INGENIERIA DE CEMENTACION PETROLERA - · PDF filea que las condiciones de los pozos difieren significativamente entre sí al variar su profundidad, temperatura, ubicación geográfica;

INGENIERIA DE CEMENTACION PETROLERA
MODULO 1: CEMENTOS PETROLEROS CARACTERISTICAS Y ANALISIS Unidad 1: Los
cementos Petroleros y sus Propiedades 1
1. Definicin de Cemento
Se denomina cemento a un conglomerante hidrulico que, mezclado con agregados ptreos
(rido grueso o grava, ms rido fino o arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y
plstica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia ptrea,
denominado hormign o concreto.
1.1. Cemento Portland
Es una mezcla compleja de caliza (u otros materiales con alto contenido de carbonato de
calcio), slice, hierro y arcilla, molidos y calcinados, que fragua y se endurece al
reaccionar con el agua. Los componentes que forman el cemento son xidos superiores
de oxidacin lenta. Esto significa que terminan su grado de oxidacin al estar en
contacto con el aire al enfriarse.
El cemento Portland es, adems, el ejemplo tpico de un cemento hidrulico; fragua y
desarrolla resistencias a la compresin como resultado de la hidratacin, la cual
involucra reacciones qumicas entre el agua y los componentes presentes en el cemento.
De todos los cementos, el Portland es el ms importante en cuanto a trminos de
calidad, desarrollo de resistencia a la compresin, tensin y a los sulfatos; por lo cual es
el material idneo para las operaciones de cementacin de pozos petroleros.
Cabe mencionar que algunos cementos Portland se fabrican de manera especial debido
a que las condiciones de los pozos difieren significativamente entre s al variar su
profundidad, temperatura, ubicacin geogrfica; etc. El fraguado y endurecimiento se
presenta si el cemento se coloca en agua.
El cemento fraguado tiene baja permeabilidad y es insoluble en agua, de tal forma que
expuesto a sta no se destruyen sus propiedades. Tales atributos son esenciales para
que un cemento obtenga y mantenga el aislamiento entre las zonas del subsuelo.
2. Principales compuestos del cemento y sus funciones
Las reacciones de carbonatos y arcillas producidas por la manufactura del cemento Portland,
conduce a la formacin de 4 principales productos, que incluyen cuatro distintas fases
cristalinas:
SILICATO TRICLCICO (3CaO.SiO2)
Habitualmente conocido como C3S, es el componente ms abundante en la mayora
de los cementos y, adems, el factor principal para producir la resistencia temprana o

inmediata (1 a 28 das) Reacciona rpido con el agua, liberando calor y formando
silicato de calcio hidratado (CSH).
Generalmente, los cementos de alta consistencia inmediata contienen en mayor
concentracin este compuesto.
SILICATO DICLCICO (2CaO.SiO2)
Conocido como C2S, es un compuesto de hidratacin lenta para formar el mismo tipo
de compuestos que el C3S (CSH), que proporciona una ganancia gradual de
resistencia; esto ocurre en un perodo largo: despus de 28 das.
ALUMMINATO TRICLCICO (3CaO.AL2O3)
Se lo conoce tambin como C3A y tiene influencia en el tiempo de bombeabilidad de
la lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ataque qumico de los sulfatos
sobre los cementos. Esta susceptibilidad se clasifica en moderada y alta resistencia al
ataque qumico, cuando contienen este compuesto en un 8% y 3% respectivamente.
Reacciona muy rpido y libera mucho calor al hidratarse. Contribuye a resistencia a
muy temprana edad, pero poco a la resistencia final.
Los cementos resistentes a sulfatos deben limitar el contenido de este compuesto, lo
que se logra aadiendo xido frrico transformndolo en C4AF.
ALUMINO FERRITA TETRACLCICO (4CaO.Al2O3.Fe2O3)
Tambin conocido como C4AF, reacciona rpido con el agua pero no produce mucho
calor de hidratacin y resistencia a la compresin; influye en la reologa del cemento,
formacin de geles, y durabilidad.
3. Hidratacin del cemento
La hidratacin del cemento es un proceso exotrmico y cada uno de los componentes
tiene un caracterstico calor de hidratacin que contribuye al total de calor de hidratacin
liberado. Generalmente la cantidad de calor de hidratacin depende de las cantidades
relativas de cado uno de los contribuyentes del cemento. Un cemento con alta proporcin
de fase de aluminato y ferrita genera una gran cantidad de calor de hidratacin. El calor de
hidratacin que se produce en un cemento normal es del orden de 85 a 100 cal/g.

Tabla. 3.1. Caractersticas de hidratacin de los compuestos del cemento
Componente Velocidad de redaccin
Calor liberado Contribucin a la resistencia
C3S Moderada Moderada Alta
C2S Lenta Baja Inicialmente baja, posteriormente alta C3A+C3H2 Rpida Muy alta Baja C4AF+C3H2 Moderada Moderada Baja
3.1. Hidratacin fase del Clinker
Los compuestos presentes en el cemento son anhdridos, cuando lo ponemos en contacto con el agua, ellos se unen o descomponen formando compuestos hidratados. Se forman soluciones sper saturadas, inestables, depositndose gradualmente los exceso de solidos
Los principales compuestos del cemento (C3S, C2S, C3A, C4AF) presentan diferentes productos de hidratacin
Hidratacin de las fases de silicato
Los silicatos en el cemento son los ms abundantes, cerca del 80%. El C3S es el principal constituyente con una concentracin del 70% y el C2S no excede el 20%
Reaccin qumica para el C3S
2C3S + 6H2O = C3S2H3 + 3Ca (OH) 2
C2S2H3; Silicato de clcico hidratado (Torbermorita)
3Ca (OH) 2; Hidrxido de calcio
Reaccin qumica para el C2S
2C2S + 4H2O = C3S2H3 + Ca (OH) 2
Hidratacin de las fases del Aluminato
El C3A, es ms reactivo en tiempo de hidratacin corto. Sin embargo su abundancia considerablemente menor que los silicatos, tienen una significativa influencia sobre la reologa de las lechadas de cementos y en el desarrollo de la resistencia temprana
La primera etapa de hidratacin del C3A es igual al del C3S, es una reaccin interfacial entre la superficie del anhidro slido y el agua, la solucin rpidamente empieza a sper saturarse respecto a algunos aluminatos de calcio hidratados, precediendo a su precipitacin.

El aluminato de calcio hidratado es manejable y aparece como cristales hexagonales. Ellos eventualmente se convierte en una forma cubica ms estable, esta reaccin ocurre dentro de varios das
El calcio y los iones de sulfato sueltos reaccionan con el aluminato y los iones de hidrxido sueltos por el C3S para formar trisulfoaluminato hidratado conocido como Estrigita
Reaccin qumica para el 3C3A
C3A + H2O = Fraguado relmpago
2C3S + 26H2O + 3CS = C6AS3H32 (Estrigita)
C3A + 10H2O + CS = C4AS H12 (Forma meta estable)
C3A + 6H2O = C3AH6 (Aluminato triclcico)
La Estrigita aparece como cristales en forma de agujas que se precipitan en la superficie del C3A. De manera diferente al silicato de calcio hidratado, el aluminato de calcio hidratado no es amorfo, y no forma una capa protectora en la superficie del C3A
Tiempo de hidratacin de las fases puras

3.2. Hidratacin del cemento, sistema multicomponentes
La hidratacin del cemento es una secuencia de reacciones qumicas entre los componentes del Clinker, sulfato de calcio y el agua. Aunque la hidratacin del C3S es a menudo usada como un modelo de la hidratacin del cemento
Desde el punto de vista qumico la hidratacin del cemento es un complejo proceso de disolucin / precipitacin. Las varias reacciones de hidratacin se dan simultneamente a diferentes velocidades. Cada una de las fases es influenciada por presencia de otras. Por ejemplo la hidratacin del C3A es modificada por presencia del C3S hidratado por que la produccin del hidrxido de calcio refuerza la accin retardante del yeso
El sulfato de calcio CaSO4, y los xidos de magnesio Mg O, sodio Na2O, potasio K2O y otros xidos e impurezas pueden estar presentes en cantidades variables dependiendo de los materiales crudos los cuales alteran su reactividad
Secuencia de la reaccin
Etapa Reaccin qumica Cintica Propiedades de la lechada
Pre induccin Humedecimiento de la superficie: disolucin de los iones,
produccin de productos tempranos de la hidratacin Rpida
Determina la capacidad del mezclado
Periodo de induccin
Continua la disolucin de los iones Muy lenta Determina el tiempo de fraguado
Aceleracin Disolucin de los iones: formacin de productos de
hidratacin Rpida
Determina las propiedades de fraguado y la resistencia a la
compresin inicial
Desaceleracin Continua formacin de productos de hidratacin Lenta Determina el desarrollo de la
resistencia a la compresin inicial Periodo de
difusin Continua formacin de productos de hidratacin Muy lenta
Determina el tiempo de de

Documents

INGENIERIA DE CEMENTACION PETROLERA - · PDF filea que las condiciones de los pozos difieren significativamente entre sí al variar su profundidad, temperatura, ubicación geográfica;