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Tomo07 ingenieria de cementaciones

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Tomo07 ingenieria de cementaciones

  1. 1. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de Cementaciones INDICE página CONCEPTOS GENERALES 4 Introducción 4 I. CEMENTACIONES 4 Clasificación de las cementaciones 4 Descripción de la cementación primaria 4 Descripción de la cementación forzada 5 Descripción de los tapones de cemento 5 II. CEMENTO PORTLAND 5 Definición 5 Fabricación 6 Principales compuestos del cemento y sus funciones 6 Clasificación API y ASTM de los cementos 6 Propiedades físicas de los cementos 8 Categorías de los aditivos y sus funciones 9 Lechadas de cemento 11 III. CEMENTACIÓN PRIMARIA 20 Cómo obtener la información del pozo 20 Cementación de las diferentes tuberías de revestimiento 21 IV. DISEÑO DE LABORATORIO Y RECOMENDACIONES GENERALES 22 Diseño de laboratorio 22 Tubería conductora 22 Tubería superficial 22 Tubería intermedia 24 Tubería de explotación 24 1
  2. 2. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de CementacionesInformación de gabinete 27Información de laboratorio 27V. DISEÑO DE GABINETE 27Procedimientos de diseño de gabinete 29Obtención de datos 29Cálculo de cemento, agua y aditivos 31Cálculo del requerimiento de materiales 31Procedimientos operativos 40Ejemplos 44VI. NUEVAS TECNOLOGÍAS EN CEMENTACIÓN PRIMARIA 50Tecnología de lechada de baja densidad con alta resistencia compresiva 50VII. CEMENTACIÓN DE POZOS DIRECCIONALES Y HORIZONTALES 56Introducción 56Clasificación de pozos horizontales 56Resumen 64VIII. TAPONES DE CEMENTO 64Descripción 64Objetivos 64Tipos de tapón 65Técnicas de colocación 68Consideraciones de diseño 69IX. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA COLOCACIÓN DEL TAPÓN 71Dump bailer 71Ejemplos 73X. CEMENTACIÓN FORZADA 78Introducción 78XI. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA CEMENTACIÓN FORZADA 81Teorías de aplicación sobre problemas reales 82Problemas especiales en cementaciones forzadas 932
  3. 3. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de Cementaciones XII. ACCESORIOS PARA TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO 97 Tipos de accesorios 97 Cementación en etapas múltiples 104 XIII. ACCESORIOS PARA TUBERÍAS CORTAS (Liner) 106 Empacadores para tuberías cortas con unidad de sellos molible 110 Colgadores para tuberías cortas 112 XIV. DESARROLLO HISTÓRICO DE LAS UNIDADES CEMENTADORAS 114 Unidades cementadoras 114 Unidades transportadoras de cemento a granel 119 Almacenaje y dosificación de cemento 120 Diseño de una planta dosificadora de cemento 121 Salud y seguridad en el manejo de aditivos 122 Instalaciones 123 XV. CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE: 123 Cementaciones primarias 123 Cementaciones a presión 124 Tapones por circulación 124 PREGUNTAS Y RESPUESTAS 125 GLOSARIO 128 BIBLIOGRAFÍA 129 3
  4. 4. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de BIBLIOGRAFIA Cementaciones 1. Nelson, E.B. Well Cementing, 1983 16. Cementing I halliburton energier services. 2. Dowell Engineering Manual, 1995 17. Cementing II halliburton energier services. 3. DEC Cementing School Papers, 1997 18. Cementing for engineers. 4. G. Birch, Guidelines for Setting Abandonment 19. Displacement mechanigs studies halliburton and Kick-Off Plugs, 1999 energier services.Conceptos generales 4. Evitar derrumbes de la pared de formaciones no consolidadas. 5. Miller. Joe. Dowells Plug PlacementEn este capítulo se describen las principales opera- Tool presentationciones de cementación que se efectúan en los po- El reto principal es obtener sellos hidráulicos efec-zos petroleros, las tecnologías, los equipos y mate- tivos en las zonas que manejan fluidos a presión. 6. DOFSE, Kellyville Training Center, 1987riales empleados. Para lograrlo es indispensable mejorar el despla- zamiento del lodo de perforación del tramo de 7. OTC, Kellyville Training Center, 1998I. CEMENTACIONES espacio anular que se va a cementar consiguien- do así una buena adherencia sobre las caras de la 8. Adam T. Bourgoyne Jr. Applied DrillingSon las operaciones con cemento que se efectúan formación y de la tubería de revestimiento, sin ca- Engineering SPE Textbook Series,con fines específicos en los pozos petroleros. nalizaciones en la capa de cemento y con un lle- Vol.2. 1991. nado completo.Clasificación de las cementaciones 9. Preston L. Moore.- Drilling Practices Manual.- Second Edition 1986Se clasifican de acuerdo con los objetivos que sepersiguen en: 10. Energy Halliburton Cementing ManualCementación primaria Cemento Completamente fraguado sin canalización 11. API SPEC 10, 10A Y 10B. de gasCementación forzada 12. Marcel y André Reimbert; Construcción de Silos.- Traducción del francés porTapones de cemento Manuel Velázquez VelázquezDescripción de la cementación primaria 13. Lloyd E. Browell, Edwin H.Young; Process Equipment Design;La cementación primaria es el proceso que consiste Vessel Design.- Editorial Library Congress Catalogen colocar cemento en el espacio anular, entre la Caroltubería de revestimiento y la formación expuesta del Cemento adherido a Number: 59-5882. Printed in the United States ofagujero, asegurando un sello completo y permanente la formación America.(ver figura 1). Cemento adherido a la tubería 14. Dwight K Smith. Series SPE;Objetivos de las cementaciones primarias Cementing Monograph Vol. 4, SPE, 1990.1. Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo 15. World wide cementing practices firts sirstque contienen gas, aceite y agua. Zona de Interés edition enero 1991. API2. Soportar el peso de la propia tubería de revesti-miento.3. Reducir el proceso corrosivo de la tubería de re-vestimiento con los fluidos del pozo y con los flui-dos inyectados de estimulación. Figura 1 Cementación primaria.4 129
  5. 5. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de CementacionesGLOSARIO Se ha vuelto práctica común que para cumplir con 4. Proporcionar un amarre en la prueba del pozo. el segundo y tercer objetivos, el cemento debe de- sarrollar un esfuerzo compresivo mínimo de 500 psi II. CEMENTO PORTLAND (35 kg/cm2) dentro de las primeras 8 horas. Este va- lor es producto de la práctica. Definición AES Área exterior de sellos Pdif Presión diferencial AiTR Área interior de TR ProtT Protección a la tubería Descripción de la cementación forzada El cemento es una mezcla compleja de caliza (u CAD Capacidad del agujero descubierto ProtF Protección a la formación otros materiales con alto contenido de carbonato CEA Capacidad del espacio anular Cc Carga máxima al colapso del cargador Es el proceso que consiste en inyectar cemento a de calcio), sílice, fierro y arcilla, molidos y calci- CICe Cima de cemento FCc Factor de capacidad del colgador al colapso presión a través de disparos o ranuras en la tube- nados, que al entrar en contacto con el agua for- CTC Capacidad del TC Q Gasto ría de revestimiento al espacio anular. Ésta es una ma un cuerpo sólido. Esta mezcla de ingredientes CTP Capacidad de TP R Rendimiento del saco de cemento medida correctiva a una cementación primaria de- se muele, se calcina en hornos horizontales con CTp Capacidad de Tp PV Peso volumétrico fectuosa. corriente de aire y se convierte en clinker, el cual CTR Capacidad de TR DTR Desplazamiento de TR contiene todos los componentes del cemento, Dag Diámetro del agujero RTRC Resistencia de TR al colapso • Objetivos de las cementaciones forzadas excepto el sulfato de calcio, que se le agrega como Dc Diámetro de la camisa Cpi Carga máxima de TR sin desgarrarse ingrediente final. De Diámetro exterior W Peso de tubería 1. Mejorar el sello hidráulico entre dos zonas que Di Diámetro interior Vzc Volumen de lechada dentro de TR entre zapata manejan fluidos. Los componentes que forman el cemento son óxi- y cople 2. Corregir la cementación primaria en la boca de dos superiores de oxidación lenta. Esto significa que DT Diámetro de tubería RTRpi Resistencia de TR a la presión interna una tubería corta, o en la zapata de una tubería terminan su grado de oxidación al estar en contacto Dv Diámetro del vástago RTRT Resistencia de TR a la tensión cementada, que manifieste ausencia de cemento en con el aire al enfriarse. Ef Eficiencia WS Peso de sarta de tubería la prueba de goteo. Esta prueba consiste en la apli- ETP Elongación de TP Sc Saco de cemento cación al agujero descubierto, inmediatamente des- De todos los cementos, el Portland es el más im- ETR Elongación de TR TC Tubería conductor pués de perforar la zapata, de una presión hidráulica portante en cuanto a términos de calidad. Es el FC Fuerza que actúa sobre el cople TR Tubería de revestimiento equivalente a la carga hidrostática, que ejercerá el material idóneo para las operaciones de cemen- FF Factor de flotación TP Tubería de perforación fluido de control con el que se perforará la siguiente tación de pozos. Ffp Factor de fricción del lodo Tp Tubería de producción etapa. Esto se realiza durante 15 a 30 minutos, sin Fs Factor de seguridad DTP Desplazamiento de TP abatimiento de la presión aplicada. Algunos cementos Portland son de fabricación espe- Ge Gravedad específica t TR Tramos de TR 3. Eliminar la intrusión de agua al intervalo productor. cial, debido a que las condiciones de los pozos difie- Gf Gradiente de fractura Vag Volumen de agua 4. Reducir la relación gas-aceite. ren significativamente entre sí al variar su profundi- GTP Grado de TP t TP Tramos de TP 5. Sellar un intervalo explotado. dad. En la solución de algunos problemas específicos GTR Grado de TR Vc Volumen de cemento 6. Sellar parcialmente un intervalo que se seleccio- de pozos se utilizan cementos de menor uso. H Profundidad VLc Volumen de lechada de cemento nó incorrectamente. hzc Longitud entre zapata y cople Vcr Volumen de cemento requerido 7. Corregir una canalización en la cementación pri- El cemento Portland es, además, el ejemplo típico de L Longitud Vd Volumen de desplazamiento maria. un cemento hidráulico: fragua y desarrolla resisten- LTP Longitud de TP Vit Velocidad de introducción de la tubería 8. Corregir una anomalía en la tubería de revesti- cias a la compresión como resultado de la hidratación, LTR Longitud de TR LV Longitud del vástago miento. la cual involucra reacciones químicas entre el agua y Uac Densidad del acero LTp Longitud de Tp los componentes presentes en el cemento. Uc Densidad del cemento WT Peso teórico de la tubería Descripción de los tapones de cemento Ufc Densidad del fluido de control FCpi Factor de capacidad del colgador a la presión El fraguado y endurecimiento no solamente ocurre interna Los tapones comprenden un cierto volumen de si la mezcla de cemento y agua se deja estática al T Tiempo WF Peso físico de la tubería lechada de cemento, colocado en el agujero o en aire, también se presenta si la mezcla se coloca en el interior de la tubería de revestimiento. agua. El desarrollo de resistencia es predecible, uni- forme y relativamente rápido. Objetivos de los tapones de cemento El cemento fraguado tiene baja permeabilidad y es 1. Desviar la trayectoria del pozo arriba de un pesca- insoluble en agua, de tal forma que expuesto a ésta do o para iniciar la perforación direccional. no se destruyen sus propiedades. 2. Taponar una zona del pozo o taponar el pozo. Tales atributos son esenciales para que un cemento 3. Resolver un problema de pérdida de circulación obtenga y mantenga el aislamiento entre las zonas en la etapa de perforación. del subsuelo.128 5
  6. 6. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de CementacionesFabricación Principales compuestos del cemento y sus funciones cada por la longitud entre cople y zapata de la TR Cementación a presión con bombeo continuo o con por cementar. bombeo intermitente.Los materiales crudos se muelen y mezclan vigoro- 1. Silicato tricálcico (3CaO.SiO2) habitualmente co-samente, así se obtiene una mezcla homogénea en nocido como C3S. 7.Indique en qué consiste el diseño de gabinete de Cementación a presión con rompimiento de forma-las proporciones requeridas, para lograrlo existen una cementación primaria y cómo se pueden conju- ción e inyección de la lechada en el interior de lados procesos: seco y húmedo (figura 2, proceso de Es el componente más abundante en la mayoría de gar las características reológicas de los fluidos con fractura provocada.fabricación del cemento Portland). los cementos y, además, el factor principal para pro- el estado mecánico del pozo. ducir la consistencia temprana o inmediata (1 a 28 días). Cementación a presión sin romper formación, for-Proceso seco Generalmente, los cementos de alta consistencia in- El diseño de gabinete consiste en conjugar las ca- mando depósitos de cemento con base en la cons- mediata contienen en mayor concentración este com- racterísticas reológicas de los fluidos que intervie- trucción de enjarre de baja permeabilidad en las zo-Se preparan las materias primas y se pasan a un puesto; más que el Portland común y los retardados. nen en la operación de cementación con las condi- nas de inyección.molino para homogeneizar el tamaño de las partícu- ciones mecánicas del pozo, mediante un programalas y su cantidad. Se pasan por un separador de aire 2. Silicato dicálcico (2CaO.SiO2) habitualmente co- computarizado que brinda la oportunidad de anali- ble: uno, para programar y ejecutar los parámetrosy se les lleva a silos mezcladores para su almacena- nocido como C2S. zar varias alternativas: simula mediante cálculos los principales de cementación durante la operación, ymiento antes de pasarse al horno rotatorio. esfuerzos a que se someterá el pozo durante la ope- el otro para monitoreo y control del desarrollo de la Compuesto de hidratación lenta que proporciona la ración de cementación y vigila, en todo momento, operación misma.Proceso húmedo ganancia gradual de resistencia. Ocurre en un pe- que la presión de fondo de cementación no sea igual riodo largo: después de 28 días. o superior a la presión de fracturamiento de la for- La técnica elegida se selecciona de acuerdo con elA diferencia del anterior, este proceso efectúa una mación, ni menor a la presión de poro. El sistema de cómputo debe ser doble: uno, paramezcla de las materias primas con agua para man- 3. Aluminato tricálcico (3CaO.Al2O3) habitualmente objetivo de la operación. programar y ejecutar lostener en forma más homogénea la mezcla. También conocido como C3A. 8. Indique los pasos que se deben seguir para el parámetros principales de cementación durante lase les pasa por un molino para uniformar el tamaño cálculo de un tapón balanceado de cemento. operación. y el otro parade partícula y, posteriormente, se pasa a unos con- Tiene influencia en el tiempo de espesamiento de latenedores que mantienen en movimiento la mezcla lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ata- Efectuar registros de calibración y temperatura del 10. Indique las características que debe tener elantes de pasarla al horno rotatorio. que químico de los sulfatos sobre los cementos. Esta agujero. monitoreo y control del desarrollo de la opera- susceptibilidad se clasifica en moderada y alta resis- ción sistema de mezclado de cemento para obte-Esta mezcla de materia cruda seca o húmeda, según tencia al ataque químico, cuando contienen este Definir de acuerdo al registro de calibración la zona ner un trabajo de calidad.el proceso de fabricación, se alimenta en la parte compuesto en 8 y 3% respectivamente. de colocación y diámetro promedio.más elevada del horno rotatorio inclinado, a un gas- Debe hacerse con un mezclador de alta energía. Seto uniforme, y viaja lentamente por gravedad a la 4. Alúmino ferrito tetracálcico (4CaO.Al2O3 .Fe2O3) ha- Calcular el volumen de lechada necesaria para cu- imprime un esfuerzo cortante alto y prolongado,parte inferior del mismo. bitualmente conocido como C4AF. brir la longitud del tapón que se pretenda tener en basado en recircular la mezcla con control de densi- el pozo. dad automatizado programable, con capacidad sufi-El horno se calienta con gas a temperaturas de 1430 Este compuesto es de bajo calor de hidratación y no ciente 25 bl para operaciones con volúmenes gran-a 1540°C. influye en el fraguado inicial. Determinar la altura de la lechada dentro y fuera de des de lechada. la tubería de perforación, dividiendo el volumen deEstas temperaturas originan reacciones químicas Clasificación API Y ASTM de los cementos lechada calculada entre la suma de las capacidadesentre los ingredientes de la mezcla cruda, resultan- dentro de la tubería de perforación y del espacio anu-do un material llamado clinker. Las Normas API se refieren a clase de cemento; las lar entre la tubería de perforación y el agujero. Normas ASTM a tipo de cemento.El clinker se deja enfriar a temperatura ambiente con Determinar la altura dentro y fuera de los frentescorriente de aire, en un área inmediata al horno, cons- 1. Cemento clase A o tipo I lavador y espaciador en forma similar al de latruida bajo diseño para controlar la velocidad de en- lechada.friamiento. Una vez frío, se almacena y se muele pos- Está diseñado para emplearse a 1830 m de profun-teriormente en molinos de bolas, para darle el tama- didad como máximo, con temperatura de 77°C, y Calcular el volumen de desplazamiento, multiplican-ño deseado a las partículas. donde no se requieran propiedades especiales. do la capacidad del interior de la sarta por la distan- cia de la cima determinada en el paso anterior a laEl clinker se alimenta al molino de cemento conjun- 2. Cemento clase B o tipo II superficie, con base en las alturas determinadas entamente con una dosificación de sulfato de calcio los dos pasos anterioresdihidratado, con lo que se obtiene el producto ter- Diseñado para emplearse hasta a 1830 m deminado de cemento Portland, figura 2. profundidad, con temperatura de hasta 77°C, y en 9. Mencione las técnicas empleadas para llevar a donde se requiere moderada resistencia a los sulfatos. cabo una cementación a presión.6 127
  7. 7. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de Cementaciones3. Indique los principales compuestos mineralógicos Aceleradores Separador de aire del cemento y sus funciones. Reducen el tiempo de fraguado de los sistemas deSilicato Tricálcico C3S cemento e incrementan la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva. Caliza Partículas mayoresEs el componente de mayor proporción en la mayo- Colector de polvo Al hornoría de los cementos y el factor principal que produce Retardadoresla consistencia temprana o inmediata (1 a 28 días). Fino Prolongan el tiempo de fraguado de los sistemas deLos cementos de alta consistencia inmediata, gene- cemento. Alimentadores de A la bombaralmente lo contienen en mayor concentración que materias primas Molino neumática Cámara de aire Silos de mezclado en Silo de almacenaje de materiael Portland común y que los retardados. Extendedores caliente seco mezclada Bajan la densidad de los sistemas de cemento y/oSilicato Dicálcico C2S reducen la cantidad de cemento por unidad de volu- men del producto fraguado.Compuesto de hidratación lenta que proporciona laganancia gradual de resistencia, la cual ocurre en Densificantesun periodo largo: después de 28 días. Incrementan la densidad de los sistemas del ce- Al horno mento. Materiales almacenadosAluminato Tricálcico C3A separadamente Clinker DispersantesTiene influencia en el tiempo de espesamiento de la Materias primas calcinadas a 2700 o F Entrada delechada. Es responsable de la susceptibilidad al ata- combustible Reducen la viscosidad de las lechadas de cemento.que químico de los sulfatos sobre los cementos. Se Yesoclasifican en moderada y alta resistencia al ataque Controladores de filtradoquímico, cuando lo contienen en 8 y 3% respectiva-mente. Controlan la pérdida de la fase acuosa de los siste- mas de cemento, frente a zonas permeables.Aluminio Ferrito Tetracálcico C4AF Enfriador del clinker Horno Rotatorio Controlador de pérdida de circulación con aire Clinker y yeso convergenEste compuesto es de bajo calor de hidratación y no al molinoinfluye en el fraguado inicial. Controlan la pérdida de cemento hacia zonas débi- les de la formación o fracturas.4. Indique las clases de cemento petrolero de ma- yor aplicación en el ámbito mundial, en función Aditivos especiales de su versatilidad de aplicación. Es la miscelánea de aditivos complementarios para Separador Colector deCementos Clase G Y H. yeso de aire polvos Líneas de carga de cemento a la cementación, tales como antiespumantes, unidades transportadoras controladores de la regresión de la resistenciaComúnmente conocidos como cementos petroleros, compresiva, etcétera.son básicos para emplearse desde la superficie has- yes ota 2240 m tal como se fabrican. Pueden modificarse 6. Indique cómo se calcula el volumen de lechadacon aceleradores y retardadores para usarlos en un de cemento que se requiere emplear en unaamplio rango de condiciones de presión y tempera- cementación primaria, con tubería corrida hastatura. la superficie. Materiales5. Indique las categorías en que se agrupan para proporcionados Se multiplica la capacidad del espacio anular entre Molino de bolassu estudio los distintos aditivos. el agujero y la tubería de revestimiento por cemen- Bomba de cemento Silos de Almacenaje Ensacadora tar y entre ésta y la última tubería cementada, por laLos aditivos químicos de cementación se agrupan longitud que se va a cubrir en cada caso, más la ca- )LJXUD )DEULFDFLyQ GHO HPHQWR 3RUWODQGen ocho categorías para su estudio y aplicación: Figura 2 Proceso deFig. No. 8.4.01 Proceso de Fabricación del Cemento Portland fabricación del cemento Portland. pacidad de la tubería que se va a cementar multipli-126 7
  8. 8. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de Cementaciones3. Cemento clase C o tipo III cano del Petróleo) tienen propiedades físicas espe- PREGUNTAS Y RESPUESTAS Resolver un problema de pérdida de circulación en cíficas para cada clase de cemento, mismas que bá- la etapa de perforación.Está diseñado para emplearse hasta 1830 m de pro- sicamente definen sus características. 1. Describa los objetivos de las siguientes opera-fundidad como máximo, con temperatura de 77°C, ciones: Hacer un amarre en la prueba del pozo.donde se requiere alta resistencia a la compresión Las principales propiedades físicas de los cementos son:temprana; se fabrica en moderada y alta resistencia Cementación primaria 2. Indique los procesos de fabricación del cementoa los sulfatos Ge = Gravedad específica Cementación a presión Portland. Tapón de cemento4. Cemento clase D Denota el peso por unidad de volumen, sin tomar Proceso Seco en consideración otros materiales, tales como el aire Los principales objetivos de la cementación prima-Este cemento se emplea de 1830 hasta 3050 m de o el agua; es decir, el peso de los granos de cemen- ria son: Se preparan las materias primas y se pasan a unprofundidad con temperatura de hasta 110°C y pre- to específicamente; sus unidades son gr/cm3, kg/lt molino para homogeneizar el tamaño de las partí-sión moderada. Se fabrica en moderada y alta re- y ton/m3. Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo culas y su cantidad, pasando por un separador desistencia a los sulfatos. que contienen gas, aceite y agua. aire y se llevan a silos mezcladores para su almace- PV= Peso volumétrico namiento antes de alimentarse al horno rotatorio.5. Cemento clase E Soportar el peso de la propia tubería de revesti- Denota el volumen por unidad de masa. Se toma en miento. Proceso HúmedoEste cemento se usa de 1830 hasta 4270 m de profun- consideración el aire contenido entre los granos dedidad con temperatura de 143°C y alta presión. Se fa- cemento; sus unidades son gr/cm3, kg/lt y ton/m3. Reducir el proceso corrosivo de la tubería de reves- Este proceso efectúa una mezcla de las materias pri-brica en moderada y alta resistencia a los sulfatos. timiento, por los fluidos del pozo y los inyectados al mas con agua para mantener en forma más homogé- Blaine. Fineza de los granos de cemento estimularlo. nea los materiales, haciendola pasar también por un6. Cemento clase F molino para uniformar el tamaño de partícula y poste- Indica el tamaño de los granos del cemento. Su mayor Los objetivos de las cementaciones forzadas son: riormente se pasa la mezcla a unos contenedores queEste cemento se usa de 3050 hasta 4880 m de pro- influencia se da sobre el requerimiento de agua para la la mantienen en movimiento antes de pasar al hornofundidad con temperatura de 160°C, en donde exis- preparación de la lechada. Esta característica es un factor Mejorar el sello hidráulico entre dos zonas que ma- rotatorio.ta alta presión. Se fabrica en moderada y alta resis- determinante, pero no único, para la clasificación de los nejan fluidos.tencia a los sulfatos. cementos. Sus unidades son cm2/gr,m2/kg Representa el Esta mezcla de materia cruda, seca o húmeda, se- área expuesta al contacto con el agua y se determina Corregir la cementación primaria en la boca de una tube- gún el proceso de fabricación, se alimenta por la parte7. Cementos clase G Y H como una función de permeabilidad al aire. ría corta o en la zapata de una tubería cementada, que más elevada, al horno rotatorio inclinado, con un manifiesta ausencia de cemento en la prueba de goteo gasto uniforme, y viaja lentamente por gravedad aComúnmente conocidos como cementos petroleros, son Distribución del tamaño de partícula la parte inferior del mismo.básicos para emplearse desde la superficie hasta 2240 m Eliminar la intrusión de agua al intervalo productor.tal como se fabrican. Pueden modificarse con Indica la eficiencia con la que se llevó a cabo la selección, Reducir la relación gas aceite. Para cemento petrolero, el horno se calienta con gasaceleradores y retardadores para usarlos en un amplio la molienda y el resto del proceso de fabricación sobre la a temperaturas de 1430 a 1540°C.rango de condiciones de presión y temperatura. homogeneización de los materiales crudos molidos. Sellar un intervalo explotado. Estas temperaturas originan reacciones químicas en-En cuanto a su composición química son similares Tamaño promedio de partículas Sellar parcialmente un intervalo que se seleccionó tre los ingredientes de la mezcla cruda, resultandoal cemento API Clase B. Están fabricados con espe- incorrectamente. un material llamado clínker.cificaciones más rigurosas tanto físicas como quí- Es el tamaño de grano que ocupa el 50% de un pesomicas, por ello son productos más uniformes. determinado de cemento, dentro de la gama de ta- Corregir una canalización en la cementación El clínker se deja enfriar a temperatura ambiente con maños de grano que integran el cemento. primaria. corriente de aire, en un área inmediata al horno, cons-8. Cemento clase J truida bajo diseño para controlar la velocidad de en- Requerimiento de agua normal Corregir una anomalía en la tubería de revestimiento. friamiento. Una vez frío se almacena y se muele pos-Se quedó en fase de experimentación y fue diseña- teriormente en molinos de bolas, dándole el tamañodo para usarse a temperatura estática de 351°F Es el agua necesaria para la lechada con cemento solo. Los objetivos de los tapones de cemento son: deseado a las partículas.(177°C) de 3660 a 4880 metros de profundidad, sin Debe dar 11 Uc a los 20 minutos de agitarse en elnecesidad del empleo de harina sílica, que evite la consistómetro de presión atmosférica a temperatura am- Desviar la trayectoria del pozo, arriba de un pesca- El clínker alimenta al molino de cemento conjunta-regresión de la resistencia a la compresión. biente; se expresa en por ciento por peso de cemento. do o para iniciar la perforación direccional. mente con una dosificación de sulfato de calcio dihidratado, con lo que se obtiene el producto ter-Propiedades físicas de los cementos Requerimiento de agua mínima Taponar una zona del pozo o taponar el pozo. minado de cemento Portland.Los cementos de clasificación API (Instituto Ameri- Denota el agua necesaria para la lechada de cemen-8 125
  9. 9. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de Cementacionesde los centros de investigación marcan un porcen- con arena sílica y no deben presentar canalización to. Debe dar 30 Uc a los 20 minutos de agitarse en Controlador de pérdida de circulacióntaje de adherencia mínimo del 90 % para obtener y flujo a través del tapón, debiéndose probar con el consistómetro de presión atmosférica a tempera-buenos resultados de sello; sin embargo, las expe- presión hidráulica y peso, cuyos valores depende- tura ambiente; se expresa en por ciento por peso Son materiales que controlan la pérdida de cemen-riencias de campo marcan un 80 % mínimo para rán de su profundidad de colocación y condiciones de cemento. to hacia zonas débiles de la formación o fracturas.dar por buena la cementación del pozo. Densidad de la lechada Aditivos especialesCementaciones a presión Es el peso de la mezcla del cemento con agua y está Es la miscelánea de aditivos complementarios paraLa evaluación de este tipo de operaciones se hace de en función de la relación de agua por emplear. Sus la cementación, tales como antiespumantes,acuerdo con su objetivo; es decir, si ésta se efectúo unidades son gr/cm3, kg/lt y ton/m3. controladores de la regresión de la resistenciapara corregir una canalización en una cementación compresiva, etcétera.primaria, se evaluará mediante la aplicación de un só- Ángulo de talud natural del cementonico de cementación y /o la aplicación de presión en clases de Aceleradoreslas zonas disparadas verificando que exista buen se- Es el ángulo que forma el material granulado cuan-llo en los orificios de los disparos y en la zona de falta do se deposita en una superficie plana horizontal; Estos aditivos químicos acortan el tiempo de bom-de adherencia manifestada por el registro. sirve para el diseño de la planta dosificadora de ce- beo e incrementan el desarrollo de resistencia mento y para recipientes a presión. compresiva; disminuyendo el tiempo equipo de per-Para el caso de abandono de intervalos, primera- foración.mente se debe alcanzar una presión final y poste- Categorías de los aditivos y sus funcionesriormente se efectúa una prueba de admisión para Los aceleradores de mayor aplicación son:asegurarse de su efectividad por un lapso de 15 a Aceleradores30 minutos con la presión que se espere del siguien- • Cloruro de calcio (CaCl2)te intervalo a explotar o una prueba de aligeramien- Son productos químicos que reducen el tiempo deto de columna para verificar que no se tengan apor- fraguado de los sistemas de cemento. Incrementan Esta sal se dosifica del 2 al 4 % por peso de cemen-taciones de fluidos de la formación la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva. to, dependiendo del tiempo de bombeo que se de- sea obtener. Es el producto que exhibe mayor con-Tapones por circulación Retardadores trol en el tiempo bombeable .La evaluación de los tapones de cemento que se Son productos químicos que prolongan el tiempo • Cloruro de sodio (NaCl)colocan por circulación variará de acuerdo con el de fraguado de los sistemas de cemento.objetivo que se persiga con el tapón: Actúa como acelerador en concentraciones de has- Extendedores ta un 10 % por peso de agua, entre el 10 y 18 %Para desviar pozo el tapón debe soportar de 3 a 4 produce un tiempo de bombeo similar al obtenidoton de peso en condiciones estáticas, además al re- Son materiales que bajan la densidad de los siste- con agua dulce. A concentraciones mayores del 18bajar para afinar el punto de desviación debe tener mas de cemento y/o reducen la cantidad de cemen- % causa retardamiento. La típica concentración deuna consistencia tal que manifieste una velocidad to por unidad de volumen del producto fraguado. acelerador es del 2 al 5 % por peso de agua.de penetración mínima de 2 minutos por metro, conun peso máximo sobre barrena de 3 ton y una pre- Densificantes • Sulfato de calcio (CaSO4) 2sión de bombeo de 120 a 140 kg/cm . Son materiales que incrementan la densidad de los Es un material que por sí mismo posee característi-La longitud del tapón tenderá a ser de 150 m máxi- sistemas del cemento. cas cementantes y tiene fuerte influencia en expan-mo, empleando frentes de limpieza y separador con dir el cemento fraguado; como acelerador se dosificaun volumen igual o mayor que el del cemento. Dispersantes basándose en el tiempo que se desea y la tempera- tura a la cual va a trabajar. Su concentración varíaLa cima del cemento podrá variar en +/- 20 m de la Son productos químicos que reducen la viscosidad del 50 al 100% por peso del cemento.profundidad de diseño. de las lechadas de cemento. Retardadores del fraguado del cementoLos tapones temporales y de apoyo se probarán con Controladores de filtrado5 ton de peso estático únicamente. Son aditivos químicos que incrementan el tiem- Son materiales que controlan la pérdida de la fase po de fraguado inicial y brindan la posibilidad deLos tapones de abandono y obturamiento de inter- acuosa de los sistemas de cemento, frente a zonas trabajar el cemento en un amplio rango de tem-valos, con temperatura mayor de 100°C se diseñarán permeables. peratura y presión.124 9
  10. 10. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de CementacionesComo la aceleración, los mecanismos para retardar Otro ácido hidroxilcarboxílico con un fuerte efecto Observacionesel fraguado del cemento Portland son aún materia retardante, es el ácido cítrico. Éste también es efec-de controversia. Así han surgido varias teorías que tivo como dispersante de cemento y normalmente Evite golpear los silos presurizados, pues pueden oca-intentan explicar el proceso retardante. Éstas son: se usa en concentraciones de 0.1 a 0.3% por peso sionar un accidente. En caso de ser indispensable,de la adsorción, la precipitación, la nucleación y la de cemento. golpear suavemente utilizando un martillo de caucho.complejidad. Consideran dos factores: la naturalezaquímica del retardador y la fase del cemento (silicato Los ácidos de hidroxilcarboxílico de manera similar Nunca debe cerrarse o abrir una válvula sin conoci-o aluminato) sobre la cual actúa el retardador. que los lignosulfonatos actúan más eficientemente miento pleno del estado de la operación que se está con cementos de bajo contenido de C3A. realizando, figura 90.Los retardadores más conocidos son los lignosulfonatosde calcio y los cromolignosulfonatos de calcio, así como • Compuestos sacáridosotros que son mezclas químicas. Unos trabajan a tempe- XV. CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE:raturas bajas y otros a temperaturas altas. Su dosifica- Los sacáridos son excelentes retardadores del ce-ción es de 0.1 a 2.5% por peso de cemento. mento Portland. Cementaciones primariasLos retardadores más empleados son: Se usan ocasionalmente en la cementación de po- El método de evaluación de la cementación primaria zos, por ser muy sensibles a pequeñas variaciones debe ser seleccionado de acuerdo con el objetivo:• Lignosulfonatos en sus concentraciones. Figura 90 Mezcla manual de lechada de cemento. Así, cuando se desea verificar si se tiene buen sello en la zona de la zapata, se procede a efectuar unaSe componen de sales de ácidos lignosulfónicos de • Derivados de la celulosa prueba de goteo. Se aplica al agujero descubiertosodio y calcio. Son polímeros derivados de la pulpa Instalaciones inmediatamente después de perforar la zapata, unade la madera. Usualmente son compuestos no refi- Los polímeros de la celulosa son polisacáridos deri- presión hidráulica equivalente a la carga hidrostáticanados y contienen varias cantidades de compues- vados de la madera o de otros vegetales. Son esta- La planta de almacenamiento debe contar con que ejercerá el fluido de control con el que se per-tos sacaroides con un peso promedio molecular que bles a las condiciones alcalinas de la lechada de ce- señalamientos de localización de cada uno de los forará la próxima etapa, durante 15 a 30 minutos, sinvaría de 20,000 a 30,000. mento. productos químicos ahí almacenado. En estas se- abatimiento de la presión aplicada. ñales se encuentra la información básica del pro-Debido a que los lignosulfonatos purificados pier- El retardador celulósico más común es el ducto: nombre, tipo de riesgo al manejarlo, tipo de Cuando se desea verificar si hay buen sello en la bocaden mucho poder retardante, la acción retardante carboximetil hidroxietil celulosa (CMHEC). Es efecti- equipo que se debe portar al manejarlo. Otra prácti- de una tubería corta, se hace una prueba hidrostáticade esos aditivos se atribuye a la presencia de vo a temperaturas superiores de 250 °F (120 °C). ca segura es designar áreas especiales con bordes sobre la capa de cemento; se aplica una presión hi-carbohidratos de bajo peso molecular. o represas en donde se almacenen productos líqui- dráulica calculada, que no sea mayor a la resistencia a También la CMHEC se usa como agente de control dos para prevenir, en caso de algún derrame, ma- la compresión del cemento, a las condiciones de fon-Los retardadores de lignosulfonatos son efectivos de pérdida de fluido; además, incrementa signifi- yor daño al ambiente, y facilitar la recuperación de do. Se toma en consideración la carga hidrostática ejer-con todos los cementos Portland y se dosifican de cativamente la viscosidad de la lechada. los mismos. cida por el fluido de terminación, más la presión hi-0.1 a 1.5 % por peso de cemento. dráulica aplicada con bomba, por un tiempo determi- • Organofosfonatos En lo que corresponde al sistema neumático utiliza- nado; generalmente son de 15 a 30 minutos con pre-Son efectivos hasta 250 °F (122 °C) de temperatura de do para la mezcla del cemento y aditivos, cada uno sión sostenida, sin bombeo adicional.circulación en el fondo del pozo (BHCT) y hasta 600 °F Se aplican a temperaturas de circulación tan altas como de los componentes del sistema: compresores, lí-(315 °C) cuando se mezclan con borato de sodio. 400 °F (204 °C). Presentan insensibilidad a variaciones neas y silos, deben contar con válvulas de desfo- Para evaluar la adherencia en todo el tramo cemen- sutiles en la composición del cemento, y tienden a gue que prevengan de cualquier percance que pu- tado es necesario efectuar un registro sónico deHasta el momento se ha comprobado que los bajar la viscosidad de lechadas densificadas. diese ocurrir al sobre represionar al sistema. Asi- cementación, empleando la tecnología de ultraso-retardadores de lignosulfonatos afectan principal- mismo, el sistema debe estar provisto con un co- nido con cualquiera de las herramientas ultrasóni-mente la cinética de la hidratación de C3S; sin em- Reductores de fricción (dispersantes) lector de finos, el cual recolecta y almacena la gran cas y, en caso de que este registro denote mala ca-bargo, sus efectos sobre la hidratación del C3A no mayoría de los finos (polvos) generados por la do- lidad de la cementación en las zonas de interés, seson significativos. Son productos que ayudan a obtener con gastos sificación y que de otra forma se descargarían a la efectuarán operaciones de re-cementación a través bajos de bombeo el régimen turbulento. Reducen la atmósfera. de disparos efectuados en las partes que denoten• Ácidos hidroxilcarboxílicos fricción entre granos, y entre éstos y las paredes. falta de sello del cemento por mala adherencia o También, entre el equipo básico de seguridad de la por existencia de canalizaciones. Generalmente esLos ácidos hidroxilcarboxílicos contienen grupos De acuerdo con varias investigaciones realizadas en planta se deben incluir lavaojos y lavamanos colo- aceptada una adherencia mínima del 80 % para darhidroxílicos (OH) y carboxílicos (CHn) en su estruc- diferentes países se ha demostrado que la mayor cados en lugares estratégicos de fácil acceso a las por bueno un trabajo de cementación, aunque lostura molecular. Son retardadores poderosos y se apli- eficiencia en la limpieza del lodo del espacio anular personas que se encuentran laborando. estudios efectuados en los laboratorios de reologíacan en un rango de temperatura de 200 °F (93 °C) a se logra en régimen turbulento; es decir, cuando la300 °F (149 °C). lechada de cemento y los colchones de limpieza se10 123
  11. 11. Ingeniería de Cementaciones Ingeniería de Cementaciones El resto de recipientes son similares a desplazan a una velocidad tal que corresponda a un -Si - OH + OH- -Si - O- + H2O los descritos. número de Reynolds de 3000 a 4000 o mayor, en fun- ción de sus características reológicas: n = índice de Los iones libres de calcio en la solución reacciona- • Compresores de aire. Normalmen- comportamiento de flujo y k = índice de consistencia. rán con los grupos cargados negativamente sobre te la planta dosificadora de cemento la superficie de los granos. Un ion de calcio puede a granel cuenta con un par de Generalmente, son sales de ácidos grasos y se unirse a dos grupos, Si-O- los cuales pueden estar compresores de aire, con capacidad dosifican del 0.2 al 2.5% por peso de cemento. en un mismo grano o en dos granos diferentes. de 300 a 600 pies cúbicos de gasto por minuto y una presión de servicio Lechadas de cemento El puenteo entre dos granos se debe a que el área regulada de 30 a 40 psi. Este sistema superficial del cemento es grande y compiten por neumático se encarga del manejo del Las lechadas de cemento son suspensiones altamen- los iones de calcio entre los sitios de adsorción. Una cemento en la planta en general. te concentradas de partículas sólidas en agua. parte de los granos del cemento puede estar carga- da positivamente, debido a la adsorción de calcio, Salud y seguridad en el manejo de El contenido de sólidos de una lechada de cemento mientras que otra parte está cargada negativamen- aditivos puede llegar hasta un 70%. te; como resultado, ocurren las interacciones entre las porciones cargadas positivamente. La naturaleza de los materiales mane- La reología de la lechada de cemento está relacio- jados por la planta de cemento da lu- nada con la del líquido de soporte, la fracción • Viscoplasticidad de las lechadas de cemento y me- Figura 89 Tanques presurizables de cemento a granel. gar a ciertas consideraciones especia- volumétrica de los sólidos (volumen de partículas/ canismo de dispersión les, para la disminución de riesgos y volumen total) y la interacción entre las partículas. prevención de accidentes en el área Cuando se mezcla cemento en polvo y agua se for- de trabajo: En una lechada de cemento, el fluido intersticial es ma una estructura de gel en toda la lechada, queCuenta con una línea de llenado del silo que entra una solución acuosa de varias clases de iones y adi- impide flujos con esfuerzo cortante menor al esfuer-por su base cónica y corre paralelo a su eje Todas las personas que se encuentren realizando tivos orgánicos. Por lo tanto, la reología de la lechada zo de corte dado por el valor de cedencia. Esto eslongitudinal, el extremo superior de la línea termina las actividades diversas que se llevan a cabo en la difiere de la reología del agua. resultado de la interacción electrostática entre lasen un codo de 90°. planta, como son: cargado de bultos, vaciado de partículas. A esfuerzos de corte menores al valor de bultos, pesado de químicos, manejo del panel, etc. Los sólidos en una lechada están en función directa cedencia, la lechada se comporta como un sólido.Inmediatamente arriba de la brida del casquete fi- deberán portar, sin excepción: a su densidad. Esto puede originar algunas deformaciones finitas,nal lleva una línea de descarga para suministro decemento. 1.- Lentes de seguridad. Protegen los ojos del con- Las interacciones de las partícu- tacto con los polvos de los productos químicos las dependen principalmente de Olla de pesar y mezclar. Esta olla tiene una forma que pudieran haberse volatilizado hacia la at- la distribución de las cargas su- similar a la descrita para el silo vertical, con la mósfera. perficiales. Los dispersantes del diferencia de su tamaño y capacidad. Este reci- cemento, también conocidos piente normalmente maneja por pesada entre 5 a 2.- Mascarilla contra polvos. Previene la inhalación como superplastificadores, ajus- 7.5 ton de mezcla y, a diferencia del silo, el siste- de estos polvos. tan las cargas superficiales de las ma de inyección de aire es a través de un múlti- partículas para obtener las propie- ple con toberas y válvulas de contra presión y 3.- Overol. Proporciona una protección integral al dades reológicas deseadas de la una línea directa de suministro de presión, so- cuerpo de cualquier contacto cutáneo con los pro- lechada (figura 3) portada directamente del tanque de servicio con ductos químicos. una válvula de contrapresión insertada que evita Ionización superficial de las par- el regreso del aire con cemento al compresor. 4.- Casco. Resguarda la cabeza de golpes. tículas del cemento en un medio acuoso Olla de aditivos. Es similar a la olla de mezclar, 5.-Protectores auditivos. pero más pequeña pues únicamente tiene una La hidrólisis de algunos compues- capacidad de 2 ton de cemento. Su función es 6.-Guantes. Protegen las manos del contacto con el tos orgánicos e inorgánicos condu- efectuar una primera mezcla de los aditivos con cemento y productos químicos, además de gol- cen a su ionización y, por consi- una parte del cemento que integrará la pesada. pes o cortaduras. guiente, a cargas superficiales. Éste Una vez hecha la mezcla se bombea a la olla de es el caso de la sílice que forma la pesar donde se complementa el resto de cemen- 7.-Zapatos antiderrapantes con casquillo metálico. mayor parte de los elementos del to de la pesada. cemento, y cuya fórmula es: Figura 3 Interacción de partículas.122 11

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