CEMENTACION DE POZOS PETROLEROS1. IntroduccinLos aditivos son sustancias que permiten adaptar los diferentes cementos petroleros a lascondiciones especficas de trabajo. Pueden ser slidos y/o lquidos (solucin acuosa).Muchos aditivos son conocidos por su nombre comercial usado por las compaas de serviciosde cementacin. Los aditivos de cemento pueden ser usados para:Variar la densidad de la lechada.Cambiar la resistencia a la compresin.Acelerar o retardar el tiempo de frage.Control de filtrado y perdida de fluido.Reducir la viscosidad de la lechada.Los aditivos pueden ser entregados en la locacin de perforacin en estado granular o lquido ypueden ser mezclados con el cemento en polvo o ser aadidos al agua de mezcla antes de quela lechada de cemento sea mezclada. La cantidad de aditivos usados comnmente esexpresada en trminos de porcentaje en peso del cemento en polvo (tomando como base quecada saco de cemento pesa 94 lb). Muchos aditivos afectan ms de una propiedad y por tantodeben ser cuidadosamente usados.El Cemento con Aditivos es un Cemento al que se han modificado sus propiedadesintroduciendo elementos aadidos para mejorar su plasticidad, dureza, resistencia y fraguado.2. AceleradoresSon productos qumicos que reducen el tiempo de fraguado a las lechadas de cemento.Incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia a la compresin. Son usados cuando eltiempo de fraguado del cemento resulta ser ms largo que el requerido para mezclar ydesplazar la lechada.Actan rompiendo un compuesto gelatinoso que se forma alrededor de las partculasde cemento cuando comienza el proceso de hidratacin, permitiendo una rpidapenetracin del agua.La Eficiencia de aceleracin segn Edwards y Angstadt es la siguienteCa+2 > Mg+2 > Li+ > Na+Cl- > Br- > NO3- > SO24-Grupo N2: Aditivos de cementacin1CEMENTACION DE POZO PETROLEROSLos aceleradores son especialmente importantes en pozos poco profundos donde lastemperaturas son bajas y por tanto la lechada de cemento puede tomar un largo periodo detiempo para fraguar. En pozos profundos las altas temperaturas estimulan el proceso defrage y los aceleradores pueden no ser necesarios. Los aceleradores de frage ms comunesson:Cloruro de Calcio (CaCl2): Esta sal se dosifica de 2,0 a 4,0% por peso de cemento,dependiendo del tiempo de bombeabilidad que se desea obtener. Es el producto queexhibe mayor control en el tiempo de bombeabilidad. Los resultados no sonpredecibles si la concentracin excede el 6 % Efecto del tiempo de bombeabilidad del cloruro de calcio en el cemento clase A

Agua 5.2 gal / sx Densidad de la lechada 15.6 lb/galCloruro de

API PRUEBA DE CEMENTACION EN CAERIAS

calcio %

1000 Pies

2000 Pies

4000 Pies

0.0

4:40

3:36

2:25

2.0

1:55

1:30

1:04 4.0

0:50

0:47

0:41 API pruebas de cementacin SQUEEZE (Forzada) 0.0

3:30

2:49

1:50 2.0

1:30

1:20

0:55 4.0

0:48

0:43

0:35Cloruro de Sodio (NaCl): Acta como acelerador en concentraciones de 2,0 2,5 % porpeso de cemento. Ms comnmente en concentraciones de hasta 10% por peso deagua de mezcla, en concentraciones entre 10 18% es esencialmente neutral y eltiempo de fraguado es similar al obtenido con agua dulce. A concentraciones mayoresal 18% causa retardacin de frage.Ventajas:Favorece la Adherencia del cemento a formaciones lutticasMinimiza el dao en zonas sensibles al agua dulceProduce ligera expansin.Acta como dispersante en las lechadas reduciendo su viscosidad.Grupo N2: Aditivos de cementacin2CEMENTACION DE POZOS PETROLEROSDesventajas:Puede causar algo de espuma durante su mezclado.No debe emplearse en lechadas que contengan FT-4.Tiene problemas de compatibilidad con la mayora de los reductores defiltrado.Efecto despus del tiempo de bombeabilidad del cloruro de sodio en el cemento clase A Agua 5.2 gal / sx Densidad de la lechada 15.6 lb/galCloruro de API PRUEBA DE CEMENTACION EN CAERIAS calcio %1000 Pies2000 Pies 4000 Pies 6000Pies 0.0

4:40

3:36

2:25 2:25 2.0

1:55

1:30

1:04

1:13 4.0

0:50

0:47

0:41

1:20Silicato de sodio: El silicato de sodio es utilizado principalmente para acelerar laslechadas de cemento que contienen carboximetil hidroxiyetil celulosa retardanteAgua Salada: Es ampliamente usado para preparar lechadas de cemento en locacionescosta afuera (offshore). El agua de mar contiene arriba de 25 g/l de NaCl, lo que resultaen ser un excelente acelerador.Sulfato de Calcio (CaSO4): Es un material que por si mismo posee caractersticascementantes y tienen fuerte influencia en expandir el cemento fraguado; comoacelerador se dosifica basndose en el tiempo que se desea y la temperatura a la cualse va a trabajar. Su concentracin vara del 50 100% por peso del cemento. Se debehacer notar que altas concentraciones de este aditivo actan como retardadores defrage.3. RetardadoresSon productos qumicos que prolongan el tiempo de fraguado inicial de las lechadas decemento y brindan la posibilidad de trabajar el cemento en un amplio rango de temperatura ypresin. En pozos profundos, las altas temperaturas reducen el tiempo de bombeabilidad delas lechadas de cemento. Los retardadores se usan para prolongar el tiempo de bombeabilidady evitar los riesgos del fraguado prematuro. Para temperaturas estticas por encima de 260 275 F se deben medir los efectos de los retardadores a travs de pruebas piloto. Los tipos mscomunes de retardadores son lignosulfonatos de sodio y calcio no refinados. (SR-2 y SR-6)Grupo N2: Aditivos de cementacin3CEMENTACION DE POZOS PETROLEROSLignosulfonato: Se componen de sales de cidos lignosulfnicos de sodio y calcio. Sonpolmeros derivados de la pulpa de la madera. Usualmente son compuestos norefinados y contienen varias cantidades de compuestos sacaroides con un pesomolecular promedio de 20.000 a 30.000. Los retardadores de lignosulfonatos sonefectivos con todos los cementos y se dosifican en un rango de 0,1 1,5 % por peso decemento. Son efectivos hasta 250 F (122 C) de temperatura de circulacin en elfondo del pozo y hasta 600 F (315 C) cuando se mezcla son borato de sodio.Los retardadores de lignosulfatos has sido usados muy exitosamente, retardan todaclase de cemento API, en profundidades de 12000 a 14000 pies o en rangos detemperatura de 260 a 290 OF. Estos tambin han sido usados para incrementar labombeabilidad de los cementos API clase D y E en pozos de alta temperaturas(300 OF)cidoHidroxilcarboxilicos:Loscidoshidroxilcarboxilicoscontienengruposhidroxilicos (OH) y carboxilicos (CHn) en su estructura molecular. Son retardadorespoderosos y se aplican a un rango de temperatura de 200 F (93C) 300 F (143 C).Otro cido hidroxilcarboxilico con un fuerte efecto retardante, es el cdio ctrico. Estetambin es efectivo como dispersante de cemento, normalmente se usa enconcentraciones de 0,1 0,3 % por peso de cemento.Organofosfonatos: Se aplican a temperaturas de circulacin tan altas como 400 F(204 C). Presentan insensibilidad a variaciones sutiles de la composicin del cementoy tienden a bajar la viscosidad de lechadas densificadas.4. Reductores de densidad (Extendedores)Son materiales que reducen la densidad de las lechadas de cemento y/o reducen la cantidadde cemento por unidad de volumen por producto fraguado. Los extendedores se usan parareducir la densidad de la lechada en lugares donde la hidrosttica generada por la lechadaexcede la resistencia a la fractura de ciertas formaciones. Al reducir la densidad del cemento lageneracin de la resistencia a la compresin inmediata tambin se reduce y el tiempo debombeabilidad se incrementa. El uso de estos aditivos permite aadir ms agua de mezcla ypor lo tanto incrementa la cantidad de lechada a ser producida por cada saco de cemento (portal motivo tambin son llamados extendedores).Los aditivos reductores de densidad ms comunes son:Grupo N2: Aditivos de cementacin4CEMENTACION DE POZOS PETROLEROSBentonita (2 16%): Es por mucho el aditivo ms comnmente usado para reducir ladensidad de la lechada de cemento. Requiere el 530% de agua de su propio peso; esdecir 5,3 litros de agua por kg de bentonita, se puede dosificar hasta un 4% por pesode cemento sin que perjudique al cemento fraguado. El incremento del rendimientopor adicin de bentonita se puede observar en el siguiente cuadro.Puzolanas: Son cenizas volcnicas que por s solas no tienen caractersticascementantes, pero que mezcladas con cemento, reaccionan con la cal libre delcemento. Puede ser usado en mezcla de 50/50 con cementos Portland. Resultando enun ligero decremento de la resistencia a la compresin y un incremento en laresistencia a los sulfatos.Tierras Diatomeas (10 40%): Su gran rea superficial de las tierras diatomeaspermiten mayor absorcin de agua y producen una lechada de baja densidad (pordebajo de 11 lb/gal)Meta silicato de Sodio Anhidro: Es muy eficiente y econmico. Es compatible con elmayor nmero de aditivos qumicos; maneja un porcentaje variable de agua en funcindel porcentaje que se utilice. Se dosifica de 1 3% por peso de cemento.5. DensificantesSon materiales qumicos inertes, de alto peso especfico y que manejan poco agua. Estosmateriales son usados cuando se realizan operaciones de cementacin en zonas sobrepresurizadas. Los densificantes ms comunes usados son:Barita (Sulfato de Bario): Usados para alcanzar densidades de lechada por encima delas 18 lb/gal. Tienen una gravedad especfica de 4,23 y requiere 22% de agua de supropio peso. Este aditivo puede causar una reduccin en la resistencia a lacompresin y en el tiempo de bombeabilidad. Se dosifica de 20 40 % por peso decemento.Grupo N2: Aditivos de cementacin5CEMENTACION DE POZOS PETROLEROSHematita (Fe2O3): La alta gravedad especfica de la hematita puede usarse para elevarla densidad de la lechada hasta 22 lb/gal. Tienen una gravedad especfica de 5 yrequiere el 3% de agua de su propio peso. Se emplea hasta el 50% por peso decemento, dependiendo del peso que se desea obtener. La hematita reducesignificativamente el tiempo de bombeabilidad de las lechadas y adems requiere eluso de aditivos reductores de friccin.Arena: Arenas seleccionadas (40 60 mesh) pueden generar un incremento de 2 lb/galen la lechada de cemento.Variacin de la densidad de la lechada con algunos aditivos6. Aditivos para perdida de fluidosSe usan para prevenir la deshidratacin de las lechadas de cemento y evitar un frageprematuro. Generalmente los reductores de filtrado son productos derivados de celulosa. Elvalor del filtrado estipulado por el API vara de acuerdo con el tipo de operacin a realizar:Cementacin de Tubera de Revestimiento: No mayor a 200 cm3.Cementacin de Tubera Corta (Liner): No mayor a 50 cm3.Cementacin Forzada: De 30 a 50 cm3El valor del filtrado API se mide en cm3 a 30 minutos bajo una presin diferencial de 1000 psi.Los aditivos ms comunes son:Grupo N2: Aditivos de cementacin6CEMENTACION DE POZOS PETROLEROSPolmeros Orgnicos (Celulosas): Se usa en dosificaciones de 0,5 - 1,5%Carboximetil Hidroxietil Celulosa (CMHEC): Es el aditivo ms ampliamente usadocomo controlador de filtrado y se usa en dosificaciones de 0,3 1,0%7. Reductores de friccin (Dispersantes)Son productos qumicos que reducen la viscosidad de las lechadas de cemento y son aadidospara mejorar las propiedades de flujo de las lechadas. Ayudan a obtener regmenesturbulentos con caudales bajos de bombeo y reducen la friccin entre granos y las paredes.De acuerdo a investigaciones se ha demostrado que la mayor eficiencia en la limpieza del lododel espacio anular se logra en rgimen turbulento; es decir, cuando la lechada de cemento ylos colchones de limpieza se desplazan a una velocidad tal que corresponda a un nmero deReynolds de 3.000 4.000 o mayor, en funcin de las caractersticas reolgicas n y k.Generalmente, son sales de cidos grasos y se dosifican del 0,2 2,5 % por peso de cemento.Tambin tenemos:Polmeros: En dosificaciones de 0,3 0,5 lb/sx de cemento.Sal: En dosificaciones de 1 16 lb/sxLignosulfonato de Calcio: En dosificaciones de 0,5 1,5 lb/sx8. Agentes de control de regresin de la resistencia a la compresinHarina de slice: Estos agentes evitan la regresin de la resistencia a la compresin porefectos de la temperatura. Son silicatos de alta pureza, con una textura que va demalla 100 a 325 para poder tener una distribucin grande y homognea en el cuerpodel cemento.Normalmente se dosifican al 35% por peso de cemento y requiere el 40% de agua desu propio peso, para la malla 325, para la malla 100 no requiere agua. En pozosgeotrmicos con temperatura mayores (hasta 600 F (315 C)), se emplea harina deslice al 50% (malla 325).Grupo N2: Aditivos de cementacin7CEMENTACION DE POZOS PETROLEROS9. Aditivos especialesEstos pueden ser: Antiespumantes y Agentes expandidores del cemento fraguado. Debido a lavelocidad con que se maneja el cemento en el campo cuando se est elaborando la lechada(aprox. 1 Ton/min), el cemento tiende a entrampar una gran cantidad de aire, propiciando unerrneo control de la densidad; asimismo, algunos productos qumicos ayudan a mantener elaire dentro de la mezcla y dificulta el trabajo de las bombas de alta presin con que se manejaesta para ser bombeada al pozo.El problema se minimiza mediante el uso de los agentes antiespumantes, lo que eliminan lamayor parte de las burbujas de aire entrapadas. Generalmente son sales orgnicas cidas desolubilidad media y se dosifican del 0,2 0,3% por peso de cemento.Los expandidores son aditivos que dilatan el producto hidratado, sin que esto sea originadopor efecto de la temperatura. Los expandidores empleados comnmente son:Cloruro de Sodio: Su mxima dilatacin se obtiene al 18% por peso de agua y aconcentraciones mayores se obtiene ligera contraccin del cemento fraguado.Cloruro de Potasio: Este producto, adems de ser eficiente estabilizador de las arcillas,al 5% por peso de agua de mezcla exhibe la misma dilatacin que el 18% de cloruro desodio en el cemento. Otra caracterstica es que al 2% por peso de agua hace que elfiltrado de las lechadas que lo contienen sea compatible con la mayora de los aceites.Perlita Expandida: Son partculas volcnicas que han sido expandidas a altastemperaturas (Fusin). La gravedad especfica de la perlita expandida es de 0.53, locual permite la preparacin de mezclas livianas competentes de hasta 12 lb/gal. Enmuchos casos, el uso de Bentonita (2 4% BWOC) previene la segregacin de laspartculas de perlita en la mezcla. Las partculas de perlita expandida contienen porosque sometidos a alta presin hidrosttica colapsan. Por tanto la gravedad especfica dela perlita se incrementa hasta (0.94 a 3000 psi). Esto implica que la densidad final de lamezcla es mayor en fondo del pozo, por lo que en superficie se debe preparar mezclasde cemento-perlita de menor peso. Tabla 3-1 muestra la diferencia de densidadesobservadas a 3000 psi y condiciones atmosfricas.Grupo N2: Aditivos de cementacin8CEMENTACION DE POZOS PETROLEROSPropiedades de la Perlita ExpandidaGilsonita: Son partculas provenientes del mineral asfaltita, de gravedad especifica de1.07 y requerimiento de agua de 2 gal/ft3 lo que hace posible la preparacin demezclas livianas de alta resistencia a la compresin. Es posible el uso de hasta 50 lbs degilsonita por saco de cemento Prtland (94 lbs), para obtener mezclas de hasta 12lb/ft3; sin embargo el uso de bentonita siempre ser necesario para reducir problemasdurante el mezclado. Las partculas de Gilsonita son slidos angulares, de amplio rangode tamao (hasta 0.6 cm.) y son usadas tambin para prevenir la perdida decirculacin, debido a que su punto de fusin se encuentra por encima de 260 F, el usode dicho producto est limitado a pozos donde BHST es menor que 260F.Grupo N2: Aditivos de cementacin9CEMENTACION DE POZOS PETROLEROSFinos de carbn: Como agente alivianador, el comportamiento del carbn es similar ala gilsonita. Su gravedad especifica de 1.3 y temperatura de fusin de 1000F, permiteusarlo en pozos profundos de alta BHST. Sin embargo siempre requerir el uso de labentonita para la estabilizacin de la mezcla.Micro-esferas huecas: El uso de mezclas extendidas con micro esferas es una tcnicaque se est desarrollando en los ltimos aos. Las micro esferas son pequeas esferasllenas de gas con una gravedad especifica que vara entre 0.4 y 0.7; lo cual permite lapreparacin de mezclas de muy bajas densidades (8.5 lb/gal) y alta resistencia a lacompresin en relacin con otras mezclas livianas. La resistencia a la compresin delas mezclas livianas con micro-esferas es por lo general 50 60 % mayor que las queobtiene con Bentonita o Metasilicato de Sodio como aditivos alivianadores. Existen 2tipos de micro esferas que actualmente se usan en cementacin: cermica y vidrio quese diferencian principalmente en la resistencia a la compresin. La aplicacin originalde las micro esferas se dio en las cementaciones primarias de casings de superficie yconductoras, donde las cavernas y zonas de baja presin son bastantes comunes. Sinembargo, en los ltimos aos el uso de las micro esferas se han extendido hacia losaislamientos de zonas productoras y/o de inters de baja presin donde mezclasconvencionales implican cementaciones en mltiples etapas. Inicialmente, el uso delas micro esferas estuvo limitado a pozos poco profundos, debido al colapso queestas sufren frente a altas presiones hidrulicas. Con el desarrollo de las micro esferas de vidrio que son capaces de aguantar presiones de hasta 10,000 psi el uso delas micro-esferas se extiende incluso a pozos muy profundos.Existen varios tipos de micro esferas que se pueden utilizar para reducir la densidad delas mezclas, los cuales son clasificados de acuerdo a la mxima presin hidrostticaque pueden soportar. El tamao promedio de las micro esferas es similar a laspartculas del cemento y pueden variar desde 20 200 m con espesor de paredesdesde 0.5 2 m. La mayora de las micro esferas de cermica aguantan presiones de5000 psi; sin embargo existen micro esferas de vidrio que pueden soportar hasta10,000 psi, mucho ms costosa que las de cermica por lo que su uso es muchas veceslimitado.La composicin de las micro-esferas de cermica est basada en la puzolana derivadade cenizas volcnicas y aluminosilicatos. Como se mencion anteriormente, las micro-Grupo N2: Aditivos de cementacin10CEMENTACION DE POZOS PETROLEROSesferas son susceptibles a romperse y colapsar cuando son expuestas a altas presioneshidrostticas, dando como resultado que la densidad de la mezcla se incremente.Es importante asegurar que las micro-esferas deben ser pre-mezcladas en seco con elcemento y nunca pre-mezclarse en agua debido a que su gravedad especifica es menorque el agua. Variaciones en la relacin de micro esferas y cemento darn comoresultado densidades errticas durante el mezclado. Las micro esferas soncompatibles con todos los tipos de cemento.10.CONTAMINACION DEL CEMENTO POR LODO.As como aadimos compuestos deliberadamente a las lechadas de cemento en la superficie,para mejorar las propiedades de la misma, la lechada de cemento al entrar en contacto con ellodo de perforacin puede ser contaminada, cuando se bombea hacia el fondo del pozo. Losproductos qumicos del lodo pueden reaccionar con el cemento para dar efectos secundariosno deseados. Algunos de estos se muestran a continuacin siguientes:Contaminantes de la lechada que provienen del lodoLa mezcla del lodo con el cemento puede causar un agudo incremento en la viscosidad. Elmayor efecto de un fluido altamente viscoso en el espacio anular es que se forman canales queno son fcilmente desplazados. Estos canales evitan una buena cementacin sobre las paredesdel pozo y sobre las paredes de la caera. Para prevenir la contaminacin del cemento porlodo un fluido espaciador se bombea entre el lodo y la lechada de cementoGrupo N2: Aditivos de cementacin11