Capitulo II - Marco Teorico Correcciones_1

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    CAPÍTULO II

    MARCO TEÓRICO

    2.1. Antecedentes

    La ejecución de un buen trabajo de cementación para pozos de

    la faja petrolífera del Orinoco lleva a el estudio de las características

    mecánicas del cemento que se va a utilizar, esto se debe a los

    diferentes estados de solicitación que sufren las lechadas de

    cemento a lo largo de la vida útil de un pozo. ara esta

    investigación es importante el conocimiento de trabajos !arealizados en lo que se re"ere a caracterización mecánica o a

    in!ección alterna de vapor en la faja petrolífera del Orinoco con

    sistemas cementantes para tener indicios de las mejoras ! buen

    desarrollo de lechadas t#rmicas.

    $%artín &, '(('), realizó pruebas mecánicas a sistemas

    cementantes reforzados con distintos tipos de "bras $carbono,

    mineral ! polipropileno) en diferentes porcentajes, con el "n demejorar la resistencia del cemento a diferentes esfuerzos !

    garantizar un buen aislamiento zonal. ara la preparación de la

    lechada de cemento estableció las condiciones de un pozo típico

    ubicado en el *urrial, a temperaturas ma!ores de +(-* ! (((psi

    de presión. /n los resultados que obtuvo a trav#s de las pruebas

    mecánicas, observó mejoras solo con el sistema mejorado o

    reforzado con "bra de carbono, sin embargo, no realizó un estudio

    económico para saber qu# tan factible era este sistema.

    $/chenique 0., '(+), estudió las características de diferentes

    sistemas cementantes mediante sus propiedades mecánicas !

    acústicas tanto a condiciones de laboratorio como a condiciones de

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    pozo, se de"nieron 1 sistemas cementantes2 cemento clase 3 más

    agua, cemento clase 4 más agua, cemento clase 3, aditivos más

    agua ! cemento clase 4, aditivos más agua. 5eterminó los

    esfuerzos ! deformaciones mediante el ensa!o mecánico para

    obtener la resistencia a la compresión, el módulo de 6oung ! la

    energía de deformación7 evaluó las velocidades de propagación de

    las ondas ! 8 a trav#s del ensa!o acústico para obtener la

    resistencia a la compresión, la relación de oisson, el módulo de

     6oung. 9ealizó comparación entre el dise:o utilizado en la formación

    de estudio con el dise:o de la lechada utilizada en la completación

    del mismo, pudiendo concluir que el cemento 3 aditivado esapropiado !a que la lechada una vez fraguada no es de fácil

    fracturamiento ! contribu!e a un buen sello hidráulico.

    $Lozada 8., '(+1), realizó una caracterización mecánica de la

    lechada de cemento ortland tipo ; para determinar la resistencia

    de la lechada de cemento ortland tipo ; despu#s de fraguada a

    condiciones de presión ! temperatura ambiente, se elaboraron

    ensa!os de compresión simple, tracción indirecta ! ensa!os decorte. 5e esta manera, se pudo obtener varios datos de resistencia

    los cuales permitieron hacer una descripción general de la lechada

    mediante el criterio de %ohr

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    cemento con metacaolín > sílice. Las lechadas de cemento fueron

    curadas a distintos tiempos entre '1 ! +?@ horas en condiciones de

    !acimiento $+(,1%a ! '-&). osteriormente, las muestras fueron

    llevadas a una autoclave para someterlas a un ambiente simulado

    de in!ección de vapor $+(,1%a ! '@@-&). 8e midieron

    propiedades físicas como la reología, resistencia mecánica,

    permeabilidad ! tendencia a la sedimentación, siguiendo las

    recomendaciones de la norma A; +(B. Los resultados mostraron

    que el metacaolín es una puzolana efectiva que mejora la

    resistencia compresiva $con una ganancia de hasta (C respecto al

    blanco al cabo de días) ! disminu!e la permeabilidad mediante laformación de fases cementantes adicionales. or otro lado, aquellos

    sistemas con fases ricas en sílice $relación &aOD8iO' E +) fueron

    menos propensos a sufrir de retrogresión $la permeabilidad se

    mantuvo en (,(1@m5, por debajo de límite máFimo recomendado

    por la A;).

    $%arcano 4errera G &ontreras &aicedo, '(+), destacaron la

    nanotecnología como una opción novedosa ! potencialmenteprometedora en la cementación, trabajaron en la preparación de

    lechadas de cemento con el uso de nanomateriales a temperaturas

    de +''-* ! H((psi de presión. 5eterminaron características

    mecánicas del dise:o en estudio como la resistencia a la

    compresión simple, resistencia a la tracción, entre otros,

    comparando los resultados obtenidos entre los sistemas de

    cemento petrolero clase 4 con ! sin nanoaditivos !, obtuvieron

    como resultado que, la aplicación de estos nanomateriales adquiere

    gran relevancia en el comportamiento mecánico del cemento

    petrolero, evidenciando aportes en la resistencia a la compresión !

    la resistencia a la tracción. =o realizaron un estudio económico para

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    conocer qu# tan factibles son estos nanomateriales para su

    utilización en el campo ! recomendaron trabajar en el estudio de

    estos sistemas a diferentes temperaturas

    2.2. Cementación

    $5íaz I. G %#ndez A., '((J) 5e"nieron la cementación como un

    proceso que consiste en mezclar cemento seco más aditivos ! agua

    para obtener una lechada que es bombeada al pozo a trav#s de la

    tubería de revestimiento !, colocada en el espacio anular entre la

    formación ! la super"cie eFterna del revestidor, con la "nalidad de

    asegurar el acceso óptimo de los Kuidos del !acimiento hacia lasuper"cie evitando con ello, la migración de gases ! otros Kuidos

    presentes en la formación.

    no de los objetivos principales en la cementación es el

    aislamiento zonal entre la tubería ! el espacio anular, para ello se

    bombea la lechada de cemento que rellena dicho espacio !

    proporciona impermeabilidad al sistema. 0ambi#n es propósito al

    realizar una buena cementación, sostener la tubería restringiendosu movimiento ! el movimiento de Kuidos no deseados a su

    alrededor, protegi#ndola contra la corrosión ! contra impactos

    generados por la perforación subsecuente ! sellar zonas de p#rdida

    de circulación o zonas ladronas.

    2.3. Cemento Portland

    /n la preparación de la lechada de cemento para la

    cementación de pozos se utilizan cementos con especi"caciones

    físicas ! químicas especiales que permitan el desarrollo de

    propiedades aceptables a las condiciones de pozo. or de"nición, el

    cemento ortland es el que proviene de la pulverización del clinMer

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    obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos ! calcáreos,

    que contengan óFidos de calcio, silicio, aluminio ! hierro en

    cantidades convenientemente dosi"cadas ! sin más adición

    posterior que !eso sin calcinar, así como otros materiales que no

    eFcedan del +C del peso total ! que no sean nocivos para el

    comportamiento posterior del cemento.

    /l ;nstituto Americano del etróleo $A;) ha establecido

    especi"caciones para los diferentes tipos de cemento, basado en

    cuanto a rango de profundidad, presiones ! temperaturas a

    soportar, así como ciertas características físicas ! químicas. 8e

    clasi"can en2

    • Clase A usado generalmente para pozos desde super"cie

    hasta ?(((N, cuando no se requieren propiedades especiales.

    La relación aguaDcemento recomendada es .' galDsacos. /l

    cemento clase A es similar al A80% & +(, 0ipo ;, usado en la

    construcción civil.

     

    Clase ! usado generalmente para pozos desde super"ciehasta ?(((N, cuando ha! condiciones moderadas a altas

    resistencia al sulfato. La relación aguaDcemento recomendada

    es .' galDsacos. /l cemento clase B es similar al A80% & +(,

     0ipo ;;, usado en construcción civil.

    • Clase C usado generalmente para pozos desde super"cie

    hasta ?(((N, cuando se requieren condiciones de alto

    esfuerzo. La relación aguaDcemento recomendada es ?.

    galDsacos. /l cemento clase & es similar al A80% & +(, 0ipo

    ;;;, usado en construcción civil.

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    • Clase " usado generalmente para pozos desde ?(((N hasta

    +((((N, para condiciones moderadas de presión !

    temperatura. /stá disponible para esfuerzos moderados a

    altos. La relación aguaDcemento recomendada es 1.

    galDsacos.

    • Clase E usado generalmente para pozos desde +((((N hasta

    +1(((N, para condiciones altas de presión ! temperatura. La

    relación aguaDcemento recomendada es 1. galDsacos.

    • Clase # usado generalmente para pozos desde +((((N hasta

    +?(((N, para condiciones eFtremas de presión ! temperatura./stá disponible para esfuerzos moderados a altos. La relación

    aguaDcemento recomendada es 1. galDsacos.

    • Clase $ % & 5ise:ados para ser usados desde super"cie

    hasta @((( pies. ueden ser usados con retardadores o

    aceleradores para cubrir un amplio rango de presiones !

    temperaturas. La composición de estos cementos es mu!

    similar pero el cemento 4 requiere menos agua que el cemento

    clase 3. Al requerir menos agua, la lechada es de ma!or

    densidad ! más resistente. /l requerimiento de agua para una

    lechada con cemento clase 3 es de 11C ! de @C para una

    lechada con cemento clase 4.

    /l silicato tricálcico es el principal constitu!ente en el cemento

    ortland. uede encontrarse en concentraciones tan altas como

    J(C. /l silicato dicálcico conocido como belita, es el segundo ma!or

    constitu!ente del cemento. 8u cantidad no suele eFceder '(C en

    peso. &omo el cemento ortland está constituido por varios

    compuestos ! su hidratación involucra un gran número de

    reacciones simultáneas, para facilitar su comprensión puede

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    suponerse que la hidratación de cada compuesto es independiente

    de los otros que se encuentran en el cemento. /sta simpli"cación

    no es totalmente válida, pues la hidratación de ciertos compuestos

    puede afectar la reacción de otros, pero en la ma!oría de los casos

    es razonable.

    2.'. &idratación del Cemento

    La hidratación del cemento es la secuencia de reacciones

    químicas entre los compuestos del clinMer, sulfato de calcio ! agua.

    /ste es un proceso eFot#rmico donde generalmente, la cantidad de

    calor de hidratación depende de las cantidades relativas de cadauno de los compuestos del cemento. 5esde el punto de vista

    químico, es un complejo proceso de disoluciónDprecipitación. Las

    varias reacciones de hidratación se dan simultáneamente a

    diferentes velocidades ! cada una de las fases es inKuenciada por

    presencia de otras. $=elson, +HH()

    '..+. 4idratación del &emento entre '& $JJ*) ! +((&

    $'+'*)

    A medida que aumenta la temperatura las fases

    ferritoaluminato tetracálcico $&1A*) ! silicato dicálcico $&'8) se

    vuelven más reactivas respecto al silicato tricálcico $&8) ! el

    aluminato tricálcico $&A) 8e acelera el endurecimiento, pero la

    resistencia en el largo plazo generalmente se reduce, esto sucede

    en parte por cambios microestructurales en la pasta $5uarte =ieto,

    %arzo '(+)

    Alrededor de los J(

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    hidratación de la alita $&8). Aumenta la reactividad de todas las

    fases del cemento con la temperatura ! el comportamiento

    habitualmente esperado. Las transformaciones de las fases sulfato

    ! aluminato son modi"cadas a temperaturas iguales o superiores a

    J(-& $+@-*) ! pueden causar un da:o al cemento, a trav#s de un

    efecto conocido como formación de etringita retardada. /n cuanto a

    la fase &

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    si ha! un severo aumento de la permeabilidad del cemento utilizado

    facilitando la comunicación interzonal. Los valores de resistencia a

    la compresión en presencia de retrogresión, se encuentran

    regularmente por encima de %a $J'psi) ! el incremento en la

    permeabilidad de los productos cementantes endurecidos es de

    (,+m5 $máFimo permitido) para el &

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    *igura '.'. &ondiciones de formación de varios silicato de &alcio en el cemento

    *uente2 5uarte =ieto, '(+

    or encima de '( -& $1@' -*) se forma la truscotita, a partir

    de la girolita ! de tobermorita residual. &omparado con la girolita, la

    truscotita es menos permeable, pero menos resistente ante

    esfuerzos compresivos. 8in embargo, ambas propiedades son

    su"cientes para evitar problemas de durabilidad ! retrogresión de la

    resistencia en circunstancias normales. La forma en la cual la sílice

    está presente en el sistema es mu! importante, !a que de"ne la

    secuencia de reacciones que ocurren. &uando se utiliza arena de

    sílice $tama:o de partícula entre J

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    &on humo de sílice de mu! alta área super"cial $V'(.(((

    m'DMg) la sílice reacciona más rápido que la cal $&aO) para formar

    inicialmente hidratos amorfos, los cuales luego reaccionan con más

    cal para formar truscotita ! girolita, sin pasar por la fase

    tobermorita. /l hidróFido de calcio no se encuentra comúnmente

    bajo condiciones hidrotermales, puesto que reacciona junto con la

    sílice dando lugar a más hidratos cristalinos de silicato de calcio.

     0ambi#n se forman silicatos de calcio hidratados substituidos en

    condiciones hidrotermales. /ntre estos están la re!erita $W&+18'14),

    la escaXtita $&J8? Ć  4') ! la pectolita $=&18?4). $5uarte =ieto,

    %arzo '(+)

    La temperatura límite de uso, para los cementos petroleros 3 !

    4 $estabilizados con

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    5urante el proceso de bombeo de la lechada hacia el espacio

    anular la mezcla o lechada de cemento debe ser capaz de mantener

    sus propiedades originales hasta colocarse por completo en el

    anular ! fraguar7 para ello deben agregarse aditivos químicos que

    no sólo permiten conservar las propiedades de la lechada sino que

    tambi#n permiten mantener la estabilidad del cemento durante

    toda la vida productiva del pozo. $5íaz I. G %#ndez A., '((J)

    na buena lechada de cemento debe reunir las siguientes

    características2

    • Baja p#rdida de Kuido durante el proceso de colocación en el

    espacio anular ! despu#s del fraguado.

    • 9eología adecuada a las características de cada pozo en

    particular.

    • &orto tiempo de transición, parta evitar la migración de

    Kuidos a trav#s de la ella, !a que durante este período la

    mezcla pierde presión hidrostática para convertirse en sólida.

    • 5ensidad adecuada para cada tipo de pozo.

    • /stabilidad para conocer las condiciones de presión !

    temperatura una vez que ha sido colocada en el espacio

    anular.

    '..'. Aditivos tilizados

    ara alcanzar las características de una buena lechadaanteriormente mencionadas, se recomiendan el uso de aditivos

    cu!a función es adaptar las lechadas de cemento a las

    especi"caciones requeridas en un programa de cementación, los

    aditivos pueden ser secosDgranulares, líquidos o estar mezclados

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    con el cemento. Las cantidades de aditivos secos se eFpresan en

    porcentaje por peso de cemento, C BSO& por sus siglas en ingl#s

    By Weight Of Cement , ! los aditivos líquidos en galones por saco,

    38 por sus siglas en ingl#s Galon Per Sac of cement. Los aditivos

    recomendados son los siguientes2

    • Aceleradores son utilizados para reducir el tiempo de

    fraguado de las lechadas de cemento, tambi#n aumentan la

    velocidad de desarrollo de la resistencia a la compresión del

    cemento ! se suelen utilizar en pozos someros con bajas

    temperaturas. Algunos aceleradores usados2 cloruro de

    calcio $&a&l', más usado), silicato de sodio $=a'8iO), cloruro

    de sodio $=a&l), acido oFálico $4'&'O1), entre otros.

    • Retardadores se usan para aumentar el tiempo de

    fraguado ! tiempo de espesamiento de las lechadas de

    cemento, no reducen la resistencia a la compresión del

    cemento. 8on usados a altas temperaturas para darle

    tiempo a la lechada para que #sta endurezca, algunos

    retardadores usados2 lignitos, lignosulfonato de calcio,

    ácidos hidroFicarboFílicos, azúcares, etc.

    • E+tendedores tienen la característica de disminuir la

    densidad de las lechadas de cemento, esto permite una

    reducción en la presión hidrostática en el ho!o ! un

    aumento en el rendimiento de la lechada. Algunos

    eFtendedores utilizados2 microesferas $vidrio ! cerámica),

    silicato de sodio $=a'8iO).

    • "ensi,cantes son utilizados para aumentar la densidad

    de la lechada de cemento, esto se hace cuando se quiere

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    aumentar la presión hidrostática en el pozo. /ntre los más

    usados2 barita, hematita, ilmenita ! otros.

    • Controladores de ,ltrado permiten controlar la p#rdida

    de la fase acuosa de un sistema cementante frente a una

    formación permeable. revienen la deshidratación

    prematura de la lechada de cemento. /ntre ellos se

    encuentran2 polímeros orgánicos, reductores de fricción.

    • Anties-mantes se usan para reducir el entrampamiento

    de aire durante la preparación de la lechada. /ntre los más

    usados2 siliconas, ! #teres de poliglicoles.

    • "is-ersantes son materiales que reducen la viscosidad

    de la lechada de cemento, mejorando así las propiedades

    de Kujo ! desplazamiento de la lechada. Algunos

    dispersantes usados2  lignosulfonatos, polímeros ! sales

    sódicas.

    2./. Lec*adas T0rmicas

    /l cemento ortland es un material esencialmente formado de

    silicato de calcio, los componentes más abundantes son silicato

    tricálcico ! silicato dicálcico. 0ras la adición de agua, ambos forman

    un hidrato gelatinoso de silicato de calcio llamado Ygel &

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    reducción de la relación calcioDsílice, para lograr esto, el cemento

    ortland es parcialmente reemplazado por cuarzo molido, por

    general tan "no como la harina de sílice.

    &uando un pozo es sometido a procesos de recuperación

    t#rmica se eFpone a presiones ! temperaturas elevadas $ma!ores a

    '(* o ++(-&), incrementando los niveles de esfuerzos en la

    lechada de cemento, es por ello que para tratar de mitigar estos

    esfuerzos, se llevan a cabo formulaciones conocidas como lechadas

    t#rmicas que no permiten que sus propiedades se vean

    sustancialmente afectadas a la alta eFposición.

    /l uso de estas lechadas es aplicado en pozos donde se

    pronostica la implementación de procesos de recuperación

    mejorada con el "n de, disminuir da:os en la cementación causados

    por la eFposición de altas temperaturas ! presiones durante un

    tiempo prolongado. /Fisten diferentes m#todos de recobro no

    convencionales $conocidos tambi#n como /O9, Enhanced Oil

    Recovery), que permiten mejorar los recobros por in!ección de

    agua. Algunos aplican calor ! otros no, se clasi"can en dos grandes

    grupos, t#rmicos ! no t#rmicos. Los primeros se usan con

    preferencia para los crudos pesados, los m#todos no t#rmicos se

    utilizan para crudos livianos, aunque algunos pueden ser aplicables

    a crudos pesados, pero han tenido poco #Fito en las aplicaciones de

    campo $arís de *errer, '((J)

    Los m#todos de recuperación t#rmica, particularmente la

    in!ección cíclica ! continua de vapor, han demostrado ser los

    procesos de recuperación mejorada de ma!or #Fito en los últimos

    a:os. AproFimadamente, el ?(C de la producción diaria de /O9 en

    /stados nidos, &anadá ! Ienezuela proviene principalmente de

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    procesos de in!ección de vapor. /l objetivo básico en la aplicación

    de tales m#todos es la reducción de la viscosidad del petróleo con

    la "nalidad de mejorar su movilidad, por lo cual son especialmente

    adecuados para petróleos viscosos $

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    • P0rdida de ,ltrado representa la cantidad de agua que

    puede perder la lechada de cemento a condiciones de presión

    ! temperatura de pozo.

    • 5edimentación representa las condiciones de estabilidad de

    la lechada de cemento a condiciones de presión ! temperatura

    una vez puesta en el anular.

    • Tiem-o de es-esamiento es el tiempo que tarda la lechada

    en perder sus propiedades de Kuidez $no bombeable) en

    condiciones de pozo. 8e considera que este tiempo es el

    indicado cuando la lechada alcanza +(( Bc $nidadesBearden). &omo medida de seguridad se detiene la prueba

    cuando se alcanzan J(

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    asegurar la tubería de revestimiento ! soportar esfuerzos de

    perforación. $5íaz I. G %#ndez A., '((J)

    • Ad*erencia  la adhesión de los distintos materiales

    involucrados en la cementación, siendo estos2 acero

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    determinar la relación de oisson. La misma viene dada por la

    siguiente ecuación2

    υ=

     ε t 

    εa (2.)

    dónde2

    εt = ΔD( Doriginal− D elongado)

     Doriginal(2.!)

    εa= ΔL( Loriginal− Lelongado)

     Loriginal

    (2.")

    εt  2 5eformación tangencial

    εa 2 5eformación aFial

    • Resistencia a la tracción resistencia que ofrece un material

    ante una fuerza que trata de provocar el doblamiento del

    cuerpo, parámetro que se encuentra mediante el ensa!o

    triaFial.

    • Co*esión  resistencia que tienen las partículas a ser

    cizalladas, la cohesión se determina ejecutando los ensa!os

    triaFiales para las diferentes muestras.

    2.9. Criterios de :ractra % resistencia.

    • Mo*r;Colom 8egún la teoría de %ohr, el material se

    plasti"cará o se romperá cuando la tensión de corte $σq) en el

    plano de rotura alcance un determinado valor, que depende de

    la tensión normal $σn) que actúa sobre dicho plano, o bien, si la

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    tensión principal de tracción máFima alcanza el valor de la

    resistencia a la tracción $0o), es decir, σ  \  0o. %ediante el

    &riterio %ohr

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    donde la rotura se presenta en el punto el cual es tangente

    con la curva AB.

    • &oe< % !ro=n  /l criterio propuesto por 4oeM ! BroXn, va

    dirigido a estimar la resistencia triaFial de los macizos rocosos,

    para el dise:o de eFcavaciones subterráneas. /s un criterio

    eFperimental que está de"nido por la siguiente eFpresión2

    σ 1=σ 

    3+(mσ C σ 3+sσ C 

    2 )0.5 ( '.J )

    5onde2

    σ] \es la tensión principal ma!or en la rotura.

    σ^ \es la tensión principal menor aplicada a la muestra.

    σc \es la resistencia a compresión simple de la roca.

    m, s, son constantes que dependen de la roca ! el macizo

    rocoso.