Formulación de la lechada de cemento

Formulación de la lechada de cemento

© CIED, 2002[pic 3]

Primera Edición

Código:  

Versión / Junio/ 2002

Formulación de la lechada de cemento

Descripción

Las lechadas de cemento utilizadas en los pozos petroleros contienen una serie de aditivos para modificar las propiedades básicas y adaptarlas a los requerimientos de un pozo particular. En esta sección se presenta una discusión de los aditivos utilizados en la lechada de cemento, así como los factores que afectan su formulación, según las condiciones del hoyo a cementar.

Contenido

A continuación se presentan los temas que se desarrollarán en esta unidad de conocimiento

Tema

Página

1.    Clasificación y función de los aditivos

2

1. Cálculos y formulación de lechada según condiciones del hoyo a cementar

40

Tema 1

Clasificación y función de los aditivos

Introducción

En la actualidad, los pozos en la industria petrolera cubren un amplio rango de condiciones de profundidad y temperatura. Las lechadas de cemento deben permanecer bombeables y ser capaces de mantener sus propiedades, algunas veces bajo condiciones muy severas. Solamente es posible ajustar la lechada de cemento a ese rango tan amplio de condiciones, usando aditivos para modificar el  cemento disponible, a los requerimientos de un pozo particular. Para obtener las características óptimas de la lechada para las condiciones del hoyo, los aditivos se pueden clasificar en aceleradores, retardadores, extendedores, partículas extendedoras de bajo peso, densificantes, dispersantes, aditivos de control de pérdida de fluido, aditivos de control de pérdida de circulación y aditivos especiales. En esta unidad se desarrollaran cada uno de estos aditivos.

Contenido

A continuación se presentan los mapas que se desarrollaran en esta unidad:

Mapa

Página

1. Aceleradores

2

2. Efectos secundarios de los aceleradores

4

3. Retardadores

6

4. Tipos de retardadores

7

5. Extendedores

13

6. Tipos de extendedores

14

7. Partículas extendedoras de bajo peso

20

8. Densificantes

27

9. Dispersantes

28

10. Aditivos de control de pérdida de fluido

33

11. Aditivos de control de pérdida de circulación

37

12. Aditivos especiales

38

Introducción

El tiempo de espesamiento o tiempo de bombeabilidad de la lechada de cemento depende de la temperatura y la presión a la cual está sujeta. El tiempo en el cual estas lechadas obtienen una cierta resistencia compresiva también depende de estos parámetros. En pozos someros, a bajas temperaturas, el tiempo de fraguado de la lechada se debe acortar o regular para que adquiera la resistencia a la compresión necesaria, en un tiempo práctico operacional.

Tipos

Muchas sales inorgánicas son aceleradores del cemento, sin embargo los cloruros son los más conocidos. También se ha reportado la acción acelerante para muchas otras sales, incluyendo carbonatos, silicatos, aluminatos, nitratos, nitritos y bases alcalinas, tales como hidróxidos de sodio, potasio y amonio.

De todos ellos, el cloruro de calcio es el acelerador más eficiente y económico; por lo tanto el más utilizado. Le siguen el cloruro de sodio, de potasio y el silicato de sodio.

Tabla

La siguiente tabla muestra los aceleradores más utilizados, su fórmula química y sus concentraciones

Acelerador

Fórmula química

Concentración

Cloruro de calcio

CaCl2

0.5 - 4.0

Cloruro de sodio

NaCl

1.0 – 10.0

Cloruro de potasio

KCl

1.0 – 3.0

Silicato de sodio

Na2Si03

1.0 – 3.0

Acción química

El mecanismo de aceleración en las lechadas de cemento no está totalmente entendido. Se han realizado numerosos estudios para investigar el efecto del CaCl2 y otras sustancias químicas en la velocidad de hidratación, evolución del calor, tiempo de fraguado y resistencia temprana a la compresión. La conclusión general es que los aceleradores no se integran como un nuevo elemento durante el proceso de hidratación, simplemente afectan la velocidad de hidratación. En otras palabras el CaCl2 acelera la formación de hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y del gel C – S – H, en la pasta cementicia del cemento y esto se debe, presumiblemente, a los cristales de silicato tricálcico (C3S) y silicato dicálcico (C2S).

Efecto del cloruro de calcio

Las siguientes tablas muestran el efecto del cloruro de calcio sobre el comportamiento de un sistema de cemento

CaCl2  

60°F

80°F

100°F

%

6hr

12hr

24hr

6hr

12hr

24hr

6hr

12hr

24hr

0

NF

60

415

45

370

1260

370

840

1780

2

125

480

1510

410

1020

2510

1110

2370

3950

4

125

650

1570

545

1245

2890

1320

2560

4450

CaCl2  %

91°F

103°F

113°F

0

4:00

3:30

2:32

2

1:17

1:11

1:01

4

1:15

1:02

0:59

Introducción

Además de acelerar el fraguado inicial, se han observado otros efectos cuando el cloruro de cloruro de calcio está presente en un sistema de cemento. Algunos efectos no son beneficiosos; por lo que es necesario considerar las condiciones del pozo. A continuación se detallan cada uno de esos efectos.

Calor de hidratación

La presencia de CaCl2 aumenta la tasa de generación de calor en las primeras horas después de mezclar la lechada. La temperatura puede aumentar de 27 a 33°C (50 A 60°F ) después de colocar la lechada. Esto puede aumentar la expansión del revestidor. Debido a que el revestidor y el cemento no tienen el mismo coeficiente térmico de expansión se puede generar lo que se conoce con el nombre de “microanular térmico” y afectar el aislamiento zonal.

Reología

Se ha determinado que el cloruro de calcio aumenta el punto cedente de la lechada, pero no afecta inicialmente la viscosidad plástica. A condiciones ambientales, después de 30 minutos de hidratación, la viscosidad plástica comienza a aumentar. Las lechadas que contienen CaCl2 tienden también a desarrollar un alto grado de tixotropía; como consecuencia la sedimentación de partículas raramente es un problema.

Desarrollo de resistencia compresiva

El cloruro de calcio aumenta significativamente la tasa de desarrollo de resistencia compresiva durante los primeros días después de su colocación. La magnitud de este efecto depende de la temperatura y de la concentración de CaCl2.

Reducción del volumen

Los estudios realizados han mostrado que el cloruro de calcio contribuye en  la reducción del volumen del cemento. Esto se debe al alto grado de hidratación y a los cambios en los productos de hidratación. Las condiciones de servicio bajo las cuales se han conducido estos estudios son muy diferentes a las encontradas en los pozos por lo que estos resultados no pueden ser trasladados directamente, sin estudios adicionales.

Permeabilidad

Inicialmente, la permeabilidad del cemento que contiene cloruro de calcio se reduce. Esto se debe al alto volumen de los productos hidratados en comparación con un cemento sin este aditivo. Con el tiempo, cuando el  grado de hidratación es similar en ambos sistemas, el cemento que contiene CaCl2 es más permeable.