas utilizando la normativa API 10 B
3.3.1 Pruebas de agua libre
Los resultados obtenidos en esta prueba demostraron que las nanopartículas de sílice no
afectan a la separación del agua en la lechada de cemento, evidenciando un 0 por ciento
Capítulo 3 37
de volumen de agua libre. Esto se debe a que las nanopartículas no repercuten en la
absorción química de agua con el material cementante lo cual mantiene las condiciones
de hidratación de la mezcla.
3.3.2 Comportamiento reológico de la lechada de cemento
Para poder determinar el comportamiento reológico de la lechada de cemento con
nanopartículas de sílice se presenta los resultados de: reología, viscosidad plástica y punto
cedente, para cada concentración.
Lechada de cemento base con nanopartículas de sílice de 7 nanómetros
Figura 3-2: Reología de la lechada de cemento con nanopartículas de 7 nanómetros.
0
27.5
55
82.5
110
137.5
165
0 50 100 150 200 250 300
Lect
ura
del
reo
met
ro a
80
°C
Velcidad (rpm)
Lechada Base
Concentración 0.025
Concentración 0.05
Concentración 0.125
Concentración 0.18
38 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
En la figura 3-2 se puede observar el comportamiento reológico de las diferentes
concentraciones de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros en la lechada de cemento,
dando como conclusión que la aplicación en bajas concentraciones no afecta la tendencia
reológica y que la tendencia es lineal en la gráfica, mostrando un comportamiento
newtoniano.
Figura 3-3: Viscosidad Plástica vs Concentración de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros.
En la figura 3-3 se observa el comportamiento de la viscosidad plástica sobre las diferentes
concentraciones de nanopartículas de 7 nanómetros, mostrando un aumento de la
viscosidad plástica al incrementar la concentración, esto debido al incremento en el
volumen de sólidos presentes en la lechada de cemento
156
156.5
157
157.5
158
158.5
159
159.5
160
160.5
0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18
Vis
coci
dad
Plá
stic
a a
80
°C
Concentración de NpSi7
Lechada Base
Concentración 0.025
Concentración 0.05
Concentración 0.125
Concentración 0.18
Capítulo 3 39
Figura 3-4: Punto cedente vs Concentración de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros.
En la figura 3-4 se puede observar una variación del punto cedente entre las
concentraciones de 0.025 y 0.18 lo cual determina que existe una mayor fuerza
electromagnética en ese rango, por lo que las nanopartículas actúan en su mayoría como
centro de nucleación.
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18
Pu
nto
ced
ente
a 8
0°
C
Concentración de NpSi7
Lechada Base
Concentración 0.025
Concentración 0.05
Concentración 0.125
Concentración 0.18
40 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Lechada de cemento base con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros
Figura 3-5: Reología de la lechada de cemento con nanopartículas de 58 nanómetros.
En la figura 3-5 se observa una tendencia lineal mostrando un comportamiento newtoniano
de la lechada de cemento, con esta grafica se puede concluir que el efecto de las
nanopartículas de sílice a bajas concentraciones no altera la reología.
0
27.5
55
82.5
110
137.5
165
0 50 100 150 200 250 300
Lect
ura
del
reo
met
ro a
80
°C
Velocidad (rpm)
Lechada Base
Concentración 0.025
Concentración 0.05
Concentración 0.125
Concentración 0.18
Capítulo 3 41
Figura 3-6: Viscosidad Plástica vs Concentración de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.
En la figura 3-6 se muestra el comportamiento de la viscosidad plástica sobre las diferentes
concentraciones dando como resultado que la viscosidad plástica incrementa al tener
mayores concentraciones de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.
156
156.5
157
157.5
158
158.5
159
159.5
160
160.5
0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18
Vis
coci
dad
Plá
stic
a a
80
°C
Concentración de NpSi58
Lechada Base
Concentración 0.025
Concentración 0.05
Concentración 0.125
Concentración 0.18
42 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Figura 3-7: Punto cedente vs Concentración de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.
En la figura 3-4 muestra el comportamiento del punto cedente a diferentes concentraciones
de nanopartículas de sílice, mostrando un punto de quiebre en la concentración de 0.125
con respecto a la tendencia inicial, también se puede evidenciar una disminución del punto
cedente al ocupar mayores concentraciones.
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18
Pu
nto
ced
ente
a 8
0°
C
Concentración de NpSi58
Lechada Base
Concentración 0.025
Concentración 0.05
Concentración 0.125
Concentración 0.18
Capítulo 3 43
3.3.3 Pruebas de filtrado API
Los resultados de las pruebas de filtrado API mostraron un comportamiento diferente entre
las nanopartículas de sílice de 7 y 58 nanómetros actuando como reductores de filtrado,
según los resultados obtenidos las nanopartículas de sílice en bajas concentraciones
pueden mitigar el filtrado, previniendo un enjarre de cemento que incremente las presiones
de fricción. Estos resultados se los puede observar con mayor detalle en las figura3-8 y
3-9 respectivamente.
Lechada de cemento base con nanopartículas de sílice de 7 nanómetros.
Figura 3-8: Pérdidas por filtrado vs Concentración (NpSi7)
En la figura 3-8, se observa el comportamiento de las NpSi7 aplicadas en la lechada de
cemento base a diferentes concentraciones, mediante los resultados obtenidos se puede
justificar la aplicación de NpSi7 a una baja concentración con el fin de obtener una
10
13
16
19
22
25
28
0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18
Pér
did
a p
or
filt
rad
o (
cc/3
0m
in)
Concentración (NpSi7)
44 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
reducción en volumen total de filtrado, este resultado está en conformidad con el obtenido
por Carlos Mesa et al. [30], el cual no justificó el uso de nanopartículas como aditivo de
controlador de filtrado debido a que el tamaño de la nanopartícula no es el adecuado
debido a que no se produce un efecto químico en la composición del cemento.
Lechada de cemento base con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.
Figura 3-9: Pérdidas por filtrado vs Concentración (NpSi58)
En la figura 3-9 se observa que la adición de las NpSi58 sobre la lechada base reduce los
volúmenes de pérdidas por filtrado, logrando un efecto filler efectivo entre los componentes
de la lechada base, el resultado obtenido indica que a mayor tamaño de NpSi58 actúa
como centro de nucleación entre los componentes líquidos y sólidos de la lechada. El
volumen de filtrado disminuye notablemente cuando las concentraciones se encuentren
entre los valores de 0.025 a 0.05 siendo este último el punto de ruptura para las mayores
concentraciones, donde también se evidencia que existe una disminución de volumen de
10
13
16
19
22
25
28
0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18
Pér
did
a p
or
filt
rad
o (
cc/3
0m
in)
Concentración (NpSi58)
Capítulo 3 45
filtrado pero en valores muy bajos, demostrando que la concentración de NpSi58 al 0.05
por ciento tiene un mejor comportamiento en lo que respecta a controlar el volumen, por lo
cual este resultado estático se lo correlaciona con el obtenido en la prueba dinámica.
3.4 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento
Por último se efectuaron pruebas a condiciones dinámicas con el fin de correlacionar los
resultados obtenidos en las pruebas estáticas de filtrado API y así demostrar efecto de las
nanopartículas de sílice en las lechadas de cemento a condiciones de yacimiento,
realizando una comparación de la cantidad de filtrado de la lechada base y la lechada con
nanopartículas de sílice, también se pudo analizar otros aspectos.
3.4.1 Datos pre-eliminares
Para la evaluación de las lechadas de cemento a condiciones dinámicas se elaboró dos
empaques de arena de sílice Ottawa con las mismas características. Estos empaques
fueron hechos con dos diferentes tamaño de malla con el fin de obtener una buena
permeabilidad y porosidad como lo indica la tabla 3-1 de igual manera se elaboró una
salmuera sintética como se lo evidencia en la tabla 3-2 tomando como referencia un
análisis físico-químico del agua de formación de un pozo de la cuenca oriente
46 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
Tabla 3-1: Características de los empaques de arena Ottawa
Características Valor
Longitud (cm) 5.8
Diámetro (cm) 3.85
Porosidad % 17
Empaque de arena
Tipo Tamaño de arena %
Arena Ottawa 30-60 60
Arena Ottawa 100-200 40
Condiciones de la prueba
Presión de sobrecarga (psia) 3000
Presión de poro (psia) 1800
Caudal (cc/min) 0.3*
Temperatura (°F) 176
* Variable durante la prueba
Tabla 3-2: Característica de los fluidos
Aceite Aceite Cristal UPS (Tersol)
Tratamiento Filtrado por cemento
Salmuera Sintética
Composición de la salmuera
Compuesto Concentración
NaCl 10.709
CaCl2 0.8419
MgCl2 0.2538
FeCl2 0.00105
BaSO4 0.48593
NaHCO3 1.8643
Capítulo 3 47
3.4.2 Análisis de resultados de las pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento
Después de obtener resultados positivos en las pruebas estáticas se procedió a evaluar el
comportamiento de las lechadas con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros con una
concentración de 0.05 en un medio dinámico, esta prueba expone a la lechada de cemento
a una presión diferencial en el sistema debido a que el empaque de arena tiene su presión
de poro y la lechada su presión de inyección, otro factor muy importante es la temperatura
debido a que la lechada de cemento está a una temperatura diferente a la del sistema.
Figura 3-10: Pérdida por filtrado en Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento.
En la Figura 3-10, se corrobora el resultado obtenido en las prueba de filtrado API, esta
grafica no solo demuestra el volumen de filtrado obtenido en la probeta, sino también el
comportamiento del filtrado con nanopartículas, el cual disminuye considerablemente la
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
0 20 40 60 80 100 120
Vo
lum
en d
e fi
ltra
do
(cc
)
TIempo (minutos)
Lechada Base
Lechada Base + NpSi58
48 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
tendencia de filtrado inicial después de los primeros 20 minutos, también se puede concluir
que el volumen de filtrado de la lechada con nanopartículas de sílice siempre fue menor
que el de la lechada base, esto debido a que existió una buena dispersión de
nanopartículas de sílice en el medio acuoso [43], lo cual produjo que las nanopartículas en
su mayoría actúen como centro de nucleación. Además si relacionamos los resultados
obtenidos con el modelo propuesto por levine [53] durante el periodo de difusión de la
hidratación de cemento, la migración de filtrado disminuye a medida que el cemento fragua,
produciendo una disminución gradual en la permeabilidad a nivel de nanodarcys
ocasionando que el filtrado se queda inmóvil en los microporos y nanoporos esto debido a
las fuerzas físico químicas y capilares de la lechada de cemento [55].
Tabla 3-3: Resultados de Kw y Ko, antes y después de la inyección de la lechada de cemento base.
Parámetro Valor Unidad
Permeabilidad absoluta 920 (mD)
Permeabilidad absoluta después de inyección de la lechada de cemento base
54 (mD)
Reducción de la permeabilidad 94 %
Parámetro Valor Unidad
Permeabilidad efectiva 587 (mD)
Permeabilidad efectiva después de inyección de la lechada de cemento base
42 (mD)
Reducción de la permeabilidad 93 %
La tabla 3-3 se presenta los valores obtenidos de permeabilidad absoluta y permeabilidad
efectiva del empaque de arena. Estos resultados se los obtuvo antes y después de la
prueba de filtrado realizada a la lechada base. En esta tabla se puede observar que el
Capítulo 3 49
porcentaje de daño producido por el cemento afecto drásticamente a la cara de la
formación, esto se lo corroboro en momento de medición del delta de presión debido a que
tomo mucho tiempo hasta que lograra estabilizarse. Por último, se procedió a realizar una
analisis visual del empaque de arena, y se pudo evidenciar mediante un corte que el daño
producido por la lechada de cemento era debido a un sello que había creado el cemento
en la zona lavada y también pequeñas precipitaciones producidas por el filtrado.
Tabla 3-4: Resultados de Kw y Ko, antes y después de la inyección de la lechada de cemento con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.
Parámetro Valor Unidad
Permeabilidad absoluta 920 (mD)
Permeabilidad absoluta después de inyección de la
lechada de cemento con nanopartículas 264 (mD)
Reducción de la permeabilidad 71 %
Parámetro Valor Unidad
Permeabilidad efectiva 587 (mD)
Permeabilidad efectiva después de inyección de la
lechada de cemento con nanopartículas 136 (mD)
Reducción de la permeabilidad 77 %
La tabla 3-4 se puede observar una disminución porcentual de la permeabilidad efectiva,
después de haber inyectado la lechada de cemento con nanopartículas de sílice, este
resultado es debido a que el empaque de arena estuvo expuesto a un menor volumen de
filtrado de la lechada de cemento. En el análisis visual se pudo verificar que el sello
producido por el cemento en la zona lavada era muy parecido al del empaque anterior, sin
50 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
embargo en el presente empaque se pudo notar una disminución en las precipitaciones
producidas por el filtrado.
4. Conclusiones y recomendaciones
4.1 Conclusiones
De acuerdo a los resultados obtenidos se pudo obtener las siguientes conclusiones:
Implementar la nanotecnología en la composición de las lechadas de cemento tiene
un futuro promisorio, debido a que los resultados obtenidos en esta tesis
promueven el uso de las nanopartículas de sílice como aditivo especial, para
controlar las pérdidas por filtrado y mitigar el daño de formación ocasionado por la
precipitación en su mayoría del carbonato de calcio y el sulfato de calcio presentes
en el filtrado.
Debido a las características físicas de las nanopartículas de sílice es aconsejable
utilizar bajas concentraciones en la formulación de lechadas de cemento, dado que
se incrementa la demanda de agua en la composición química original, se dificulta
la homogeneización de la mezcla, se genera mayor calor en el proceso de
hidratación y aumenta la cantidad de solidos presentes en la lechada de cemento.
El menor volumen de filtrado se produjo cuando se aplicó nanopartículas de 58
nanómetros con una concentración de 0.05 con respecto al peso del cemento,
reduciendo un 39 por ciento del valor obtenido por parte de la lechada base en la
prueba de filtrado API, y mostrando un comportamiento de filtrado menor en la
prueba dinámica a condiciones de yacimiento.
Los mejores resultados que se obtuvo en la aplicación de las nanopartículas de
sílice para ambos casos fue cuando se utilizó bajas concentraciones, este
parámetro a nivel económico hace atractivo realizar un proyecto de implementación
de nanotecnología en una lechada base.
Las nanopartículas de sílice fueron compatibles con los aditivos utilizados y debido
a su composición hidrofílica formo fuertes enlaces de hidrogeno lo cual redujo el
filtrado en las pruebas, también hay que mencionar que las nanopartículas de sílice
no reemplazan el controlador de filtrado en la composición de una lechada, por lo
cual la adición de las nanotecnología sería un complemento adicional en la
caracterización.
52 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de
cementación de pozos petrolíferos
4.2 Recomendaciones
Esta tesis de investigación fue enfocada en mitigar las pérdidas por filtrado en procesos
de cementación de pozos, ocupando diferentes tamaños de nanopartículas de sílice, lo
cual podría servir como base para futuras investigaciones y así poder desarrollar nuevas
lechadas de cemento utilizando nanotecnología entre sus componentes. Por lo cual se
realizan las siguientes recomendaciones:
Evaluar un aditivo químico que esté compuesto por humo de sílice y nanopartículas
de sílice.
Analizar una posible relación de tendencia entre la concentración y el
comportamiento de las nanopartículas de sílice como centro de nucleación o de
relleno, en una lechada de cemento base.
Evaluar las perdidas por filtrado de una lechada de cemento compuesta por
nanopartículas de sílice, en núcleos de calizas, lutitas y areniscas
Investigar el comportamiento de las nanopartículas de sílice sobre los diferentes
tipos de cemento utilizados en el área petrolea.
Sintetiza nanopartículas de sílice con tamaños mayores a 58 nanómetros y evaluar
el efecto producido en las lechadas de cemento.
Sintetizar y caracterizar nanopartículas con estructura núcleo-cáscara y evaluar su
efecto en las perdidas por filtrado.
Investigar y entender los procesos a los cuales una lechada de cemento está
expuesta, debido a que es un factor determinante en la perforación y en la
producción de un pozo.
Analizar la aplicación de las nanopartículas de sílice en la elaboración de lechadas
de cemento expuestas a condiciones de altas temperaturas en pozos geotérmicos.
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