UNIDAD 1 - EL CEMENTO Y SU REOLOGÍA

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UNIDAD 1 - EL CEMENTO Y SU REOLOGÍA
  1. LA CEMENTACIÓN. - La cementación es una actividad dentro de la perforación de un pozo petrolero que sirve para poder dar la estabilidad a las paredes del pozo, y consiste en bombear una lechada de cemento en el espacio anular formado por las paredes del pozo y la cañería, o entre dos cañerías.
    1. CEMENTO
      1. El cemento es un conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecerse después de ponerse en contacto con el agua.
        1. CEMENTO PETROLÉRO
          1. Los cementos petroleros (Portland) son productos para usos en la cementación de pozos petroleros y de gas. Estos cementos cumplen ampliamente con todos los requerimientos establecidos por la American Petroleum Institute ( API). Los cementos petroleros son utilizados para recubrir las paredes (revestir) y protegerlas de las cavidades de agua y gas (filtraciones) que se originan durante la perforación y reparación de pozos de petróleo y/o gas. La característica esencial del producto es que la consistencia de la lechada sea capaz de permitir el bombeo de ésta a la profundidad requerida antes de que se presente el fraguado.
            1. PROCESO SECO
              1. Se separan las materias primas y se pasan a un molino para homogenizar el tamaño de las partículas y su cantidad. Se pasan por un separador de aire y se les lleva a silos mezcladores para su almacenamiento antes de pasarse al horno rotatorio.
              2. PROCESO HÚMEDO
                1. Este proceso efectúa una mezcla de las materias primas con agua para mantener en forma más homogénea la mezcla. También pasa por un molino para uniformar el tamaño de partícula y, posteriormente, se pasa a unos contenedores que mantienen en movimiento la mezcla antes de pasarla a un horno rotatorio.
                2. TIPOS DE CEMENTO
                  1. API ha identificado clases para el cemento Portland puro, los criterios usados por el API se basan en el grado de fineza de las partículas de cemento.
                      1. TIPOS DE LECHADAS
                        1. LECHADA ESPUMOSA
                          1. Mezcla de lechada de cemento, surfactante y estabilizador, al cual se le inyecta gas (nitrógeno) como material aligerante de la densidad: 1. Alta resistencia a la compresión 2. Baja densidad. 3. Baja permeabilidad y alta porosidad. 4. Baja pérdida de filtrado. 5. Baja conductividad térmica.
                          2. LECHADA DE BAJA DENSIDAD
                            1. Menor costo, Se usa como cemento de llenado, Debe tener una resistencia mínima de 500 psi a 100 ºF / 24 hrs
                            2. LECHADA DE ALTA DENSIDAD
                              1. La densidad más alta mediante la reducción de agua es de 17 lb/gal y se consigue adicionado un agente dispersante en concentraciones de 0,75 % al 1% del peso del cemento seco. La resistencia de los cementos densificados aumenta logarítmicamente con el crecimiento lineal del contenido de agua.
                  2. LA REOLOGÍA DEL CEMENTO
                    1. APLICACIÓN EN LA CEMENTCIÓN
                      1. Para evaluar la miscibilidad y bombeabilidad de la lechada. Para determinar la tasa de desplazamiento adecuada para la remoción eficiente del lodo y la colocación de la lechada. Para estimar las presiones de fricción,
                        1. DEFINICIÓN DE REOLOGÍA. - Es la ciencia del flujo y deformación de la materia
                        2. TIPOS DE FLUJOS
                          1. Desde el punto de vista estricto de mecánica de fluidos, sólo existen dos tipos de flujo distintivos: Flujo Laminar y Flujo Turbulento- Por lo general, el patrón de flujo se inicia como laminar, pasa por una zona de transición y termina en el flujo turbulento.
                            1. FLUJO LÁMINAR
                              1. Las partículas de fluido se mueven paralelamente al eje de la tubería con un petfll de velocidad parabólico. La velocidad es cero en las paredes y se eleva a un máximo del doble del promedio de la tasa de flujo en el centro del conducto. Se pensaba que este perfil parabólico causaba canalización pero no necesariamente es así en la interfase de dos fluidos no newtonianos con diferentes densidades y propiedades reológicas.
                              2. FLUJO TURBULENTO
                                1. El flujo turbulento es generalmente aceptado como la técnica más efectiva para una completa remoción del lodo. A veces, resulta imposible mantener el flujo turbulento a todo lo largo de la tubería a tasas de flujo razonables debido a la geometría del agujero y al tipo de fluido. Por eso existe el flujo laminar efectivo que está diseñado para cumplir con ciertos criterios de aplicación y para alcanzar un perfil de velocidad uniforme en todas partes del espac10 anular.
                            2. FLUJO DE FLUIDOS
                              1. El flujo de fluidos en la tubería bajo condiciones de temperatura y presión conocidas puede definirse por (1) su comportamiento en flujo laminar y (2) por el desarrollo de la resistencia de gel estático. El esfuerzo de corte representa la fuerza por unidad de área que es proporcional a la presión de bombeo o a la caída de la presión del flujo y es expresado en Ibf/IOOft2 (unidades de campo petrolero). La tasa de corte representa al gradiente de velocidad, que es la medición de la velocidad relativa entre dos plaquetas y es expresada como segundo recíproco (seg —1)
                              2. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
                                1. En la gráfica se explica la relación entre esfuerzo de corte y tasa de corte; lo que permite hacer la clasificación de los fluldos en newtonianos y no newtonianos. Los flujos nevâonianos exhiben una proporcionalidad directa entre el esfuerzo de corte y la tasa de corte, mientras que los fluidos no-newtonianos, NO_ Estos últimos se pueden clasificar en fluidos de corte espesante (dilatantes) o de corte adelgazante.
                                  1. MODELOS DE FLUJO
                                    1. MODELO REOLÓGICO
                                      1. Existen varios modelos reológicos usados para definir los diferentes tipos de fluidos. Dowell SLB utiliza el modelo Nevâoniano para fluidos newtonianos y los modelos Plásticos de Bingham y de la Ley de Potencia o seudo-plásticos para los fluidos NO-Newtonianos. Otros usados en la industria petrolera incluyen los modelos de Casson, Vocando y Herschel-Bulkley.
                                      2. MODELO NEWTONIANO
                                        1. La característica distintiva de los fluidos newtonianos es la constante (llamada viscosidad) que resulta de la proporcionalidad directa del esfuerzo de corte vs. la tasa de corte, con la curva atravesando el origen en línea recta. En el modelo la viscosidad, característica del fluido, puede determinarse con una sola medición del esfuerzo de corte a cualquier tasa de corte. Un fluido newtoniano comienza a fluir inmediatamente en cuanto se le aplica una fuerza y la velocidad del flujo aumenta desde laminar, pasando por la transición, hasta ser totalmente turbulenta.
                                        2. MODELO DE LA LEY DE POTENCIA
                                          1. Existe una relación exponencial del esfuerzo de corte vs la tasa de corte en el modelo de la ley de potencia. La curva pasa por el origen, lo que confirma que los fluidos de la Ley de Potencia no tienen esfuerzo de cedeneia y que no desarrollan fuerza de gel ni aún cuando se les deje estáticos. El flujo comienza una vez que se aplica la fuerza. Cuando el fluido se identifica como uno de ley de potencia, se debe hacer una gráfica en papel log-log (doblemente logarítmico),
                                    2. MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
                                      1. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE FLUIDO
                                        1. Se utiliza las propiedades de los fluidos junto con la geometría de la tubería para calcular el régimen de flujo y las presiones de fricción en la colocación del cemento. El fluido está caracterizado por los valores de esfuerzo de corte medidos a diferentes velocidades de corte. El viscosímetro coaxial es el equipo estándar utilizado en el campo para determinar las propiedades reológicas de fluidos como lechadas de cemento, lodos de perforación, espaciadores, fluidos de fracturación, etc. Existen diferentes modelos con 2, 6 0 12 velocidades de rotación. El modelo de 6 velocidades es el más común.
                                        2. TIXOTROPÍA
                                          1. La Tixotropía es un término utilizado para describir a los fluidos que se adelgazan bajo condiciones de corte pero que rápidamente generan una estructura de gel cuando se les deja en reposo. Esta estructura está caracterizada por su resistencia de gel que es el esfuerzo de corte mínimo requerido para cortar un fluido (o hacerlo fluir) a una tasa de corte mensurable- Esta estructura puede destruirse con la aplicación de una fuerza y así, el fluido se vuelve a adelgazar. La fuerza requerida para destruir la estructura depende del periodo de tiempo en reposo. Como regla general, los fluidos Tixotrópicos se comportan como fluidos plásticos de Bingham.
                                      2. PROPIEDADES DE LA LECHADA
                                        1. DENSIDAD
                                          1. Debe ser lo suficiente alta como para mantener el control del pozo. En el campo se chequea mediante el uso de una balanza de lodos o con un densistómetro. Si la densidad es incorrecta durante la cementación, se pueden afectar propiedades de la misma como: Tiempo de bombeabilidad, Características del flujo, Capacidad de desplazamiento del lodo, Agua libre, Resistencia a la compresión y Pérdida de fluido.
                                          2. RENDIMIENTO
                                            1. Es el volumen que se obtiene al mezclar un saco de cemento con la cantidad deseada de agua y otros aditivos. se suele expresar en en m3/kg o feet cúbicos saco.
                                            2. TIEMPO DE ESPESAMIENTO
                                              1. Las pruebas del tiempo de espesamiento sirven para calcular el tiempo en que la lechada ésta en estado líquido en las condiciones de presión y temperatura simuladas en el pozo, estas condiciones se simulan con un consistómetro presurizado que mide la consistencia de la lechada de prueba contenida en una copa rotativa
                                              2. AGUA DE MEZCLA
                                                1. Es la cantidad de agua, expresada en galones por saco de mezcla de cemento seco, antes de la adición de los aditivos líquidos, normalmente se expresa en galones por saco y puede ser tanto agua dulce como agua salada
                                                2. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
                                                  1. Esta propiedad se requiere en el cemento para: Asegurar y soportar la tubería de revestimiento, Soportar la carga de impacto de la perforación y los disparos, Suportar las presiones hidráulicas sin fracturarse, Soportar la carga de las fuerzas tectónicas tales como las ejercidas por los domos de sal.
                                                  2. CONTROL DE PÉRDIDA DE FLUIDO
                                                    1. Las pruebas de agua libre sirven para medir la tendencia del agua a separase de la lechada de cementación. Esta tendencia se mide en mL/250 mL. En primer lugar, se prepara una lechada de cementación, se la somete a las condiciones del pozo y se la deja reposar en una probeta (vertical o con una inclinación de 45 0) durante dos horas: pasado este tiempo, se mide en el cilindro la cantidad de agua libre que hay en la superficie de la lechada.
                                                  3. EQUIPOS DE CEMENTACIÓN
                                                    1. EQUIPO DE MATERIAL A GRANEL
                                                      1. En los trabajos de cementación primaria. se necesitan Os sigukntes equipos de material a granel para almacenar el cemento seco y transferirlo al sistema de mezclado de cemento .
                                                          1. Silos a presión o silos de gravedad: los distintos cementos y mezclas deben almacenarse en silos separados. Los silos deben tener la capacidad suficiente para almacenar el cemento necesario. Además, estos silos también sirven para mezclar y manipular aditivos y material a granel en seco.
                                                            1. Transporte de cemento a granel: se utilizan para transportar el cemento seco hasta el pozo. También pueden utilizarse durante la cementación para transferir directamente el cemento al sistema de mezclado.
                                                              1. Compresor de aire: suministra el aire para presurizar los silos y llevar a cabo la transferencia de cemento.
                                                                1. Mangueras de caucho de 4 pulgadas: sirven para transferir el material desde el silo hasta el equipo de mezclado de cemento; también se utilizan para las líneas de ventilación.
                                                                  1. Tanque de descarga: ayuda a controlar el flujo de cemento seco desde la planta de material a granel al sistema de mezclado.
                                                      2. UNIDAD DE BOMBEO DE CEMENTO
                                                        1. La unidad de bombeo de cemento desempeña las siguientes funciones: suministra alta potencia y presión de bombeo, mide los fluidos de la mezcla, proporciona y controla el sistema de mezclado de cemento, controla el caudal y la presión de bombeo.
                                                        2. LÍNEA DE TRATAMIENTO
                                                          1. La línea de tratamiento es un conjunto de tuberías, Tes, válvulas y uniones giratorias que se utiliza para llevar la lechada de cementación y otros fluidos bombeados desde la unidad de cementación al pozo
                                                          2. SISTEMA DE MEZCLADO POR BACHES
                                                            1. La mezcla por baches es un sistema simple para la mezcla de lechadas de cemento. Existen varios tipos de mezcladores por baches, con una capacidad que oscila entre 15 y 150 bbl. Normalmente, estos mezcladores están equipados con paletas, bombas centrifugas de circulación, y lineas para que la lechada circule y se mezcle en los tanques por baches durante el proceso de mezcla.
                                                            2. ACCESORIOS DE LA SARTA DE REVESTIMIENTO
                                                                    1. ADITIVOS
                                                                      1. ACELERADORES DE FRAGUADO:
                                                                        1. Los aceleradores generalmente trabajan para disminuir el tiempo de espesamiento y desarrollar resistencia compresiva en corto tiempo Hay tres tipos básicos de acelerantes: Cloruro de calcio, Cloruro de sodio, Agua de mar.
                                                                        2. RETARDADORES
                                                                          1. Son químicos que se usan para demorar el tiempo de fraguado del cemento con el fin de permitir que haya tiempo para una adecuada colocación de la lechada. Algunos retardadores de fraguado son: Cloruro de Sodio, Lignosulfonatos, Derivados de Celulosa.
                                                                          2. DISPERSANTES
                                                                            1. Ayudan a mantener una distribución uniforme de los componentes en la lechada, lo que da por resultado mantener las propiedades de flujo. Se usan para: Inducir flujo turbulento, Reducir el contenido de agua y así aumentar la resistencia compresiva de la lechada, típicamente en trabajos de tapón y pueden usarse con adición de agentes densificantes Para control de pérdida de fluidos.
                                                                            2. EXTENDEDORES
                                                                              1. Los extendedores se usan por una de las siguientes razones: Disminuir la densidad de la lechada para reducir la presión hidrostática durante el trabajo de cementación, Aumentar el rendimiento de la lechada (pies cúbicos de lechada por saco de cemento) y por tanto disminuir el costo general
                                                                              2. AGENTES DENSIFICANTES
                                                                                1. Productos químicos que se usan para aumentar la densidad de la lechada de cemento, Deben cumplir con los siguientes requerimientos: Alta gravedad específica, Tamaños de partícula más grandes. Si los tamaños son pequeños, aumentan la viscosidad, Baja absorción de agua, Disponibilidad y costo aceptable.
                                                                                2. MATERIALES PARA CONTROL DE PÉRDIDAS DE CIRCULACIÓN (LCM)
                                                                                  1. Ayudar a combatir la pérdida de circulación. Lo pueden hacer al: Prevenir que ocurran fracturas inducidas Curar la pérdida de circulación por medio de la formación de un puente de baja permeabilidad a través de la apertura, Los materials usados como agentes LCMs pueden ser: Granulares, Escamas, Fibrosos.
                                                                                  2. ADITIVOS ESPECIALES
                                                                                    1. AGENTES TIXOTRÓPICOS: Este término describe un sistema de consistencia gel que se convierte en fluido bajo condiciones de corte. Este tipo es útil en zonas de pérdida de circulación.
                                                                                      1. ANTIESPUMANTES O DESESPUMANTES: Estos son aditivos que remueven la espuma de la lechada de cemento, pueden encontrarse como antiespumantes o desespumantes.
                                                                                        1. AGENTES DE PREVENCIÓN DE LA RETROGRESIÓN DE RESISTENCIA: Se usan productos de arena de sílice para prevenir ese problema.
                                                                                          1. BLOQUEADORES DE ACANALAMIENTO DE GAS: Esto se relaciona con la pérdida de presión hidrostática durante el proceso de deshidratación.

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