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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.