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descripcción de los fluidos utilizados durante la cementación de un pozo petrolero
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UNIVERSIDAD POLITCNICA DEL GOLFO DE MXICO
INGENIERA PETROLERA
FLUIDOS DE CEMENTACION PARA EL POZO JOLOTE 103
INFORME DE ESTADA
DANEL ANTONIO BARJAU JIMENEZ
1101006
PARASO, TAB., A 30 DE SEPTIEMBRE DEL 2014
UNIVERSIDAD POLITCNICA DEL GOLFO DE MXICO
INGENIERA PETROLERA
FLUIDOS DE CEMENTACION PARA EL POZO JOLOTE 103
INFORME DE ESTADA
Daniel Antonio Barjau Jimnez
Matrcula: 1101006
INDUSTRIAL PERFORADORA DE CAMPECHE
M.I. Gerardo E. Seplveda Palacios
Tutor de Estada
Ing. Benito Criollo Fernndez
Asesor Tcnico
Ing. Octavio Vera Custodio
Profesor Especializado de Estada
PARASO TABASCO, A 30 DE SEPTIEMBRE DE 2014
I
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr
mis objetivos, adems de su infinita bondad y amor.
A mis padres por ser el pilar fundamental en todo lo que soy, en toda mi educacin,
tanto acadmica, como de la vida, por su incondicional apoyo perfectamente mantenido
a travs del tiempo.
A mis compaeros de grupo que nos apoyamos mutuamente durante toda nuestra
formacin profesional concluirla de manera satisfactoria.
A mis dems familiares que aunque no los mencione uno por uno, ellos en algn
determinado momento, sin saberlo o con todas las intenciones me animaron a seguir
adelante en momento difciles y cuando haban momentos muy fciles ellos me
invitaban a redoblar esfuerzos, superarme y descubrir mi potencial.
Los Ingenieros por brindarme los conocimientos necesarios y su experiencia de aos, por
exigirme a superarme, aquellos que me dieron clases y tambin a los que me dieron la
oportunidad de realizar mis Prcticas
II
FLUIDOS DE CEMENTACION PARA EL POZO JOLOTE 103
UNIVERSIDAD POLITECNICA DEL GOLFO DE MEXICO
INGENIERIA PETROLERA
RESUMEN
Este trabajo se realiza con la finalidad
de tener un mejor conocimiento sobre la
fabricacin de los componentes y el
proceso que se utiliza para la
fabricacin de los fluidos de
cementacin
En el captulo l se habla acerca de los
fundamentos de la cementacin, as
como de la funcin de los fluidos de
cementacin dentro del pozo y por
ultimo sobre cmo han ido cambiando a
lo largo del tiempo
El captulo ll se trata de todos los
componentes que se utilizan en la
fabricacin del cemento, as como del
proceso mediante el cual estos se
fabrican y despus de integran todos
juntos, formando as el cemento.
El captulo lll se trata de los aditivos que
se usan en los fluidos de cementacin,
ya que cada pozo requiere un fluido
especfico a sus condiciones, los
aditivos son de suma importancia ya
que gracias a estos se logran las
propiedades requeridas en los fluidos de
cementacin
En el captulo lV se explican las pruebas
de laboratorio a las cuales son
sometidos los fluidos de cementacin,
ya que estas nos van a arrojar datos
importantes sobre el comportamiento de
nuestros fluidos al ser bombeados al
pozo, una de las pruebas ms
importantes es la del tiempo bombeable,
as como la de esfuerzo compresivo,
que es la que nos dir la resistencia que
tendr el cemento ya fraguado.
En el captulo V se explican todos los
pormenores de una operacin de
cementacin, como son los preparativos
que se llevan a cabo, el programa de
trabajo que se sigui, as como los
resultados de la operacin y los clculos
que se realizaron para la cementacin.
II
FLUIDOS DE CEMENTACION PARA EL POZO JOLOTE 103
UNIVERSIDAD POLITECNICA DEL GOLFO DE MEXICO
INGENIERIA PETROLERA
SUMARY
This work is carried out in order to have
a better understanding of the
components and the process that is
used for the manufacture of cementing
fluids.
In chapter l is talks about fundamentals
cementation, as well as the function of
fluids cementing inside well and finally
on how they have changed over time
Chapter ll speaks of all the components
used in the manufacturing of cement, as
well as the process by which they are
produced and then integrate all together,
thus forming the cement.
In the lll chapter refers to additives used
in cementing fluids, since each well
requires a specific fluid conditions,
additives are very important since the
properties required in cementing fluids
are achieved thanks to these.
Chapter lV explains laboratory tests to
which they are subjected cementing
fluids, since they are going to throw facts
about the behavior of our fluids to be
pumped into the well, one of the most
important tests is pumpable time, as well
as the comprehensive effort, which is
that will tell us the resistance that will
have already hardened cement.
Chapter V explains all the ins and outs
of a cementing operation, such as
preparations are carried out, the
programme of work that followed, as well
as the results of the operation and
calculations carried out for cementation.
III
INDICE
INTRODUCCION ____________________________________________________________________ 1
ANTECEDENTES DE LA EMPRESA ______________________________________________________ 2
ANTECEDENTE DEL PROYECTO ________________________________________________________ 4
OBJETIVO _________________________________________________________________________ 5
CAPITULO l: MARCO TERICO ____________________________________________________ 6
1.1 EL ORIGEN DEL PETRLEO _______________________________________________________ 6|
1.2 FUNDAMENTOS DE LA CEMENTACION ______________________________________________ 8
1.3 PROPOSITO DEL CEMENTO EN UN POZO DE HIDROCARBUROS __________________________ 10
1.4 HISTORIA _____________________________________________________________________ 11
CAPITULO ll: MATERIALES Y PROCESO DE FABRICACIN DE LOS FLUIDOS DE CEMENTACIN 12
2.1 DEFINICIN DE CEMENTO PORTLAND.______________________________________________ 12
2.1.1 COMPONENTES BSICOS: ______________________________________________________________ 12
2.1.2 COMPONENTES SECUNDARIOS: _________________________________________________________ 12
2.2 COMPOSICIN DEL CEMENTO. ____________________________________________________ 13
2.3 PROCESO DE MANUFACTURA DE CEMENO PORLAND _________________________________ 15
2.3.1 MATERIAS PRIMAS: ___________________________________________________________________ 15
2.4 PULVERIZACIN DE LA MATERIA PRIMA ____________________________________________ 17
2.4.1 ETAPA DE PULVERIZACIN. ____________________________________________________________ 17
2.5 PROCESO DE MEZCLADO _________________________________________________________ 17
2.5.1 PROCESO DE MEZCLA EN SECO. _________________________________________________________ 18
2.5.2 PROCESO DE MEZCLA HMEDO. ________________________________________________________ 20
2.6 PROCESO DE CALCINACIN. ______________________________________________________ 21
IV
_________________________________________________ 23
2.8 HIDRATACIN DEL CEMENTO _____________________________________________________ 26
2.9 LA CONDUCCIN CALOMTRICA. __________________________________________________ 33
2.10 FASES DEL PROCESO TERMICO ___________________________________________________ 34
2.11 EFECTOS FSICOS DE LA HIDRATACIN DEL CEMENTO. ________________________________ 37
2.12 ETAPA PLSTICA DE CEMENTO ___________________________________________________ 41
2.13 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA HIDRATACIN __________________________________ 42
2.14 TIEMPO DE ESPESAMIENTO VS TAMAO DEL GRANO. ________________________________ 43
2.15 CLASIFICACIN DE LOS CEMENTOS API. ____________________________________________ 44
CAPITULO lll: ADITIVOS DE CEMENTACION Y MECANISMOS DE ACCION _________________ 49
3.1 ADITIVOS DE CEMENTACION _____________________________________________________ 49
3.2 COMPORTAMIENTO DE LOS ADITIVOS. _____________________________________________ 50
3.3 ACELERADORES. _______________________________________________________________ 52
3.4 RETARDADORES. _______________________________________________________________ 56
3.4.1 TIPOS DE RETARDADORES _____________________________________________________________ 57
3.5 DISPERSANTE __________________________________________________________________ 64
3.5.1 ACCIN ELECTROSTTICA DE LOS DISPERSANTES ___________________________________________ 66
3.6 CONTROLADORES DE FILTRADO. __________________________________________________ 71
3.6.1 MATERIALES CONTROLADORES DE FILTRADO ______________________________________________ 72
3.7 EXTENDEDORES ________________________________________________________________ 76
3.8 MATERIALES INERTES DE BAJA DENSIDAD ___________________________________________ 85
3.9 DENSIFICANTES. _______________________________________________________________ 89
3.10 ADITIVOS ANTI- SEDIMENTACIN ________________________________________________ 93
CAPITULO IV: PRUEBAS DE LABORATORIO _________________________________________ 96
4.1 PESAR CEMENTO + ADITIVOS _____________________________________________________ 96
V
4.2 MEZCLADO ____________________________________________________________________ 97
4.3 AGUA LIBRE (CONTROL DE CALIDAD CEMENTOS G Y H) ________________________________ 98
4.4 PRUEBA DE AGUA LIBRE PARA EL DISEO DE LECHADA ________________________________ 99
4.5 TIEMPO DE ESPESAMIENTO O TIEMPO BOMBEABLE _________________________________ 100
CAPITULO V: PROGRAMA DE CEMENTACIN DEL POZO JOLOTE 103 ___________________ 101
5.1 POZO: JOLOTE 103 _____________________________________________________________ 101
5.2 OBJETIVOS DE LA CEMENTACIN: ________________________________________________ 102
5.3 UBICACION __________________________________________________________________ 102
5.4 ANTECEDENTES DEL POZO ______________________________________________________ 103
5.5 ESTADO MECANICO ____________________________________________________________ 105
5.6 DISEO DE LECHADA DE CEMENTO 1.95 gr/cc ______________________________________ 106
5.7 DISEO DE LECHADA DE 1.60 gr/cc _______________________________________________ 107
5.8 FICHA TECNICA BACHE RECATIVO ________________________________________________ 108
5.9 RECOMENDACIONES PARA LA CEMENTEACION _____________________________________ 109
5.10 PROGRAMA OPEREATIVO ______________________________________________________ 110
5.11 CEDULA DE BOMBEO__________________________________________________________ 114
5.12 REQUERIMIENTOS Y EQUIPOS A UTILIZAR _________________________________________ 114
5.13 RESULTADO DE LA CEMENTACION _______________________________________________ 116
5.14 PARTICIPACION DEL ALUMNO EN LA EMPRESA ____________________________________ 118
CONCLUSION ____________________________________________________________________ 121
FUENTES DE CONSULTA ___________________________________________________________ 122
GLOSARIO ______________________________________________________________________ 123
ANEXOS ________________________________________________________________________ 126
FORMULARIO PARA LAS OPERACIONES DE CEMENTACION _______________________________ 127
1
INTRODUCCION
En la perforacin de pozos petroleros los fluidos de cementacin son de suma
importancia ya que estos son los que van a dar a soporte al pozo y mantendrn unos
sellos hidrulico entre la cara del pozo y la tubera de revestimiento ayudando as a
mantener fuera del pozo los fluidos de la formacin no deseados.
En las primeras etapas del pozo son de suma importancia ya que proporcionan un
sellos hidrulico entre la cara del pozo y la tubera de revestimiento aislando as los
acuferos para evitar su contaminacin y evitar el dao ecolgico que esto podra
cusar.
Para estos fluidos de cementacin se ocupa un cemento especial capaz de resistir altas
temperaturas y altas presiones, tambin se usan aditivitos y lquidos especiales para los
baches lavadores y limpiadores, as como los aditivos que son necesarios para poder
darle las propiedades necesarias para cada pozo a los fluidos de cementacin y as
lograr un sello efectivo y poder darle la fuerza necesaria para sostener las tuberas de
revestimiento que aslan en pozo.
Tambin como veremos a continuacin son de suma importancia la forma en cmo se
mezclan y se preparan todos los componente del cemento, as como las pruebas
realizadas en el laboratorio antes de hacer el trabajo ya que es necesario saber con qu
tiempo bombeable contamos, ya que este es muy importante, porque si no tenemos el
suficiente los fluidos de cementacin se quedaran ya sea en las tuberas o dentro del
pozo creando as un tapn y causando costos que podran hacer perder todo el pozo.
2
ANTECEDENTES DE LA EMPRESA
IPC es una empresa 100% mexicana, lder en servicios de perforacin y terminacin de
pozos petroleros costa afuera y en tierra. Desde 1987, IPC ha sido lder de la industria
de perforacin en Mxico gracias al uso de avanzada tecnologa, a su personal
altamente calificado y a una vasta infraestructura instalada.
Actualmente IPC opera ms de 20 equipos de perforacin terrestre de diversas
capacidades y adems tiene equipos adicionales disponibles para entrar en operacin.
PERFORACIN EN AGUAS PROFUNDAS
El 20 de junio de 2007, Industrial Perforadora de Campeche, S. A. de C. V. (IPC) firm
un contrato por cinco aos con Pemex Exploracin y Produccin para el arrendamiento
de una plataforma semisumergible de perforacin para operar en tirantes de agua de
10,000 pies (3,048 metros). Este arrendamiento inici a finales del ao 2010.
El 23 de julio de 2007, IPC y Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering Co., Ltd.
(DSME) firmaron un contrato para la construccin de una plataforma semisumergible de
perforacin de diseo GVA 7500 para operar en aguas ultra profundas de hasta 10,000
pies (3,048 metros). Esta plataforma de perforacin, llamada Bicentenario, fue
entregada en febrero del ao 2010 y lleg a Mxico en mayo del 2011.
Adicionalmente, en agosto de 2008 Grupo R ejerci una opcin para iniciar la
construccin de una segunda plataforma semisumergible de perforacin de las mismas
caractersticas que la plataforma Bicentenario. Esta plataforma, La Muralla IV, tiene una
fecha de entrega de septiembre de 2011.
Equipos principales
Desde 1985, IPC ha sido lder de la industria de perforacin en Mxico gracias al uso de
avanzada tecnologa, a su personal altamente calificado y a una vasta infraestructura.
IPC cuenta con ms de 49 equipos de perforacin terrestre.
3
Infraestructura
IPC cuenta con dos bases de operaciones marinas, una ubicada en Veracruz, Ver. Y
otra ubicada en el puerto de Laguna Azul, Ciudad del Carmen, Campeche. Ambas
cuentan con oficinas, almacenes y muelle para la operacin de lanchas de pasaje y
barcos abastecedores.
Las principales bases de operaciones terrestres, situadas en Crdenas, Tabasco;
Reynosa y Tampico, Tamaulipas; cuentan con reas de almacenes cubiertos y talleres
de maquinado, de soldadura y pintura, de reparacin y de integracin y prueba de
equipos, as como con talleres de preventores (BOP).
IPC dispone de personal mexicano y extranjero de la mayor experiencia para la
ejecucin de la perforacin de pozos terrestres y marinos a todos los niveles y
categoras, tales como gerentes de perforacin, superintendentes, tcnicos,
perforadores, jefes de estabilidad, capitanes, ingenieros petroleros, ingenieros
mecnicos y electricistas.
Poltica de calidad, seguridad y proteccin ambiental
Nuestro propsito principal est dirigido a mantener a IPC como una empresa lder en la
perforacin de pozos, buscar la mejora continua de nuestros procesos y cumplir a
satisfaccin con los requerimientos de nuestros clientes. Estos son los certificados de
calidad con los que actualmente cuenta IPC.
4
ANTECEDENTE DEL PROYECTO
La finalidad de este proyecto es la de presentar el proceso que se lleva a cabo durante
la elaboracin de los fluidos de cementacin que se utilizaron en la operacin de
cementacin de la tubera de revestimiento de 3 7/8 en el pozo jolote 103.
Se presentan los pasos a seguir durante la elaboracin del cemento y los baches
lavadores, as como su correcta mezcla y utilizacin
Tambin presentamos los materiales y componentes qumicos que conforman cada uno
de ellos y la forma en cmo se deben de utilizar y mezclar para crear un cemento de
calidad
De la misma manera los presentare los aditivos qumicos que se usan para aumentar la
efectividad del cemento y poder crear un cemento adecuado para cada pozo
Y por ltimo les presentare las pruebas de laboratorio a las que es sometido el cemento
para as poder saber su comportamiento, tales como la prueba de tiempo bombeable,
agua libre, peso del cemento y los componente etc.
El reto principal es obtener sellos hidrulicos efectivos en las zonas que manejan fluidos a
presin. Para lograrlo es indispensable mejorar el desplazamiento del lodo de perforacin
del tramo de espacio anular que se va a cementar consiguiendo as una buena adherencia
sobre las caras de la formacin y de la tubera de revestimiento, sin canalizaciones en la
capa de cemento y con una llenado completo.
5
OBJETIVO
OBJETIVO GENERAL:
Presentar el proceso mediante el cual se elaboran los fluidos de cementacin usados
en el pozo jolote 103.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar los materiales usados en la elaboracin del cemento
Describir el proceso de elaboracin de los fluidos de cementacin
Describir las pruebas de laboratorio realizadas a los fluidos de cementacin
6
CAPITULO l: MARCO TERICO
1.1 EL ORIGEN DEL PETRLEO
Durante ciertas pocas geolgicas caracterizadas por condiciones climticas
favorables, el petrleo se compona inicialmente de materias orgnicas provenientes de
plantas y animales que crecan y se reproducan en abundancia. A medida que estos
organismos pasaban por sus ciclos de crecimiento y extincin, la materia orgnica
enterrada se descompona lentamente, convirtindose en los combustibles fsiles que
tenemos hoy en da: petrleo, gas, carbn y bitumen. El petrleo, gas y bitumen
estaban diseminados en los sedimentos (generalmente lutitas ricas en arcilla). A lo largo
de millones de aos, estas lutitas cargadas de materias orgnicas expulsaron el
petrleo y el gas que contenan, bajo la accin de las tremendas presiones que ejercan
las sobrecapas. El petrleo y el gas migraron dentro de los estratos permeables
sobreyacentes o subyacentes, y luego migraron nuevamente dentro de que ahora
llamamos yacimientos. Resulta interesante notar que la palabra
latn petra, roca, y leum, aceite, indicando que tiene su origen en las rocas que
constituyen la corteza terrestre.
Estos antiguos hidrocarburos de petrleo son mezclas complejas y existen en una
variedad de formas fsicas - mezclas de gas, aceites que varan de ligeros a viscosos,
semislidos y slidos. Los gases pueden hallarse por separado o mezclados con los
aceites. El color de los lquidos (aceites) puede variar de claro a negro. Los
hidrocarburos semislidos son pegajosos y negros (breas). Las formas slidas
explotadas consisten generalmente en carbn, arena impregnada de brea o asfalto
natural, tal como la gilsonita.
carbono enlazados con tomos de hidrgeno; el carbono tiene cuatro enlaces y el
hidrgeno tiene uno. El hidrocarburo ms simple es el metano (CH4). Los hidrocarburos
ms complejos tienen estructuras intrincadas, compuestas de mltiples anillos (cadenas
cerradas) de carbono-hidrgeno, con cadenas laterales de carbono-hidrgeno. La
7
estructura de los hidrocarburos ms pesados suele contener Durante ciertas pocas
geolgicas caracterizadas por condiciones climticas favorables, el petrleo se
compona inicialmente de materias orgnicas provenientes de plantas y animales que
crecan y se reproducan en abundancia. A medida que estos organismos pasaban por
sus ciclos de crecimiento y extincin, la materia orgnica enterrada se descompona
lentamente, convirtindose en los combustibles fsiles que tenemos hoy en da:
petrleo, gas, carbn y bitumen. El petrleo, gas y bitumen estaban diseminados en los
sedimentos (generalmente lutitas ricas en arcilla). A lo largo de millones de aos, estas
lutitas cargadas de materias orgnicas expulsaron el petrleo y el gas que contenan,
bajo la accin de las tremendas presiones que ejercan las sobrecapas. El petrleo y el
gas migraron dentro de los estratos permeables sobreyacentes o subyacentes, y luego
migraron nuevamente dentro de trampas que ahora llamamos yacimientos. Resulta
deriva del Latn petra, roca, y leum,
aceite, indicando que tiene su origen en las rocas que constituyen la corteza terrestre.
Estos antiguos hidrocarburos de petrleo son mezclas complejas y existen en una
variedad de formas fsicas - mezclas de gas, aceites que varan de ligeros a viscosos,
semislidos y slidos. Los gases pueden hallarse por separado o mezclados con los
aceites. El color de los lquidos (aceites) puede variar de claro a negro. Los
hidrocarburos semislidos son pegajosos y negros (breas). Las formas slidas
explotadas consisten generalmente en carbn, arena impregnada de brea o asfalto
natural, tal como la gilsonita.
trleo se compone de tomos de
carbono enlazados con tomos de hidrgeno; el carbono tiene cuatro enlaces y el
hidrgeno tiene uno. El hidrocarburo ms simple es el metano (CH4). Los hidrocarburos
ms complejos tienen estructuras intrincadas, compuestas de mltiples anillos (cadenas
cerradas) de carbono-hidrgeno, con cadenas laterales de carbono-hidrgeno. La
estructura de los hidrocarburos ms pesados suele contener trazas de azufre, nitrgeno
y otros elementos.
8
1.2 FUNDAMENTOS DE LA CEMENTACION
La cal grasa apagada, cuyo origen se remonta a la noche de los tiempos, es por su
naturaleza y versatilidad uno de los materiales ms nobles que ha empleado la
arquitectura histrica. De la poca neoltica se han encontrado huellas de la utilizacin
de la cal, las ms antiguas y conocidas son los de esa antiqusima y misteriosa cultura
de Anatolia en la actual Turqua, en Catal Hyk (6000 a. J.C.), donde James Mellaart,
en su clsica obra "Earl est Civilizations of the Near East" describe que cada una de las
viviendas de la ciudad estaba provista de dos niveles; el ms bajo de los dos estaba
dotado de pilares de madera recubiertos con una mezcla de cal pintada de rojo y de
igual manera se trababa el piso.
El pueblo egipcio utilizaba un mortero (mezcla de arena con materia cementacin) para
unir bloques y losas de piedra al erigir sus asombrosas construcciones.
Los constructores griegos y romanos descubrieron que ciertos depsitos volcnicos,
mezclados con caliza y arena producan un mortero de gran fuerza, capaz de resistir la
accin del agua, dulce o salada. Un material volcnico muy apropiado para estar
aplicaciones lo encontraron los romanos en un lugar llamado Pozzuoli con el que aun
actualmente lo conocemos como puzolana.
El descubrimiento de los aglomerantes hidrulicos se remonta al siglo XVIII (1756.)
propuso encontrar una cal que pudiera resistir la accin del agua del mar.
a Los
anlisis qumicos haban demostrado la presencia de arcilla y l concluy que la
presencia de arcilla en la caliza debe ser uno de los factores principales, si no el nico
que determina la capacidad hidrulica.
La influencia de la tradicin romana ha retrasado probablemente el descubrimiento
de los aglomerantes hidrulicos, ya que en la literatura romana se insiste en el hecho de
9
que para tener una buena cal hay que partir de una caliza muy pura. Por tanto, las
calizas arcillosas eran sistemticamente desechadas.
definitivamente que las propiedades hidrulicas dependen de los componentes que se
forman durante la coccin entre la cal y los constituyentes de la arcilla. En efecto, bajo
la accin del calor, primero se produce una deshidratacin de la arcilla, despus una
descomposicin de la caliza y por fin una combinacin entre la cal, la slice y los xidos
de aluminio. Dependiendo de la temperatura y la duracin de la coccin, la reaccin es
ms o menos completa y los productos obtenidos ms o menos hidrulicos.
Los primeros aglomerantes as fabricados tenan las caractersticas de los cementos
rpidos actuales. Generalmente eran ricos en aglutinantes y esto los caracterizaba para
una compactacin rpida. Esto ltimo no se debe a la desecacin del mortero y a la
carbonatacin de la cal, sino a la reaccin de los aglutinantes y los silicatos con el agua,
sta puede ser muy buena al abrigo del del
empirismo de sus predecesores, constituyendo las verdaderas bases cientficas que
fijan las reglas de fabricacin y empleo de la cal hidrulica. Los que pueden ser
considerados como productos intermedios entre la cal hidratada y el cemento "Portland"
actual. En efecto, los constituyentes hidrulicos siempre presentan un elevado grado de
cal libre y de hecho deben ser sometidos a extincin.
Esta operacin, que consiste en hidratar el xido de cal libre, debe ser hecha con
una cantidad moderada de agua, para evitar la hidratacin de constituyentes
hidrulicos. Se tasa de un proceso que era mal comprendido por los predecesores de
El trmino cemento Portland se emple por primera vez en 1824 por el
fabricante ingls de cemento Joseph Aspdin, debido a su parecido con la piedra de
Portland, que era muy utilizada para la construccin en Inglaterra. El primer cemento
Portland moderno, hecho de piedra caliza y arcillas o pizarras, calentadas hasta
convertirse en carbonilla (o escorias) y despus trituradas, fue producido en Gran
Bretaa en 1845.
10
En aquella poca el cemento se fabricaba en hornos verticales, esparciendo las
materias primas sobre capas de coque a las que se prenda fuego. Los primeros hornos
rotatorios surgieron hacia 1880. El cemento Portland se emplea hoy en la mayora de
las estructuras de hormign.
Desde finales del siglo XlX los principios generales de la fabricacin del cemento
"Portland" no han sufrido cambios. Sin embargo, han sufrido una evolucin tcnica y
cientfica muy importante. Esta evolucin aument los conocimientos cientficos bsicos
y ha permitido descubrir una gama de aglomerantes derivados del Portland (Portland
especiales), aglomerantes de mezcla (cementos puzolanicos, metalrgicos, etc.) y los
aglomerantes especiales (de aluminio), lo que, por un lado, puede paliar ciertas
insuficiencias del cemento Portland y por otro satisfacer mejor otro tipo de exigencias,
pero crean otros problemas.
La mayor produccin de cemento se produce, en la actualidad, en los pases ms
poblados y/o industrializados, aunque tambin es importante la industria cementera en
los pases menos desarrollados. La antigua Unin Sovitica, China, Japn y Estados
Unidos son los mayores productores, pero Alemania, Francia, Italia, Espaa y Brasil son
tambin productores importantes.
1.3 PROPOSITO DEL CEMENTO EN UN POZO DE HIDROCARBUROS
Aislar zonas geolgicas entre s: Proporcionar sello hidrulico, proteccin de acufero,
Prevencin de migracin de fluidos de la formacin a la superficie a travs del anular.
Proteger el revestidor de carga axial: Las cargas axiales que debe soportar el
revestidor son el peso propio y la tensin adicional que se produce al continuar la
perforacin despus de asentar el revestidor.
Proteger de daos el revestidor: Corrosin qumica por fluidos de la formacin, agua
con alto contenido de sales y presencia de gases agrios: H2S y CO2
11
Sostener la formacin: A lo largo de la zona productora, el revestidor debe proveer un
medio de soporte a la formacin, para garantizar su integridad durante la vida
productiva.
1.4 HISTORIA
La utilizacin de aglutinantes por el hombre se remonta a pocas tan remotas
como la neoltica.
A partir del siglo XVIII se comenz a utilizar cementos hidrulicos cuando se
detect que las calizas sucias (con arcilla) producan una cal ms resistente.
cemento fabricado por J. aspdin, debido a su parecido con la piedra de Portland
utilizada en la construccin en Inglaterra.
arcillas o pizarras, sometidas a calentamiento hasta convertirlas en escoria
En 1880 se comenz a utilizar los hornos rotativos.
En1891comenz la utilizacin masiva de este producto calcinado en sustitucin
de la cal.
hormign.
12
CAPITULO ll: MATERIALES Y PROCESO DE FABRICACIN DE LOS
FLUIDOS DE CEMENTACIN
2.1 DEFINICIN DE CEMENTO PORTLAND.
Es un cemento hidrulico capaz de fraguar y de desarrollar una alta resistencia a los
esfuerzos de compresin. El endurecimiento ocurre a travs de un proceso de
hidratacin que implica reacciones qumicas entre el agua agregada y los componentes
del cemento.
El cemento fraguado tiene baja permeabilidad, es insoluble en agua.
2.1.1 COMPONENTES BSICOS:
SILICATO DICALCICO (C2S) - 2CaOSiO2: Aporta las resistencias a largo plazo
y es el segundo compuesto en volumen.
SILICATO TRICALCICO (C3S) 3CaOSiO2: Es el que aporta las resistencias
Iniciales principalmente; en menor medida las resistencias finales. Es el
compuesto ms abundante.
ALUMINATO TRICALCICO (C3A) - 3CaOAl2O3: Importante para el tiempo de
fraguado y para el desarrollo de la resistencia inicial. Compuesto que genera la
mayor cantidad de problemas de calor y de durabilidad.
FERROALUMINATO TETRACALCICO (C4AF) 4CaOAl2OFe3O4: Compuesto
poco Reactivo y casi no contribuye a la resistencia.
2.1.2 COMPONENTES SECUNDARIOS:
YESO
OXIDO DE MAGNESIO - MgO
SULFATOS
OXIDO DE CALCIO LIBRE CaO
ALCALIS- Na
13
2.2 COMPOSICIN DEL CEMENTO.
consiste principalmente de cuatro componentes:
Silicato tricalcico (C3S)
Silicato dicalcico (C2S)
Aluminio tricalcico (C3A)
Ferrito aluminato tetracalcico (C4AF)
Estos productos se forman en un horno debido a una serie de reacciones que ocurren a
altas temperaturas (1500C) entre los elementos de la materia prima: lima; slice;
almina y xido de hierro. En el proceso de manufacturacin la materia prima
seleccionada es molida hasta alcanzar un tamao muy fino, y su proporcin es definida
de manera que la mezcla de los componentes finales ya enunciados tengan una
composicin deseada.
Despus de mezclado la materia prima es suministrada dentro de un horno donde se
nfra y se le aade una pequea cantidad de yeso
(3% y 5%). Finalmente la mezcla se pulveriza el producto final
Los productos secundarios en concentraciones normales no afectan
significativamente las propiedades del cemento fraguado. Pero si afectan la velocidad
de hidratacin, la resistencia al ataque qumico, y las propiedades fsicas de la lechada.
14
Vista microscpica de los componentes del cemento
15
2.3 PROCESO DE MANUFACTURA DE CEMENO PORLAND
2.3.1 MATERIAS PRIMAS:
su composicin es
similar a la del cemento. Pueden ser naturales o no. Las principales fuentes de
suministro de material calcreo son: Las rocas metamrficas y sedimentarias y algunos
residuos alcalinos de otras industrias.
Los materiales arcillosos contienen almina; slice y xido de hierro. Las fuentes
Bentonitas; slice flor; arcillas cenizas volcnicas.
Hoy en da se utilizan materiales arcillosos sintticos co
volcnicas
16
Al seleccionar las materias primas es importante considerar las impurezas que pueden
generar cambios drsticos en el comportamiento del cemento. Estas impurezas pueden
ser:
Magnesio
Compuestos fluorinicos
Fsforo
xidos primarios
xido de zinc
lcalis
Las impurezas producen un cambio de reactividad de los componentes del cemento,
tales como:
Exceso de magnesio (>5%): causa una expansin retardada disruptiva en el
cemento fraguado.
Exceso de fluorine (>01%): (fluoruro de calcio): causa una disminucin de la
resistencia a la compresin.
Fosfatos: los fosfatos pueden ser beneficiosos (hasta un 0.25%) para la
resistencia, pero un exceso puede ser muy perjudicial.
Exceso de xidos de zinc y de plomo generan efectos dainos en las
propiedades del cemento.
Exceso de lcalis causan efectos variables,(>0.6%) reacciona adversamente con
ciertos elemento de slice
17
2.4 PULVERIZACIN DE LA MATERIA PRIMA
2.4.1 ETAPA DE PULVERIZACIN.
Antes de comenzar la calcinacin de la materia prima, esta debe ser pulverizada
hasta alcanzar el tamao de finos (< 200 micrones), luego se mezclan uniformemente
en proporciones especficas de forma que el volumen total de la mezcla tenga la
Como
veremos en la lmina siguiente, existen dos mtodos en la industria para ejecutar la
mezcla de los materiales ya pulverizados.
2.5 PROCESO DE MEZCLADO
La materia prima previamente seleccionada y pulverizada se mezcla siguiendo un
patrn de dosificacin que permitir producir finalment
requerido.
18
Aunque cada planta tiene su mtodo especifico, existen dos procesos generales de
mezcla los cuales tienen sus ventajas y desventajas. Estos mtodos son:
1. Proceso seco.
2. Proceso hmedo.
El proceso seco fue el primer mtodo empleado por la industria del cemento, sin
embargo la poca precisin en la dosificacin no permita la obtencin de propiedades
Durante muchos aos el proceso hmedo fue el preferido porque resulta ms exacto
el control de la dosificacin de la materia prima, sin embargo este proceso requiere una
gran demanda de energa en el horno para poder evaporar el agua, lo cual resulta muy
costoso en la actualidad.
Esta realidad ha forzado a la industria del cemento a retomar el proceso de mezclado
en seco, el cual con el desarrollo de nuevas tecnologas ha perfeccionado el proceso de
2.5.1 PROCESO DE MEZCLA EN SECO.
En el siguiente diagrama podemos observar las distintas etapas que componen
el proceso de mezcla seco.
Inicialmente se dosifican la materia prima previamente pulverizada. La
dosificacin se realiza siguiendo el patrn requerido segn el tipo de cemento
que se desea.
Seguidamente, a travs de cintas transportadoras los materiales ya dosificados
En este cicln mediante el movimiento por aire se separan las partculas que
estn sobre medida, las cuales son nuevamente llevadas a un molino, de donde
vuelven a ser entregadas a la cinta transportadora de materia prima.
Los finos salen del cicln separador y alimentan a una bomba neumtica, la cual
medio de
aire se termina de mezclar y homogeneizar la mezcla.
19
Finalmente, la mezcla de materias primas molida se transporta mediante
sistemas neumticos hasta los silos de almacn de material listo para ser
calcinado.
Nota: Hoy en da algunas de las materias primas son obtenidas de otros procesos
industriales, y ya vienen pulverizadas, lo que facilita esta etapa del proceso de
fabrica
20
2.5.2 PROCESO DE MEZCLA HMEDO.
Igual que el mtodo anterior, el proceso e mezcla hmeda se inicia con la
dosificacin de la materia prima.
Luego se pasa por un molino que permite entonar el tamao de las partculas de
materia prima, y al cual se le agrega agua, para elaborar una lechada de materia prima.
Del molino, la lechada de materia prima es transportada a una zaranda con mallas
especficas que tamizan las partculas de tamao especifico y se re envan las que
estn fuera de especificaciones hasta el molino, para que nuevamente sean sometidas
a la molienda.
La lechada de mezcla de partculas finas se transportan mediante bombas de
lechadas hasta dentro de tanques homogeneiza termina
de homogeneizar de acuerdo a las especificaciones de la fabricacin.
Finalmente la lechada se coloca en silos de almacenamiento previo a la calcinacin.
21
2.6 PROCESO DE CALCINACIN.
Despus de tener la materia prima pulverizada y mezclada, se inicia el proceso de
Esta etapa se desarrolla en un
horno horizontal ligeramente inclinado hacia la salida, el cual se mantiene en baja
rotacin (Entre 1 a 4 RPM); como resultado se transmite movimiento a la mezcla
mientras se calienta y pasa a travs del horno.
Dependiendo del tipo de horno, se utiliza carbn; gas o combustible como
combustible.
Una vez que la materia prima se encuentra sometida a temperatura en el horno, se
desarrollan una serie de complejas reacciones hasta convertir la materia prima en
En el horno rotativo existen 6 zonas de calentamiento las temperaturas que se
alcanzan en estas etapas y las reacciones que ocurren se pueden observar en la tabla
mostrada en la lmina.
En la zona I ocurre la evaporizacin, donde se remueve toda el agua de la mezcla,
cuando se utiliza el proceso de mezcla seca, la evaporizacin ocurre muy rpidamente.
Sin embargo en los procesos hmedos, se requiere hasta casi la mitad de la longitud
del horno para alcanzar la evaporizacin.
En la zona II se desarrolla la etapa de precalentamiento, donde ocurre un proceso de
deshidrolizacin de las arcillas.
En las zonas III y IV ocurren una serie de eventos importantes. Primeramente se
culmina la deshidrolizacin de las arcillas y el producto se cristaliza. El carbonato de
calcio se descompone y convierte en cal libre, liberando una gran cantidad de dixido
de carbono. Se inicia tambin la formacin de varios aluminatos de calcio y de ferritos.
La zona V o de sinterizacin, a pesar de ocupar una pequea porcin del horno es
donde se forman prcticamente la mayora de los elemento principales del cemento.
22
En este punto, parte de la mezcla se licua. Cuando se alcanza la mxima
temperatura de la zona de sinterizacin (temperatu
y C2S es total. La cal libre que no ha reaccionado, conjuntamente con la almina y los
xidos de hierro, se mantiene en la fase lquida.
En la zona VI o de enfriamiento, los elementos lquidos se cristalizan formando C3A y
C4AF.
La calidad del clinker y del cemento final depender directamente de la tasa de
enfriamiento. EL mejor clinker se obtiene enfrindolo lentamente hasta una temperatura
de 2282 F (1250 C) , seguido de un rpido enfriamiento a una velocidad de 32 a 36
F/min. Cuando la tasa de enfriamiento es menor ( 7 a 9 F/min) el C3A y C4AF
desarrollan un alto grado de cristalizacin mientras que los C3S y C2S se convierten en
materiales menos reactivos, tambin se forma el cristal de MgO
Finalmente obtenemos un cemento menos activo hidrulicamente, que desarrolla
tempranamente resistencia a la compresin, pero que a largo plazo su resistencia es
tiende a
desmoronarse.
Caso contrario, cuando el enfriamiento es rpido, la fase lquida formada durante la
etapa V, se vitrifica. EL C3A y el C4AF se mantienen vitrificados y el C3S y el C2S son
ms reactivos. EL MgO tambin se mantiene vitrificado. Como resultado, tenemos un
cemento que desarrolla una resistencia inicial tarda, pero una mayor resistencia final.
reactivo.
Despus que el clinker se enfra se coloca en un silo y despus se dosifica con yeso
y se enva mediante cinta transportadora a los molinos, para la molienda final
23
2.7
Como ya lo hemos expuesto, la molienda final se realiza despus de agregar yeso a
ue el cemento sufra de fraguado
El molino final normalmente es tipo tubular horizontal, que tiene en su interior un
sistema de bolas que sirven de molino. Dependiendo del tipo de cemento el clinker se
muele aun tamao especifico, generalmente el tamao de las partculas vara entre 1 y
24
Cuidado en que no se alcancen altas temperaturas, caso contrario, el yeso se puede
convertir en sulfato de calcio semi hidratado, el cual aunque sigue previniendo el
fraguado prematuro, puede generar otro fenmeno conocido como falso fraguado, del
cual nos ocuparemos ms adelante.
25
26
2.8 HIDRATACIN DEL CEMENTO
Desde el punto de vista qumico, la hidratacin del cemento es un complejo proceso
de disolucin / precipitacin durante el cual la hidratacin de todos los componentes se
realiza simultneamente, pero a diferentes velocidades e influencindose unas a otras.
ndo son
mezclados con agua, ellos se descomponen y reaccionan formando productos
hidratados.
Las soluciones que se forman son inestables decantando su exceso de slidos, pero,
como la solubilidad de los componentes anhidros originales es mayor que el de los
hidratados, las reacciones continuaran hasta hidratar todo el cemento.
El proceso de hidratacin sigue las siguientes etapas:
Inicialmente se separan los componentes del cemento en su forma inica.
Despus comienza la formacin de compuestos hidratados (formacin de
cristales)
Por ltimo la aglomeracin de estos elementos hidratados precipitan como
slidos.
27
Hidratacin de las Fases del Clinker
1.- FASES SIILIICATO (C3S // C2S): Esta fase es la ms abundante 80% del volumen
total
El C3S es el principal con tope de 70%
El C2S normalmente no excede el 20%
2C3S + 6H > C 3S2H3 + 3CH + CALOR
2C2S + 4H > C3S2H3 + CH
Los productos de la reaccin son:
Silicato de calcio hidratado C-S-H gel Principal componente
Cemento fraguado
Hidrxido de calcio C-H Residual que puede ser atacado por los Sulfatos y gases agrios.
Hidratacin de las fases del CLINKER .
Los cuatro (4) componentes principales del cemento presentan diferente cintica de
reaccin y forman diferentes productos hidratados. La interaccin entre ellos tiene como
resultado final el comportamiento particular de cada tipo de cemento.-
Las principales fases que se hidratan son:
1.- Fases silicatos (C2S y C3S)
2.- Fases de aluminatos (C4AF)
Las fases de silicatos son las ms abundantes (80%. Del material total). El C3S Es el
principal con el 70% del total. El C2S normalmente no excede del 20%.
Los productos de la hidratacin para ambas fases son el silicato de calcio hidratado y
el hidrxido de calcio (Portlandita). El primero no tiene la composicin exacta de
28
C3S2H3, sino que las proporciones de C: S y H: S son variables y depende de varios
factores como la concentracin de calcio en la fase acuosa, temperatura, aditivos y
aejamiento.
Este material es casi amorfo y es conocido como "gel C-S-H". Este material es
considerado como el origen del cemento fraguado.
En contraste, el segundo (CH) es altamente cristalino (platos hexagonales).
Las zonas densas amorfas son los cmulos de C-S-H los espacios oscuros son poros
Cristales hexagonales de hidrxido de calcio. Perjudiciales para la integridad del
cemento en ambientes agrios o en presencia de sulfatos.
29
Los cristales de CaOH (Portlandita) ocupan un 20% del volumen del cemento, y son
altamente solubles en ambientes cidos por lo que su presencia debe ser reducida al
mnimo posible con la utilizacin de agregados de slice.
Efectos de la hidratacin del C3S y del C2S.
Al agregarse agua las fases de silicato se hidratan rpida pero brevemente y
experimentan un periodo de baja reactividad (induccin). Esto no influye en la reologa
del cemento. Luego, al continuar el proceso de hidratacin, la reaccin del C3S excede
a la del C2S por mucho (aqu comienza a formarse el gel C-S-H masivamente). As, la
hidratacin del C3S es la responsable mxima del desarrollo del frage y la resistencia
inicial.
El mecanismo de hidratacin del C2S es similar al del C3S. Esta reaccin tiene ninguna
importancia, salvo solo en trminos de resistencia final del cemento endurecido.
Los cementos con concentracin de C3S menores de 45% son considerados
retardados. Mientras los que tienen hasta 70% son considerados acelerados de
temprano y alto desarrollo de resistencia.
30
La hidratacin del C2S no afecta el desarrollo temprano de resistencia a la compresin
pero si lo afecta al final cuando su hidratacin se acelera.
Comportamiento de la hidratacin del C3S y el C2S en funcin de la temperatura y
el tiempo.
Como puede observarse en la lmina, la hidratacin del C3S se inicia poco despus
de comenzar la mezcla independientemente de la temperatura, luego la tasa de
reaccin se hace directamente proporcional a la temperatura, pero despus de cierto
tiempo (1 da) la hidratacin se acelera y se hace independiente de la temperatura,
alcanzando el valor final prcticamente al mismo momento.
El caso del C2S la hidratacin comienza en forma retardada, se observa tambin que
la hidratacin es funcin directa de la temperatura, siendo cero a temperatura baja por
espacio de media da.
31
Seguidamente el comportamiento se acelera, pero en forma individual cada una a su
velocidad, siendo ms rpido a mayor temperatura. Al final todos los procesos
convergen casi al mismo tiempo.
32
Desarrollo de los cristales amorfos de C-S-H.
El crecimiento de los cristales de C-S-H contina en el tiempo mucho despus del
fraguado inicial del cemento, reduciendo la permeabilidad e incrementando la
resistencia mecnica a la destruccin.
33
2.9 LA CONDUCCIN CALOMTRICA.
La hidratacin del C3S su Diagrama Trmico.
La hidratacin del C3S es un proceso exotrmico por lo tanto la velocidad de
hidratacin se puede evaluar mediante la conduccin calorimtrica.
La hidratacin del C3S es un proceso exotrmico por lo tanto la velocidad de
hidratacin se puede evaluar mediante la conduccin calorimtrica.
34
2.10 FASES DEL PROCESO TERMICO
El proceso puede ser dividido en cinco (5) etapas, a saber:
1. Periodo de preinduccin.
2. Periodo de induccin.
3. Periodo de aceleracin.
4. Periodo de desaceleracin.
5. Periodo de difusin.
Del diagrama trmico se puede distinguir 5 fases que enunciaremos a
continuacin.
1.- Periodo de preinduccin
Su duracin es de solo unos minutos, durante y luego de la mezcla con agua. Una
reaccin exotrmica se observa debido a la rpida hidratacin inicial del polvo.
Desde el punto de vista qumico, una capa de gel C-S-H se forma encima de la
superficie del C3S anhidro. El mecanismo aceptado es el de una disolucin /
precipitacin. La solucin formada se sobresatura muy rpidamente, lo que origina la
precipitacin del gel C-S-H.
Este gel tiene una proporcin C: S cercana a 1.0. Adems, los iones de silicato son
dimtricos. As, la precipitacin tiene lugar en la interface del cristal C3S/liquido, donde
la concentracin inica es mayor.
Durante este periodo, la concentracin de cal se incrementa a medida que la
hidratacin contina.
2.- Periodo de induccin
La hidratacin es baja durante este periodo. La liberacin de calor disminuye
considerablemente. El gel C-S-H contina precipitndose, y la concentracin de iones
Ca+ y OH sigue incrementndose hasta alcanzar el nivel supercrtico. En este punto
35
comienza la precipitacin de hidrxido de calcio y por ende, la hidratacin continua a un
ritmo mayor, marcando el final de este periodo.
Para determinar el final del periodo de induccin, se modelaron dos teoras;
A.- Teora de la capa de proteccin: como la permeabilidad del gel C-S-H precipitado es
muy baja, la hidratacin disminuye y as comienza el periodo de induccin. Para
continuarla puede ocurrir una de las dos reacciones siguientes:
1.- Fuerzas de osmosis son generadas dentro del gel y ello reinicia la hidratacin. As,
la capa de proteccin revienta, permitiendo una liberacin de silicatos dentro de la
solucin.
2.- El gel C-S-H cambia morfolgicamente, de tal manera que su permeabilidad se
incrementa.
B.- Teora de la nucleacin retardada: la precipitacin del hidrxido de calcio provoca
una aceleracin de la hidratacin. As, diferentes teoras se han formulado dentro de
este modelo para explicar el fin del periodo.
1. Cuando los iones Ca+ y OH superan un cierto nive l (de 1.5 a 2.0 veces el valor de
saturacin) la hidratacin se dispara nuevamente
2.- Se produce una rpida absorcin qumica del agua en sitios preferenciales del gel C-
S-H. Los productos de la hidratacin reaccionan nuclendose en esos sitios y una
hidratacin acelerada comienza cuando esos ncleos alcanzan un tamao crtico.
3.- Periodo de aceleracin
Despus de 1-3 horas, es decir, al final del perodo de induccin, empieza la
solidificacin o fraguado inicial.
El C3S empieza a hidratarse rpidamente otra vez, ya que el Ca (OH)2 empiece a
cristalizar y as se mueve el equilibrio de la reaccin hacia la derecha. La velocidad de
hidratacin alcanza un mximo al final del perodo de aceleracin. Este mximo
36
corresponde con el mximo de la evolucin de calor. A este tiempo (2-8 horas) el
fraguado final ha ocurrido y comienza el endurecimiento inicial.
Debido a que la cristalacin de Ca (OH)2, lleva a este compuesto fuera de la capa de C-
S-H (Figura 3.6), la velocidad de difusin de Ca (OH)2 crece y, por consiguiente, crece
la difusin de H2O hacia el ncleo de C3S y la velocidad de hidratacin.
4.- Periodo de desaceleracin
Por la hidratacin del C3S, el espesor de la capa C-S-H crece. Por consiguiente, llega
un momento en que la velocidad de reaccin es igual a la velocidad de difusin. A partir
de este momento, mientras el espesor de la capa sigue creciendo y el movimiento a
travs de la capa C-S-H determina la velocidad de la reaccin y la hidratacin queda
controlada por la velocidad de difusin dentro de la capa. Luego la velocidad de
reaccin empieza a disminuir hasta que llegue un estado estable (etapa 5) despus de
12 a 24 horas.
Las reacciones controladas por difusin son generalmente bastante lentas y la
velocidad disminuye cuando aumenta el espesor de la barrera de difusin, motivo por
el cual la hidratacin tiene la tendencia a acercarse al 100 % de forma asinttica.
Luego la velocidad de reaccin empieza a disminuir hasta que llegue un estado estable
(etapa 5) despus de 12 a 24 horas.
5.- Periodo de difusin
Durante esta etapa, la difusin es tan lenta que la velocidad de hidratacin est
controlada nicamente por la velocidad de difusin. Como el espesor de la capa sigue
creciendo, la velocidad de difusin sigue disminuyendo hasta que no haya ms C3S a
hidratar.
La hidratacin de C2S es similar a la de C3S, pero es mucho ms lenta porque es un
compuesto menos reactivo que el C3S. Adems, el calor de hidratacin de C2S es
menor que el de C3S y por eso la curva calorimtrica es difcil de medir
37
experimentalmente. Sin embargo, la curva es similar a la de C3S pero el segundo pico
tiene mucha menos intensidad.
La hidratacin, como otras reacciones qumicas, es sensible con respecto a la
temperatura. La velocidad de reaccin aumenta con la temperatura. Pero la
dependencia entre la velocidad y la temperatura est relacionada con el grado de
reaccin. La etapa en la que la temperatura tiene ms importancia es en el perodo de
aceleracin donde la velocidad de reaccin es controlada qumicamente. En la etapa 5
en que la hidratacin es controlada completamente por difusin, la reaccin no es tan
sensible con respecto a la temperatura, aunque el coeficiente de difusin puede variar
con la temperatura.
2.11 EFECTOS FSICOS DE LA HIDRATACIN DEL CEMENTO.
1- variacin del volumen
Cuando el cemento reacciona con el agua, el sistema as formado sufre de una
disminucin de volumen y ocurre porque la densidad absoluta del material hidratado es
mayor que la de los reactivos inciales.
A pesar de esta reduccin volumtrica, las dimensiones externas del cemento fraguado
son casi las mismas o es ligeramente menor por la contraccin volumtrica externa.
Esta disminucin, llevada a las condiciones de un pozo puede ser perjudicial ya que
afecta la transmisin de la presin hidrosttica a la formacin y afecta tambin la
habilidad del cemento para prevenir el flujo de fluidos (canalizacin).
2.- Efecto de la temperatura
Es uno de los mayores factores que afectan la hidratacin del cemento ya que la
velocidad de hidratacin depende directamente de este parmetro.
A medida que la temperatura aumente, los periodos de induccin y frage se acortan y
la velocidad de hidratacin es mayor. No obstante, el grado de hidratacin y por ende la
resistencia final es, a menudo, menor. Esto puede deberse a la formacin de una capa
ms densa de gel C-S-H sobre la superficie del C3S anhidro, dificultando la posterior
hidratacin.
38
Algunos cambios ocurren en la estructura del gel C-S-H a altas temperaturas, ya que el
material se hace ms fibroso e individualizado y se observa un alto grado de
polimerizacin del silicato. Por encima de 238 F el C-S-H es ms estable y comienzan
a formarse cristales de silicato de calcio hidratado.
Tampoco la etringita es estable por encima de 140 F, se descompone en
monosulfoaluminato y yeso, el primero de los cuales es estable hasta 374 F
3. Frages instantneo y falso
Frage instantneo: se produce cuando el clinker es molido sin yeso por consiguiente el
agua reacciona incontroladamente con el C3A. Esta es la razn por la que el yeso se
agr ptimo, la proporcin de
yeso debe balancearse de acuerdo a la reactividad del clinker
Frage falso: se produce por exceso de sulfatos (sulfato de calcio semihidratado
(CSH1/2) o anhidrita (CS), los cuales son en algunos casos las nicas formas de
sulfatos presentes.
Normalmente estos sulfatos presentan una solubilidad el doble mayor que la del yeso,
por consiguiente, la fase acuosa del cemento se sobresatura rpidamente con respecto
al yeso. En este momento un "yeso secundario" se precipita, gelificando la lechada y
produciendo un "falso frage". Esta situacin puede revertirse con una agitacin
vigorosa o agregando dispersantes.
4.- Efecto del envejecimiento
El desempeo del cemento se ve afectado por su exposicin a la atmsfera y/o a las
altas temperaturas y humedad durante su almacenamiento. Los principales efectos son:
1. Se incrementa el tiempo de espesamiento
2. Disminuye la resistencia a la compresin
3. Disminuye el calor de hidratacin
4. Incrementa la viscosidad de la lechada.
39
5. Incrementa la permeabilidad del cemento una vez fraguado, pudiendo ser
problemtico para el paso de fluido de formacin.
Estos se producen principalmente por carbonizacin de las fases de silicato de calcio
hidratado y por la hidratacin parcial de la cal libre (cao).
Cuando es almacenado en silos en zona de clima caluroso, la temperatura del mismo
puede ser tal que inicie el proceso de deshidratacin del yeso. As, este cemento tiende
a presentar el fenmeno del "frage falso".-
Si hay suficiente sulfato de potasio como impureza, este puede reaccionar con el yeso
formando "syngenita". El agua liberada puede rehidratar las fases de aluminatos,
tendiendo a presentar el fenmeno del "frage falso".-
5.- Influencia de los lcalis
Los principales materiales alcalinos encontrados en el cemento son el potasio (k) y el
sodio (Na). Estos afectan el frage y el desarrollo de la resistencia. Su concentracin
mxima no debe exceder del 1.0%.
Los efectos de los lcalis sobre la resistencia son impredecibles. Puede mejorarla como
aron que los lcalis mejoran la resistencia
inicial pero pueden ser negativos sobre la resistencia final.
6.- Efecto de la distribucin de partculas.
Los cementos con mejor distribucin de partculas desarrollan valores ms altos en las
propiedades mecnicas porque tienen menos porosidad en sus intersticios y requieren
menos agua.
Esta caracterstica conocida como "fineza" es muy importante desde el punto de vista
de la reactividad y el comportamiento reolgicos del cemento.
40
El tamao de partcula se utiliza para calcular la relacin rea / volumen. Esta relacin
es una medida directa de la reactividad del cemento, ya que la cantidad de agua
necesaria para hidratar completamente al cemento es proporcional a esta relacin.
Tambin la resistencia es proporcional al tamao de partcula. Los cementos ms finos
son los ms resistentes. La velocidad de hidratacin es tambin proporcional a la
relacin rea / volumen, lo cual afecta el tiempo de espesamiento de la lechada de
cemento.
7.- Resistencia a los sulfatos
Los fluidos de completacin comnmente contienen sulfatos de sodio y magnesio lo
cual es perjudicial para el cemento. Estos elementos reaccionan con el hidrxido de
calcio precipitado para formar hidrxidos de magnesio y sodio y sulfato de calcio. Este
ltimo reacciona con los aluminatos y forma "etringita secundaria". Tambin una
"hinchazn" ocurre debido al reemplazo de Ca (OH)2 por Mg (OH)2
Cuando la etringita se forma despus que el cemento desarrolla resistencia ocurre una
expansin. Si es pequea, la misma es beneficiosa pues mejora la adherencia del
cemento al revestidor y a la formacin, pero si es incontrolada, el resultado es una
degradacin del cemento, su rompimiento por insuficiencia de resistencia y el dao de
los tubulares.
El cemento con bajo contenido de C3A son resistentes a los ataques de los sulfatos.
Normalmente, los sulfatos suelen ser un problema por encima de los 140 F debido a la
baja solubilidad del Mg y el Na a bajas temperaturas.
El agregado de compuestos "puzolanicos" al cemento como la ceniza volcnica reduce
sustancialmente el efecto de los sulfatos.
41
2.12 ETAPA PLSTICA DE CEMENTO
Las Lechadas de Cemento mientras estn en estado lquido no presentan mayor
problema, la situacin es grave en la llamada Etapa Plstica del cemento, en donde el
cemento est pasando de Estado lquido a slido, en este momento el cemento tiene un
comportamiento muy similar al de una plastilina, es importante No mover la Tubera de
revestimiento ( TR), ya que en esta etapa el cemento sufre deformaciones que en el
momento que esto ocurra, es verdaderamente difcil que el cemento vuelva a su estado
original, este fenmeno crea canales de comunicacin pudindose manifestar el pozo
hacia la superficie o hacia pozos vecinos, por esta razn es importante esperar que el
cemento alcance un valor de resistencia a la compresin mayor a 500 psi, con este
valor el cemento est completamente slido, este valor solamente lo podemos observar
realizando las pruebas en el UCA (Ultrasonic Cement Analyzer), y es de carcter
obligatorio solicitar esta prueba, para poder apreciar en que tiempo se alcanza este
valor de 500 psi.
42
2.13 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA HIDRATACIN
El periodo de induccin se corta en funcin del incremento de temperatura,
acelerndose el fraguado del cemento. Tambin se libera ms calor si la temperatura es
mayor.
Este diagrama representa esquemticamente el
comportamiento del cemento en funcin de su
reactividad y la presencia de sulfatos. En los casos
en que una de estas dos condiciones es alta, el
cemento fragua en minutos. En el caso que ambas
son altas, el sulfato puede generar etringita la cual
cubre al C3A retardando su hidratacin, dandole1
hora de bombeabilidad. En el caso que ambas sean
bajas se le permite un tiempo holgado de trabajo.
43
2.14 TIEMPO DE ESPESAMIENTO VS TAMAO DEL GRANO.
Los cementos de menor tamao son ms acelerados y desarrollan mayor resistencia
inicial. Debido a su relacin rea superficial/ peso, requieren mayor cantidad de agua
para mantener las propiedades de la lechada.
44
2.15 CLASIFICACIN DE LOS CEMENTOS API.
La clasificacin de los cementos se realiza para promover una consistencia entre los
diferentes fabricantes, con unas especificaciones bien definidas. Se conocen dos tipos
de clasificacin:
1. API (American Petroleum Institute)
2. ASTM (American Society of Testing and Materials)
En lo sucesivo nos referiremos exclusivamente al API.
El mtodo ms utilizado y aceptado para expresar las cantidades relativas de las fases
principales del clinker est basado en unos clculos relativos a la composicin de los
xidos. Se basa en el equilibrio que debe haber entre los diferentes componentes de un
cemento.
Estas ecuaciones establecen lmites para:
A. Cantidad de lcalis
B. Cal libre
C. Magnesio y sodio libres
D. Residuos insolubles
E. Perdida por ignicin
F. Residuos insolubles
Los parmetros fsicos que aparecen en las especificaciones incluyen la fineza y
comportamiento del cemento de acuerdo a unos parmetros preestablecidos. La prueba
de comportamiento incluye:
A. Tiempo de espesamiento
B. Resistencia a la compresin
C. Expansin
D. Agua libre
45
Todas ellas estn explcitamente expresadas en la especificacin API 10.
Actualmente hay ocho (8) clases de cementos API. Se clasifican de acuerdo a la
profundidad de colocacin, y la temperatura y presin a la que estarn expuestos.
Tambin se sub clasifican de acuerdo a su resistencia a los sulfatos (contenido de
C3A), a saber:
Ordinario (0); Contenido mximo de C3A: 15%.
Resistencia moderada (hsr); Contenido mximo: 8%.
Alta resistencia (hsr): contenido mximo: 3%
46
47
48
49
CAPITULO lll: ADITIVOS DE CEMENTACION Y MECANISMOS DE
ACCION
3.1 ADITIVOS DE CEMENTACION
En el servicio de cementaciones de pozos, rutinariamente se requiere que los cementos
API sean efectivos en un amplio rango de condiciones geofsicas:
Temperaturas que varan desde zonas permafrost hasta 350 F.
Presiones que varan desde casi la presin atmosfrica en los pozos someros,
hasta ms de 30000 psi en pozos muy profundos.
Gradientes de fracturas muy bajos.
Ambiente corrosivo.
Arenas con sobre presin.
Con el desarrollo de aditivos de cementacin, se puede alterar el comportamiento
natural de los cementos API y alcanzar con xito la colocacin del cemento en el anular;
el desarrollo rpido de resistencia a la compresin y un aislamiento zonal durante la
vida del pozo.
Actualmente hay disponibles ms de cien (100) tipos de aditivos diferentes, en forma
lquida o slida. Ellos pueden ser divididos en las ocho categoras enumeradas abajo:
1. Aceleradores: reducen el tiempo de espesamiento y aceleran el proceso de
endurecimiento.
2. Retardadores: incrementan el tiempo de espesamiento.
3. Extendedores: reducen el peso de la lechada y aumentan el rendimiento de la
misma.
4. Densificantes: incrementan el peso de la lechada y disminuyen el rendimiento
de la misma.
5. Dispersantes: reducen la viscosidad de la lechada.
6. Controladores de filtrado: controlan la perdida de la fase liquida de la lechada,
mantenindola fluida.
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7. Controladores de prdida de circulacin: controlan la prdida de cemento
hacia una formacin dbil.
8. Especiales: aditivos como los anti espumantes, trazadores radioactivos, etc.
3.2 COMPORTAMIENTO DE LOS ADITIVOS.
La mayora de los aditivos son muy sensibles a los componentes y caractersticas
qumicas del cemento, los cuales son muy variables aun dentro de una misma clase API
determinada.
Por lo tanto, un amplio espectro de resultados se obtiene dentro de un mismo diseo de
lechada. Los parmetros del cemento ms importantes incluyen;
1. Tamao y distribucin de las partculas.
2. Distribucin de las fases (cs y ca).
3. Reactividad de las fases hidratadas.
4. Proporcin de yeso y sulfatos.
5. Contenidos de lcalis libres.
6. Caractersticas de los productos de la hidratacin inicial (energa de mezcla).
Debido a la complejidad de la hidratacin y al gran nmero de variables envueltas, la
nica manera de solventar estos inconvenientes en un diseo es realizando pruebas de
laboratorio
Otros parmetros importantes son:
Temperatura
Presin
Concentracin de aditivos
Energa de mezcla
Orden de mezcla
Proporcin agua / cemento
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En esta grfica se compara el comportamiento de dos tipos de cementos petroleros en
funcin de varios aditivos como se ve el patrn es diferente para cada cemento. Como
conclusin la nica manera de poder determinar el comportamiento de un cemento con
los aditivos es a travs de pruebas particulares de laboratorio.
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3.3 ACELERADORES.
Los aceleradores son aditivos que se agregan al cemento para acortar los periodos I y II
del esquema de hidratacin y/o para acelerar el proceso de frage (PERIODOS III Y
IV). Tambin son usados para evitar el retardo causado por el uso de ciertos aditivos,
como los dispersantes y controladores de filtrado.
Muchas sales inorgnicas como los cloruros aceleran las lechadas de cemento. Los
ms comunes son:
Cloruro de calcio
Cloruro de potasio
Cloruro de sodio
Muchas sales inorgnicas actan como aceleradores del cemento. Entre ellas los
cloruros son los ms conocidos. Pero tambin los carbonatos, silicatos, aluminatos,
nitratos sulfatos y lcalis poseen esas caractersticas.
Entre los cloruros, la accin aceleradora es ms fuerte entre los trivalentes y a medida
que la proporcin de los cationes asociados se incrementa. Los cationes (+) y aniones
(-) pueden ser ordenados de acuerdo a su eficiencia como aceleradores, como se ve en
la figura.
CaCl2 es l ms econmico y efectivo de todos. No importa la concentracin, siempre
acta como acelerador, pero si su concentracin excede del 6%., Su accin es
impredecible y puede resultar en un frage prematuro.
Acelerador cloruro de sodio (NaCl).
NaCl afecta al cemento en diferentes formas, de acuerdo a su concentracin en el agua
de mezcla. No es un acelerador eficiente y debe ser usado solo cuando no se disponga
de cloruro de calcio.
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gr/lt
de cloruro de sodio. La presencia de cloruro de magnesio (1.5 gr / lt) debe ser siempre
tenida en cuenta.
El silicato de sodio -que normalmente se usa como extendedor exhibe tambin
propiedades aceleradoras debido a que reacciona con el ion ca+ en la fase acuosa
formando ncleos adicionales de gel C-S-H, acortando as el periodo de induccin.
Tambin existen aceleradores orgnicos como el formato de calcio, l cido oxlico y la
triatonolamina. Esta ltima acelera la fase de aluminatos del cemento y retarda la del
silicato. Tea es utilizada en combinacin con otros aditivos para anular el efecto de
sobre retardacin que ellos producen.
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MECANISMO DE ACCIN DEL CACL2.
El mecanismo de accin del cloruro de calcio es complejo y an no est bien
determinado. Se han sugerido varias hiptesis, entre ellas:
1.- Afecta la Hidratacin de las Fases del Cemento: La aceleracin es el resultado
del incremento de la velocidad de hidratacin del sistema fase aluminato / yeso. Los
iones Cl mejoran la formacin de etringi ta hasta que el yeso se consume totalmente.
La etringita, con su forma de agujas delgadas, contribuye al efecto de aceleracin.
Otra teora dice que la aceleracin es producida por la rpida hidratacin de la fase
silicato por efecto del Cloruro de Calcio.
2.- Induce cambios en la estructura del gel C-S-H: La hidratacin del cemento es
vista como la difusin de agua e iones dentro de la estructura a travs de la cubierta del
gel C-S-H. Luego, la rapidez de esta reaccin depende de la permeabilidad de dicha
cubierta. El Cloruro de Calcio acta cambiando la morfologa del gel C-S-H a una de
alas abierta y floculada, aumentando as su permeabilidad.
En presencia de CaCI2, el gel C-S-H tiene una superficie especfica mayor y una mayor
polimerizacin de iones de silicato.-
La morfologa de la "Portlandita" es cambiada tambin por la presencia de cloruro de
Calcio.
3.- Difusin de los iones Cloro y Calcio: La velocidad de difusin de los iones de
cloro es mayor que la de los iones de calcio asociados a l. Como el in de cloro
penetra la membrana de C-S-H ms rpido que el in de Ca, se produce una difusin
de iones hidroxilo (OH ) para mantener el balance crtico, producindose as la
precipitacin temprana de la "Portlandita , que indica el fin del Periodo de Induccin.
Adicionalmente a los efectos ya estudiados, muchos otros secundarios se observan
cuando el cloruro de calcio est presente en una lechada.
55
1.- Calor de hidratacin: la presencia de CaCl2 aumenta la generacin de calor
durante la hidratacin del cemento durante las primeras horas luego de mezclado el
cemento. Esto calienta todo el ambiente alrededor de la lechada y se origina una auto-
aceleracin.
Esto tambin origina una expansin del revestidor, lo que puede originar un despegue
del cemento, originando un "micro anillo trmico" con la consiguiente prdida de
aislamiento zonal.
2.- Reologa de la lechada: el punto cedente (ty) se incrementa, pero no afecta la
viscosidad plstica (PV) de la misma al principio. Luego de 30 min., la viscosidad
comienza a crecer.
Las lechadas con CaCl2 presentan cierto grado de tixotropa, por lo que la
sedimentacin no es un problema.
3.- Desarrollo de la resistencia: el cloruro de calcio incrementa la resistencia inicial del
cemento. La magnitud de este aumento depende de la temperatura de curado y de la
concentracin de cloruro de calcio.
4.- Contraccin: Estudios realizados con el concreto sugieren que el encogimiento se
incrementa en 10 % a 50%, sin embargo estos estudios pueden ser sobreestimados y
no se pueden trasladar a los pozos puesto que sus condiciones son diferentes. En
condiciones de pozos no se ha estudiado el efecto del CaCl2 en la estabilidad de la
columna de cemento, pero la mayor hidratacin generada por el CaCl2, hace que se
produzca mayor encogimiento interno. Este fenmeno se incrementa en lechada con
CaCl2 en un porcentaje que vara del 10 al 50%. Esto se debe al mayor grado de
hidratacin y a los cambios producidos en los productos hidratados.
Esto no afecta mayormente a la cementacin de pozos debido a las condiciones de
confinamiento en que el cemento fragua (anular).
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5.- Permeabilidad: la permeabilidad de estos sistemas se reduce debido al mayor
volumen de productos hidratados presentes. Con el tiempo, estos cementos se vuelven
ms permeables que los convencionales.
6.- Resistencia a los sulfatos: los sistemas que contienen CaCl2, al envejecer y
aumentar su permeabilidad, su resistencia a los sulfates disminuye. No obstante, como
se discuti anteriormente, el contenido de aluminato tricalcico (C3A), es el principal
factor de control.
3.4 RETARDADORES.
Estos aditivos alargan el tiempo de espesamiento y retardan el fin del periodo de
induccin (inicio del endurecimiento)
Tal como los aceleradores, el mecanismo de accin de los retardadores no es aun bien
conocido. Varias teoras han sido formuladas, pero ninguna explica totalmente el
proceso por s misma. Entre ellas figuran cuatro principales:
1.- TEORA DE LA ABSORCIN: el retardo ocurre como consecuencia de la absorcin
del retardador a travs de la superficie de los productos hidratados, inhibiendo su
contacto con el agua.-
2.- TEORA DE LA PRESCIPITACION: el retardador reacciona con los iones ca+ y OH
en la fase acuosa formando una capa insolubl e y poco permeable alrededor de los
granos de cemento.
3.- TEORA DE LA NUCLEACION: el retardador es absorbido por el ncleo de
hidratacin, envenenndolo e inhibiendo su crecimiento.
4.- TEORA DE LA COMPLEXACIN: los iones de calcio son recubiertos por el
retardador, impidiendo la formacin del ncleo de hidratacin.
Es muy probable que lo que realmente sucede es una combinacin de las teoras
anteriores.
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3.4.1 TIPOS DE RETARDADORES
Productos qumicos usados como retardadores
A. Materiales Orgnicos
Lignosulfonatos (sodio y calcio)
cidos Hidroxicarboxilicos (cido ctrico)
Componentes sacridos (azucares)
Derivados de la celulosa (polisacridos CMHEC)
Compuestos rgano fosforado (tri funcionales)
B. MATERIALES INORGANICOS
cidos y sales de boro, fosforo, flor y cromo
Cloruro de sodio ( concentracin >20% bwow)
xidos de zinc y plomo
LIGNOSULFONATOS ACIDOS
Los Lignosulfonatos cidos son los ms comunes. Entre ellos los Lignosulfonatos de
sodio y calcio son los de uso ms extendido.
Son polmeros derivados de la pulpa de madera, por lo tanto son impuros y contiene
muchos componentes de sacarosas. Su peso molecular vara entre 20.000 y 30.000.
Los Lignosulfonatos puros no poseen demasiado poder de retardacin, por lo tanto es
aceptado que el efecto de retardo es producido por los carbohidratos de bajo peso
molecular pres s (xilosa y arabinosa), hexosas
Sus caractersticas fundamentales son: Lignosulfonatos:
Tipos de cemento: Todos
Concentracin (BMOC): 0.1 a 1.5%.
Temperatura: hasta 250 f (solos), hasta 600 f (mezclado con borato de sodio)
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Los lignosulfonatos afectan la cintica qumica de la fase silicato (C3S), su efecto sobre
la fase aluminato (C3A) es nfima. Su reaccin corresponde a una combinacin de las
teoras de nucleacin y absorcin.
Los compuestos del Lignosulfonato son absorbidos por el gel C-S-H al cual cambia su
morfologa derivndola en una estructura menos permeable. Esto hace que el gel CS- H
quede casi a "prueba de agua" lo que evita mayor hidratacin del mismo.
El Lignosulfonato que queda libre en la fase acuosa se combina con los iones de Calcio
a travs de enlaces electrostticos, impidiendo la nucleacin y el crecimiento de los
cristales de hidrxido de calcio.
Los lignosulfonatos tienen un mejor comportamiento en cementos de menor contenido
de C3A. Cuando este compuesto se hidrata en presencia de lignosulfonatos, la
concentracin del aditivo disminuye dramticamente. Esto se debe a que los productos
hidratados de la fase aluminato posee una capacidad mayor de absorcin que los de la
fase aluminato, lo que evita que el Lignosulfonato se combine con la fase silicio,
disminuyendo as la eficiencia del aditivo.
ACIDOS HIDROCARBOXILICOS
Los cidos hidrocarboxilicos contienen grupos hidroxilo y carboxil en su composicin
molecular. Los gluconatos y los glucoheptonatos son los ms usados dentro de este
grupo.
Son muy fuertes y pueden causar sobre retardacin a temperaturas inferiores a 200 f.
Sus caractersticas fundamnteles son:
Tipos de cemento: Todos
Concentracin (BWOC); 0.1 a 1.5%.
Temperatura; Mayor a 250 F
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l ms conocido de estos retardadores es el cido ctrico el cual tambin es un
dispersante poderoso y se usa en una concentracin de 0.1 a 0.3%. (Bwoc),
La accin retardadora de estas sales es atribuida generalmente a la presencia de
grupos alfa y beta de grupos Hidroxicarboxilicos, que son capaces de recubrir
fuertemente a un in metlico como el calcio. Durante la reaccin se forman varios
anillos (5 o 6) aislando la superficie hidratada del cemento y envenenando los ncleos
de hidratacin.
Igual que los lignosulfonatos, su eficiencia es mayor cuando son agregados a cementos
de baja concentracin de C3A.
SACARIDOS
Los sacaridos (azucares) son excelentes retardadores de cemento. Los mejores son
aquellos que contienen cinco (5) anillos, como la sucrosa y la resinosa.
Estas sustancias no son comnmente usadas en cementacin de pozos debido a que
el, efecto de retardacin es muy sensible a la variacin de concentracin.
El efecto de retardacin depende de los compuestos susceptibles a degradarse por
efecto de la hidrlisis alcalina. Los azucares son convertidos en cidos sacarinitos que
son fuertemente absorbidos dentro del gel C-S-H. Este envenenamiento evita la
posterior hidratacin de los ncleos.
CELULOSAS
Las celulosas son polisacridos derivados de la madera y son estables al ambiente
alcalino de las lechadas de cemento.
La retardacin se debe probablemente a la absorcin del polmero dentro de la
superficie del cemento hidratado. Los elementos activos son los grupos oxietileno y
carboxil.
Sus principales caractersticas son:
60
Tipos de cemento: Todos
Concentracin (BMOC) 0.1 a 0.5%
Temperatura: hasta 250 F
El retardador de este grupo ms conocido es el carboximetilhidroxietilcelulosa
(CMHEC). Este tiene efectos secundarios, tal es as que es usado principal-tente como
controlador de filtrado e incrementa la viscosidad de la lechada.
CIDOS ALQUILENO FOSFONICOS
Los cidos alquileno fosfonicos y sus sales son retardadores de frage del cemento.
Tienen una excelente estabilidad a altas temperaturas.
Sus caractersticas son:
Tipos de cemento: Todos
Concentracin (BWOC): 0.1 a 1.0%.
Temperatura: hasta 400 f
Los compuestos fosfometilados que contienen grupos cuaternarios de amonio tambin
son muy eficientes.
Los compuestos rganofosforados son ventajosos debido a otros efectos, como son:
Insensibilidad a la variacin qumica del cemento
Dispersante de lechadas pesadas (baja la viscosidad de la lechada)
Debido a esto este tipo de retardadores es conocido como tri-funcional
Muy poco se conoce de su mecanismo de accin, no obstante se supone que el grupo
fosfonato es absorbido dentro de la superficie del cemento hidratado, tal como hacen
otros retardadores.
61
Muchos compuestos inorgnicos retardan la hidratacin del cemento. Ellos son:
cidos y sales:
cido brico (brax)
cido fosfrico
cido fluorhdrico.
cido crmico
Cloruro de sodio: a una concentracin mayor al 20% BWOW.
XIDOS:
xido de zinc
Oxido de plomo
El xido de zinc es usado en cementacin de pozos para retardar cementos tixotrpicos
porque no afecta la Reologa de la lechada ni la hidratacin del sistema fase aluminato
/yeso.
El efecto de retardacin del zinc es atribuido a la precipitacin de cristales de hidrxido
de zinc dentro de los granos de cemento. El Zn (OH)2 se deposita como un gel coloidal
y tiene una baja permeabilidad. Su efecto termina cuando la gelatina de hidrxido de
zinc se cristaliza en zincato hidrxido de calcio.
El brax es usado comnmente como un "intensific
Tiene la habilidad de extender el rango de temperatura de los lignosulfonatos hasta 690
f, pero su efecto es daino para algunos controladores de filtrado, como los celulsicos
y poli amnicos.
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3.5 DISPERSANTE
Dispersan la lechada para obtener una reologa adecuada
Los compuestos usados como dispersantes son:
1. Sulfonatos
Polimelanina (PMS).
Polinaftaleno (PNS o NSFC).
Poliestireno.
Lignosulfonatos.
2. Polisacridos
Polisacrido Hidroxilado.
3. Qumicos No Polimricos
cidos Hidroxicarboxilicos.
Todas las lechadas de cemento son suspensiones de slidos en agua, cuya
concentracin de partculas slidas puede llegar al 70%. La Reologa de esta
suspensin depende de:
A. La fase liquida.
B. El volumen de la fraccin slida.
C. La interaccin de las partculas entre s.
Como la fase liquida est compuesta de agua con varios iones y partculas orgnicas
disueltas, su Reologa difiere notablemente de la del agua pura, adems la interaccin
de las partculas entre s depende del tamao y distribucin de las mismas.
Los dispersantes, tambin conocidos como "sper plastificantes" o "inductores de
turbulencia" actan sobre las cargas elctricas de las partculas para obtener la
Reologa deseable.
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VISCO PLASTICIDAD DE LAS LECHADAS DE CEMENTO Y MECANISMO DE
DISPERSIN
Cuando el cemento y el agua se mezclan se forma una estructura que evita que la
solucin se mueva si no se aplica un esfuerzo mnimo. Este esfuerzo mnimo se llama
punto de cedencia (ty). Es el resultado de la interaccin electrosttica de las partculas
entre s. A valores por debajo de ty la solucin se comporta como un slido.
A esfuerzos que superan el ty, se comporta como un lquido con una viscosidad plstica
(PV) definida.
Como se puede ver en la lmina de los modelos reolgicos, las curvas experimentales
de Esfuerzo de corte vs. Velocidad de corte son aproximadamente lineales cuando se
A. viscosidad plstica: pendiente de la curva en un punto determinado
B. punto cedente::la interseccin de la curva con el origen (Velocidad de corte = 0)
C. viscosidad aparente: la relacin fuerza de corte/velocidad de corte en un punto
determinado. No es constante.
La plasticidad de un fluido es el resultado de la rotura de la estructura electrosttica bajo
esfuerzo de corte. Cuando el ty es superado, las partculas se desplazan unas
Sobre otras. Estas partculas contienen agua intersticial entrampada, luego, el volumen
aparente de la fase dispersa es mayor que la de los granos de cemento.
El volumen de la fase dispersa es el factor principal que determina la Reologa del
fluido.
Vp = vpo (1 + 2.5 0S) donde: vp = viscosidad
Vpo= viscosidad del lquido. Os= volumen fase dispersa
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La viscosidad del sistema depende solo del volumen de la fase dispersa. As, para
partculas agregadas de cemento ms grandes se corresponden con mayores
viscosidades.
Esa interrupcin de los agregados puede lograrse de dos maneras;
A. Agitando la mezcla
B. Agregando un dispersante
Ambas acciones liberan el agua entrampada disminuyendo el volumen de la fase
dispersa y, como consecuencia, disminuye la viscosidad. La dispersin alcanza un
mnimo cuando toda el agua entrampada es liberada, resultando en la dispersin de
partculas individuales (lmina presente)
3.5.1 ACCIN ELECTROSTTICA DE LOS DISPERSANTES.
Como sabemos, cuando la lechada se mezcla en agua, en los granos de cemento se
forman cargas positivas (+) y negativas (-). Estas cargas interacciones unas con otras
creando una red electrosttica.
Si el porcentaje de slidos es alto, debemos romper esta red para hacer la mezcla
bombeable.
Cuando agregamos ciertos poli aniones a la lechada, ellos son absorbidos por las
cargas positivas (+), suprimiendo as la interaccin entre partculas.
Los grupos silanol o aluminol hidrolizados en la superficie del cemento (si -o +ca+)
originan una carga negativa (-) que puede ser absorbida por un ion de calcio (lamina
presente). La cantidad que se absorbe vara con la concentracin del dispersante. La
mxima dispersin se obtiene cuando todos los granos de cemento estn
negativamente (-) cargados. Esto puede determinarse mediante la medicin de la
potencial z. Una funcin de la carga de la partcula.
Cuando z es mxima, las partculas se rechazan entre s, como resultado se produce
una des floculacin y la lechada se dispersa.
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Es posible producir este rechazo nter granular por otros mtodos no electrostticos. En
estos casos, la contribucin de los procesos termodinmicos (Entropa y entalpa)
puede hacer que las cadenas de polmeros usados como dispersantes inhiban el
contacto estrecho entre los granos de cemento manteniendo la lechada dispersa.
Las lechadas suficientemente dispersadas tienden a un valor ty = b y se comportan
como fluidos newtonianos. El valor del punto cedente (ty) vara inversamente a la
concentracin de dispersante dentro de ciertos lmites.
A concentraciones bajas
