Analisis y ensayos de los cementos y lechadas

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1. Introducción
La efectividad de cualquier trabajo de cementación depende de llevar a cabo una preparación
meticulosa y precisa de los equipos, materiales y personal, así como del diseño y las pruebas
del trabajo.
Los ensayos realizados en laboratorios para el cemento tienen la función de evaluar el
desempeño y las características químicas de las lechadas, mediante la medición de ciertas
propiedades bajo ciertas condiciones de fondo de pozo y el análisis cualitativo y cuantitativo
de los componentes de las lechadas antes de ser mezclada.
La norma API RP 10B delinea las prácticas recomendadas para las pruebas de laboratorio que
se llevan a cabo con las lechadas de cemento para pozos de petróleo, así como sus aditivos;
estas pruebas se describen a continuación:
•
Determinación del contenido de agua en la lechada
•
Determinación del tiempo de bombeabilidad.
•
Determinación del filtrado.
•
Pruebas de permeabilidad.
•
Determinación de las propiedades reologicas.
En el cemento seco también se hacen mediciones de fineza y de pureza.
2. Ensayos básicos de los cementos petroleros
•
Estabilidad de las lechadas
Para controlar la estabilidad de las lechadas, se necesita hacer la prueba de agua libre
y la prueba de sedimentación.
Determinación del agua libre: El Agua Libre es una medida de la tendencia del fluido a
separarse de la lechada antes del fraguado.
En pozos inclinados el agua libre puede coalescer para formar canales continuos sobre
la parte superior del pozo, lo cual crea una especie de canal por donde pueda migrar el
fluido (gas)
En pozos verticales el agua libre evita que la lechada de cemento sea homogénea, por
lo que la cantidad de agua es menor a la evaluada, esto trae como consecuencia que
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las formulaciones de lechadas cambien sus propiedades con respecto a las iniciales.
Por esta razón se recomienda usar lechadas de cemento que no desarrollen agua libre
El proceso de fraguado de la lechada es el resultado de que el cemento empiece a
hidratarse con el agua de mezcla. Si se pierde agua de la lechada de cemento antes de
que esta haya sido posicionada en el espacio anular, su tiempo de bombeabilidad
decrecerá y las formaciones sensibles al agua pueden ser afectadas de manera
adversa. La cantidad de agua perdida que puede ser tolerada depende de operación de
cementación y de la formulación de la lechada.
La cementación forzada requiere bajos valores de pérdida de agua, debido a que el
cemento debe ser inyectado a presión antes que se genere un revoque y bloquee las
perforaciones, la norma API para el agua libre en cementos “G y H”, para una
cementación forzada debe de ser cero. La cementación primaria no depende tan
críticamente de la pérdida del agua. La cantidad de fluido perdido de una lechada en
particular debe ser determinada a través de una prueba de laboratorio.
En pozos verticales y para una cementación primaria el agua libre no deberá ser mayor
a 3.5 % para los cementos clase “G y H”; pero si se trata de una cementación primaria
o cementación secundaria en un pozo horizontal, el agua libre deberá de ser cero (para
cementos “G y H”). Esto se logra agregando aditivos reductores de filtrado o
controladores de agua libre.
Para determinar el agua libre, la muestra de lechada es puesta en consisto metro, el
cual se encarga de homogenizar la muestra, esta muestra debe de ser sometida
fuerzas giratorias de 12000 rpm a 35 segundos, luego se saca la lechada y se deja
reposar dos horas a 80 grados F O , en una probeta. Pasado este tiempo, se extrae el
agua libre con un micro pipeta y se empieza la cuantificación del agua libre
Prueba de sedimentación: Esta prueba, la cual ayuda a determinar si una lechada de
cemento experimenta sedimentación, es usada en conjunción con la prueba de fluido
libre para ayudar a determinar la estabilidad estática de una lechada de cemento bajo
condiciones de fondo de pozo. Excesiva cantidad de fluido libre y puede indicar
problemas en la estabilidad de la muestra de cemento
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Resistencia a la Compresión
Se distingue por ser un ensayo destructivo
Los resultados pueden ser utilizados para:
Determinar el tiempo de fraguado antes del cañoneo
Comparar extendedores, agentes densificantes, materiales de perdida de
circulación u otros aditivos los cuales pueden afectar el desarrollo de la
resistencia.
Determinar el grado de la resistencia a la retrogresión
Esta prueba se refiere a la fuerza que puede soportar un cubo de cemento de cierta
superficie antes de romperse. Cuando el cemento tiene valor de resistencia a la
compresión de 500 psi, es considerado según la norma (API) adecuado para el trabajo
de cementación
Recordemos que el cemento al fraguar genera resistencia a la compresión, lo cual es
necesario para soportar la cañería. Muchos trabajos de investigación han demostrado
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que una TR de 10 pies de longitud y solamente 8 psi de resistencia a la tensión puede
soportar hasta 200 pies de cañería, aun bajo condiciones de pobre adherencia del
cemento.
Debido a que el ensayo de resistencia a la compresión son mejor analizados que la
resistencia a la tensión, tenemos como regla que la TR es de 8 a 10 veces mayor que la
resistencia a la compresión.
10 psi de TR = 100 psi de resistencia a la compresión
Hoy en día se mide la resistencia a la compresión en un analizador ultrasónico “UCA”
(Ultra Sonic Cement Analyzzer). Con este aparato se determina el desarrollo de la
resistencia a la compresión de las lechadas en forma continua donde la muestra es
sometida a alta presión y temperatura (simulando las condiciones del pozo)
Se vierte la lechada en estudio en una serie de moldes, cubos de 1 pulgada por lado y
se los coloca en un baño de agua a la temperatura requerida por la prueba, estos
pueden ser:
a) Un recipiente a presión atmosférica para muestras a temperatura hasta de 180º F.
b) Un recipiente presurizable para muestras a temperaturas hasta de 380º F y
presiones hasta de 3000 psi.
Por supuesto que éste es más caro, pero por otro lado es muy superior, ya que nos
permite simular las condiciones del pozo durante el ensayo.
Los tiempos recomendados para sacar las muestras son: 8, 12. 18, 24, 36, 48, y 72
horas.
Por lo general, las pruebas a las 8, 24 y 72 horas son suficientes; aunque a veces se
necesita más información para los tiempos de espera de fraguado, (WOC), u otros
datos. Una vez que se retiran los cubos del baño se les coloca, inmediatamente en una
prensa hidráulica que incrementa la carga entre 1 000 y 4 000 psi por minuto. Cuando
se rompe el cubo, se lee la máxima presión obtenida en la escala y esa será el valor de
la resistencia a la compresión. Se deberá repetir la operación con varias muestras y
luego se sacará el promedio.
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•
Tiempo de bombeabilidad o de espesamiento
El tiempo de espesamiento es el tiempo que la lechada de cemento permanecerá
bombeable bajo condiciones del pozo. También se define el tiempo requerido para
que la lechada alcance 100 unidades Bearden de consistencia
Es importante tomar en cuenta que el tiempo de espesamiento debe de ser mayor que
el tiempo que va a durar el trabajo de cementación, para evitar cementación en la
superficie de la tubería, en la cabeza de cementación y/o dentro del revestidor. Por lo
tanto, este tiempo se debe estimar como el tiempo total del trabajo de cementación
más un factor de seguridad de una a dos horas
Tal vez sea ésta la prueba de laboratorio más usada en el campo; determina durante
cuánto tiempo la lechada permanece en estado fluido, (y por consiguiente bombeable)
bajo una serie de condiciones dadas en el laboratorio. (Presión y temperatura).
El aparato que se usa para determinar el tiempo de bombeabilidad es el
consistómetro, que puede ser atmosférico o presurizable.
Este último, tal vez sea el aparato más caro de un laboratorio de cementación, pero es
necesario a fin de poder simular las condiciones del pozo.
El recipiente con la lechada a probar gira a velocidad constante, (movido por un motor
eléctrico) dentro de un baño de aceite, a través del cual, se le aplica la temperatura y
la presión deseada. Dentro del recipiente aislado, hay una paleta conectada a un
resorte; a medida que la lechada gira, trata de arrastrar la paleta en el sentido de la
corriente. Una lechada más viscosa ejercerá una fuerza mayor en la paleta, la cual a su
vez, trasmitirá mayor torque al resorte y éste se mide por medio de un potenciómetro,
del que está dotado el aparato.
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El consistómetro está calibrado para poder leer directamente las unidades Bearden de
consistencia (a veces llamadas Poises, por costumbre). Cuando la lechada alcanza 100
unidades de consistencia (Bc) no se puede bombear. Así el tiempo de bombeabilidad,
exportado por el laboratorio será el transcurrido desde que se introduce la mezcla en
el consistómetro hasta que el aparato marca los 100 Bc. La presión y la temperatura
aplicadas, son aquellas que indica la norma API RT 10B que especifica la forma en que
se debe desarrollar la prueba y que corresponderán a las condiciones aproximadas que
se necesitarán en el campo cuando se cemente a una determinada profundidad. Los
programas están especificados separadamente para cementaciones primarias, liners,
cementaciones a presión y colocación de tapones de cemento con TP franca y con TF.
•
Agua para la preparación de la lechada
Agua Máxima: Es la cantidad de agua para la mezcla de cualquier composición de
cemento que dará un volumen de fraguado igual al volumen de la lechada con más de
1 ½ % de agua libre separada. El agua máxima es la cantidad usada para la mayoría de
las cementaciones por que el máximo rendimiento es necesario para cada saco
Agua Normal: Es la cantidad de agua mezclada que alcanzara una consistencia de 11
BC (Unidades de consistencia)
El contenido de agua normal de una lechada de cemento, es lo que cede una lechada
que tiene 11 unidades de consistencia, luego de haber sido agitada durante 20
minutos, a 80° F de temperatura en un consistómetro a presión atmosférica. Para
determinar el contenido normal de agua de una lechada, a veces hay que hacer
muchas pruebas con diferentes porcentajes de agua
Agua mínima: Es la cantidad de agua mezclada que dará una consistencia de 30 BC,
esto nos dará una lechada bastante espesa que puede ser usada para controlar
pérdidas de circulación
El mínimo contenido de agua de una lechada es aquel que hace lograr a la misma, una
consistencia de 30 unidades luego de haber sido agitada durante 20 minutos en un
consistómetro a presión atmosférica y 80º F de temperatura
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Por lo general, las pruebas de contenido de agua se hacen con cementos puros, ya que
el agregado de aditivos puede hacer variar la consistencia de la lechada, sin cambiar el
porcentaje de agua.
•
Determinación de la pérdida de filtrado
Puede ser medida de dos maneras:
Filtrado de baja presión: Se aplican 100 psi y se va leyendo la cantidad de líquido
que cae en el cilindro graduado a los 1/4, ½, 1, 2, y 5 minutos de iniciada la prueba, y
luego a intervalos de 5 minutos cada uno. Si la muestra se deshidrata totalmente
antes de media hora, se registra el tiempo que tardó en hacerlo. El filtrado se reporta
en cc/30 minutos a 100 psi.
Filtrado de alta presión: La presión aplicada ahora será de 1000 Psi y las lecturas se
efectuarán de la misma manera. Si la muestra se deshidrata antes de los 3 minutos se
extrapola para reportar cc/30 minutos. Así durante el ensayo para la determinación del
filtrado se asume que hay más lechada presente que lo que realmente tenemos en el
recipiente que por otro lado es lo que sucede en el pozo.
El filtro prensa de alta presión, incorpora también un baño a una temperatura
controlable a fin de simular las condiciones reales; la temperatura a la cual se hizo la
prueba, deberá estar registrada en el reporte. Es debido a ésta ventaja que el filtro de
alta presión se utiliza más que el de baja, y los resultados obtenidos son expresados
como cc de filtrado cada 30 minutos a 1000 psi.
•
Reología
Por medio de esta prueba se describe el comportamiento de la lechada en movimiento
a través de la tubería y otros ductos. Para describir las propiedades reologicas de las
lechadas de cemento se utilizan el modelo de plástico de Bingham o el modelo de la
ley de las Potencia
El viscosímetro de Fann, es un aparato de tipo rotacional, movido por un motor
sincronizado a dos velocidades diferentes que permite obtener velocidades
rotacionales de 600, 300, 200, 100, 6 y 3 RPM.
Un cilindro exterior o rotor, gira a una velocidad constante para cada ajuste de RPM,
que es trasmitido a la lechada de cemento que lo rodea y ésta, a su vez, produce un
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cierto torque en un cilindro interior a bob sobre el que actúa un resorte. La torsión que
adquiere el resorte puede relacionársela con la viscosidad de la lechada y medirla de
esta manera. Las lecturas obtenidas se emplean para la determinación de las
propiedades reologicas (N’ y K’) que son de fundamental importancia para el cálculo de
caudales críticos y determinación del régimen de desplazamiento. (Turbulento,
Laminar o Tapón) de las cementaciones.
N’= Índice de comportamiento
K’= Índice de consistencia.
• Determinación de la densidad:
Se utiliza para ello un equipo llamado balanza de lodos. En el laboratorio se pondrá
especial cuidado en eliminar todo el aire contenido en la muestra de cemento.
En esta prueba, la densidad de la lechada es medida luego de ser removido todo el aire
presente en ella mediante una balanza presurizada.
Dependiendo de los aditivos usados para preparar la lechada, esta podría contener una
gran cantidad de aire interno cuando es mezclada. Si este aire no es removido, la
balanza con la que se mide la densidad puede arrojar datos erróneos
Balanza presurizada para medir la densidad de la lechada
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3. Procedimiento para realizar una lechada de cemento
3.1.
Se pesa la cantidad de agua, cemento y aditivos en una balanza electrónica
3.2.
Se mezcla el agua, cemento y aditivo en una mezcladora API.
La mezcla se realiza de la siguiente manera:
•
Por 15 segundos a 4000 rpm se mezclan los aditivos.
•
Y luego por 35 segundos a 12000 rpm toda la lechada
3.3.
Se mide la densidad de la lechada en una balanza presurizada
3.4.
Después de mezclar la lechada en la mezcladora API se pasa al consistómetro
atmosférico para simular las condiciones de mezclado que soportará la lechada antes
de ser bombeada al pozo.
3.5.
Se mide la reología de la mezcla en el viscosímetro FANN donde se le determina el
punto cedente y la viscosidad plástica de la lechada. Estas características nos permiten
conocer qué tipo de flujo nos va a permitir esa lechada (flujo turbulento o flujo tapón).
Por medio del computador, nos dice si va a entrar en flujo turbulento con tantos
barriles/min.
3.6.
Se mide el agua libre en un equipo para análisis de agua libre que nos permite evaluar
la cantidad de agua libre que puede migrar a través de la lechada.
3.7.
Se mide la cantidad de perdida de filtrado de la lechada en el filtro prensa bajo
condiciones dinámicas de presión y temperatura.
3.8.
Se toma una muestra de la lechada y se coloca dentro del consistómetro presurizado,
que es un equipo el cual nos permite simular las condiciones del fondo del pozo
(presión y temperatura) y determinar el tiempo de espesamiento de la lechada.
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3.9.
Se mide la resistencia a la compresión de la lechada:
•
Cámara de curado: Equipo de alta presión y alta temperatura donde se elaboran
bloques de muestra de las diversas lechadas de cemento diseñadas, los cuales
serán sometidos a diversos esfuerzos.
•
Analizador ultrasónico de cemento (UCA): Equipo diseñado para evaluar la
resistencia a la compresión pero a partir del método sónico. Puede utilizarse
para probar la resistencia de una lechada durante un tiempo prolongado
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