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CEMENTOS PARA LA INDUSTRIA PETROLERA. Historia del Cemento Portland l Joseph Aspdin, inglés, en 1824 patentó el producto llamado cemento portland debido.

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1 CEMENTOS PARA LA INDUSTRIA PETROLERA

2 Historia del Cemento Portland l Joseph Aspdin, inglés, en 1824 patentó el producto llamado cemento portland debido a que con esos materiales (principalmente tierra calcárea) producía un concreto para unir piedras, que había descubierto en la Isla de Portland frente a Inglaterra.

3 Complejidad del Cemento l Las reacciones químicas de fragüe del cemento portland son muy complejas ØComienzan en los primeros segundos que el agua toma contacto con las partículas secas de cemento ØInvestigaciones realizadas por BJ revelan por lo menos 22 reacciones químicas separadas que ocurren simultáneamente mientras el cemento fragua.

4 l El cemento, desafortunadamente, también posee la cualidad de resultar diferente cada vez que se lo trata en tiempos distintos. ØCada batch de cemento debe ser ensayado nuevamente cuando los ensayos duran un tiempo tan corto como un mes ØCada partida de cemento es diferente de la anterior, aunque venga de la misma planta de fabricación o que haya sido fabricado con los mismos materiales. Complejidad del Cemento (cont.)

5 l Ya sea un cemento API o no, Clase G o Clase H (por ejemplo), depende dónde ha sido fabricado ØPequeñas diferencias en la materia prima pueden producir diferentes propiedades del producto final en las distintas Clases ØLos cementos Clases G y H se utilizan para realizar los mismos trabajos, pero en áreas geográficas diferentes ØLos cementos Clases G y H son básicamente iguales, pero los ensayos de laboratorio difieren uno de otro Complejidad del Cemento (cont.)

6 Tipos de Cementos l Cemento Portland l Cementos API l Cementos fabricados de bajo peso l Mezclas de cementos livianos l Sistemas especiales de Cementos

7 l Principal objetivo ØProvee un sello hidráulico entre el casing y la formación para aislación de zonas ØSoportar el casing andy.jordan: Why is it called "portland" cement? Joseph Aspdin, an English mason who patented the product in 1824, named it portland cement because it produced a concrete that resembled the color of the natural limestone quarried on the Isle of Portland, a peninsula in the English Channel. andy.jordan: Why is it called "portland" cement? Joseph Aspdin, an English mason who patented the product in 1824, named it portland cement because it produced a concrete that resembled the color of the natural limestone quarried on the Isle of Portland, a peninsula in the English Channel. Cemento Portland

8 Materiales a granel Naturales l Calcáreos ØCalizas ®Sedimentarias ®Metamórficas ØRoca de cemento ØSedimentos marinos (conchas, corales) l Arcillosos Ø Arcillas ØLutitas ØPizarras ØPiedra de barros

9 Proceso de fabricación - Tipos l Proceso seco ØEconómico ØEficiente l Proceso húmedo ØSe puede repetir ØMejor calidad

10 Proceso de fabricación Procedimientos l Proporcionamiento de materia prima. l Molienda l Calentamiento en horno rotativo (1500°C) l Obtención del clinker l Agregado de yeso (sulfato de calcio) l Molienda

11 Proceso húmedo

12 Portland Cement Association 1969 Colectores de polvo Al horno Proporcionador de materia prima A los separadores de aire Aire caliente Molienda Partículas de mayor tamaño A bombas neumáticas Finos Mezcla de materia prima Silos de mezcla en seco y almacenaje Almacenaje de materiales a granel Calizas Roca de cemento Arcillas IHierro Proceso seco

13 Fabricación del cemento Reacciones químicas l °C ØEvaporación de agua l °C ØDeshidratación de arcillas l °C ØDecarbonización de las calizas l °C ØReacciones exotérmicas l °C ØSinterización andy.jordan: Quicklime or calcium oxide (CaO) is produced by the decarbonation of limestone which is achieved by heating limestone in a kiln to at least its dissociation temperature of ~1000°C, making lime also one of the most energy intensive of all chemicals. At its dissociation temperature, calcium carbonate dissociates into quicklime and carbon dioxide (CO2 gas). Quicklime can be further hydrated to form hydrated lime or calcium hydroxide [Ca(OH)2]. v. sin·tered, sin·ter·ing, sin·ters v. tr. To cause (metallic powder, for example) to form a coherent mass by heating without melting. andy.jordan: Quicklime or calcium oxide (CaO) is produced by the decarbonation of limestone which is achieved by heating limestone in a kiln to at least its dissociation temperature of ~1000°C, making lime also one of the most energy intensive of all chemicals. At its dissociation temperature, calcium carbonate dissociates into quicklime and carbon dioxide (CO2 gas). Quicklime can be further hydrated to form hydrated lime or calcium hydroxide [Ca(OH)2]. v. sin·tered, sin·ter·ing, sin·ters v. tr. To cause (metallic powder, for example) to form a coherent mass by heating without melting.

14 Portland Cement Association, 1969 Materiales en seco al horno Coletor de polvos Fan Los materiales mezclados a granel son horneados hasta una fusión parcial a 1500°C Horno rotativo Clinker Aire Combustibles de Carbón, Oil o gas Clinker Yeso Los materiales se alamacenan separadamente El clinker y el yeso son agregados para una molienda final y almacenaje Proceso de horneado Enfriamiento

15 Cemento Portland Principales componentes Los cementos API son cementos portland, que es un tipo de cemento. Los cementos portland también son llamados cementos hidráulicos porque fraguan bajo agua. ØC 3 SSilicato tricálcico ØC 2 SSilicato dicálcico ØC 3 AAluminato tricálcico ØC 4 AFFerroaluminato tetracálcico ØOxidos de hierro (adicional)

16 l C 3 SSilicato tricálcico Øes el mayor componente del cemento portland (50%) Øcontribuye al fragüe y rápido desarrollo de resistencia l C 2 SSilicato dicálcico Ø % del clinker Øhidratación más lenta que el C 3 S Øcontribuye a leve resistencia a largo tiempo Componentes del Clinker

17 l C 3 AAluminato tricálcico Øgeneralmente 0 - 8% Øregula la resistencia al ataque de los sulfatos Øpromueve la hidratación rápida Øcontrola el tiempo de fragüe, reología y resistencia temprana del cemento ØSi está presente en < 3% se considera un cemento de alta resistencia a los sulfatos l C 4 AFFerroaluminato tetracálcico Øestá en la fase intersticial, baja reactividad Øpromueve el bajo calor de hidratación Componentes del Clinker - cont.

18 l Oxidos de hierro (adicional) Øcon incremento de C 4 AF Øcon reducción de C 3 A Componentes del Clinker - cont.

19 Cemento portland no-hidratado Cristales de los componentes American Petroleum Institute

20 Vista microscópica de una sección del clinker del cemento portland

21 Planta de molienda - materia prima Dust Collectors Materiales Clinker Gypsum Portland Cement Association, 1969 Finos A los transportes a granel (bulk) o plantas de almacenaje Silos de almacenaje de cemento Partículas de mayor tamaño Separador de aire Molino de mezcla

22 Clasificación de los cementos andy.jord an: Blaine fineness 1. n. [Drilling Fluids] ID: The particle size or fineness of a cement in cm 2 /g or m 2 /kg, usually determined from air permeabilit y tests using a device known as a Blaine permeamete r. Fineness affects the hydration rate (setting) and the requirement s for the amounts of water, retarder and dispersant.cement permeabilit y permeamete r hydration retarder dispersant andy.jord an: Blaine fineness 1. n. [Drilling Fluids] ID: The particle size or fineness of a cement in cm 2 /g or m 2 /kg, usually determined from air permeabilit y tests using a device known as a Blaine permeamete r. Fineness affects the hydration rate (setting) and the requirement s for the amounts of water, retarder and dispersant.cement permeabilit y permeamete r hydration retarder dispersant Resist. Tipo Tipo MgO SO3 C3A Fineza Sulfatos API ASTM % % % O A I N/A 1600 C III MSR B II G II H II HSR B N/A C N/A G N/A H N/A

23 Cementos Portland l API Clase A - Similar al ASTM Type I l API Clase B - Similar al ASTM Type II l API Clase C - Similar al ASTM Type III l API Clase G - Similar al ASTM Type IV l API Clase H - Similar al ASTM Type IV l Cemento Ultra Fino

24 Clase A Especificación normal del API ØDensidad15.7 ppg ØAgua de mezcla, 46%5.19 gal/sk ØRendimiento1.17 ft 3 /sk Aplicaciones ØPara casing de superficie y pozos poco profundos ØDiseñado para aplicarse hasta 6000 ft. ØSimilar al ASTME 150, Tipo I (Construcción)

25 ASTM Tipo I l Información general ØCemento para la construcción ASTM ØSimilar al API Clase A l Rangos de densidades Ø15.2 a 15.6 ppg l Aplicaciones ØPara casing de superficie y pozos poco profundos (shallow) ØDiseñado para usar hasta 6,000 ft, pero con precauciones ØReemplazo económico del API Clase A ØAlta contenido de C3A (OSR) ØNo está en la lista de control de calidad del API

26 Clase B l Especificaciones API ØDensidad15.7 ppg ØAgua de mezcla46%, 5.19 gal/sk ØRendimiento1.17 cf/sk l Otra información ØUsado para cementación de casing de superficie (guía) o pozos poco profundos ØDesarrollado para ser usado hasta 6,000 ft con precaución ØSimilar al ASTME 150, Type II (construcción) ØDe moderada a alta resistencia a los sulfatos

27 Clase C Especificación normal del API ØDensidad14.8 ppg ØAgua de mezcla, 56%6.3 gal/sk ØRendimiento 1.32 ft 3 /sk Aplicaciones ØPara casing de superficie y pozos poco profundos ØOrdinaria y alta resistencia a los sulfatos ØDiseñado para ser aplicado hasta 6000 ft. ØSimilar al ASTME 150, Tipo III para la construcción

28 ASTM - Tipo III l Información general ØCemento ASTM para la construcción ØSimilar al API Clase C l Rangos de densidades Ø14.4 a 14.8 ppg l Aplicaciones ØPara casing de superficie o pozos poco profundos ØPara ser aplicado hasta 6,000 ft, con precaución ØReemplazo económico del API Clase C ØAlto contenido de C3A (OSR) ØNo está chequeado en calidad por el API

29 Clase G Especificación normal del API ØDensidad15.8 ppg ØAgua de mezcla, 44%4.96 gal/sk ØRendimiento1.14 ft 3 /sk Aplicaciones ØCemento multipropósito ØDe mayor fineza que el Clase H ØDiseñado para ser usado en todas las profundidades con aditivos ØEs la clase de cemento más utilizada en el mundo

30 Especificación normal del API ØDensidad16.5 ppg ØAgua de mezcla, 38%4.28 gal/sk ØRendimiento1.05 ft 3 /sk Otra información ØCemento multipropósito ØUsualmente mezclado a 15.6 o 15.7 ppg ØDiseñado para todas las profundidades con aditivos ØDensidad mínima sin aditivos ppg Clase H

31 CEMENTOS ESPECIALES & MEZCLAS DE CEMENTOS

32 Sistemas de Cemento Ultrafino l Un cemento de partículas muy finas, de propiedades únicas en rápido desarrollo de la resistencia y baja densidad l Puede ayudar a sellar zonas en las cementaciones squeeze en áreas con problemas tales como: zonas ladronas, zonas de agua, zonas de gas, para pérdidas o roturas de casing y en gravel packs l Baja permeabilidad, desarrolla temprana (rápida) resistencia a la compresión

33 Cementos de baja Densidad Light Weight Cements l Los cementos manufacturas de baja densidad se fabrican de igual forma que los cementos API, con una importante excepción: ØEn algún punto del proceso de fabricación se agrega un material en granos de baja densidad a la mezcla de materia prima ØEsto produce un cemento del tipo portland con una gravedad específica de 2.8 comparado con los cementos API que tienen una gravedad específica de 3.14

34 l Características físicas ØEstables a altas temperaturas ®Hasta F sin el agregado de sílice ØRangos de densidades de 11.5 a 13.7 ØNo se necesitan extendedores, sólo mezclarlo con agua para la densidad deseada ØBuenas propiedades de lechadas ØExcelente resistencia a la compresión ØResistentes a los sulfatos ØCompatibles con los aditivos para cementos API Cementos de baja Densidad Light Weight Cements - (cont.)

35 Multi-Dense l Descripción ØFabricado con Lite Wate más un cemento API (usualmente A o H), mezclados a granel en el saco de cemento ØRelaciones más comunes 1:1, 1:2 or 2:1 l Aplicaciones (Efectos primarios de la lechada) ØAmplio rango de densidades a 15.0 ppg ØExcelentes propiedades de resistencia a la compresión

36 l Efectos secundarios ØMuy compatible con todos los aditivos para cementos ØLechadas de fácil mezclado l Notas especiales ØLas relaciones siempre están escritas de la siguiente forma: TLW:Cemento Portland ØPueden modificarse para cubrir todas las condiciones de pozo Multi-Dense - Cont.

37 Cold Set l Descripción ØMezclas con cemento Clase G, Yeso y Cloruro de calcio ØTres sistemas: ®Cold Set I a 15.3 ppg ®Cold Set II a ppg ®Cold Set III a 12.2 ppg

38 Lechadas BFS (Blast Furnace Slag) l Un sub-producto no metálico obtenido de los hornos en el proceso de fabricación de acero, utilizado para convertir el lodo de perforación en un cemento ØCon propiedades de adherencia y resistencia a la compresión excelentes ØNo es aplicable en todos los pozos. Es una alternativa valiosa para minimizar los costos de perforación, agua y cementaciones en algunas áreas. ØNo se requiere mezclado en seco, las lechadas slag- mud se mezclan y bombean utilizando los equipos estándares. ØAlta resistencia a los sulfatos y aguas corrosivas.

39 Slagment l Una mezcla de BFS y cemento ASTM Tipo I l Usado en áreas donde se disponen fuentes de BFS económicas l Provee una alternativa al cemento portland donde la calidad del cemento portland es un problema l Puede utilizarse en lugar de los cementos API Clases G o H. l Se disponen lechadas con propiedades similares a las obtenidas con un cemento portland

40 Foamed Cement l Puede formularse y utilizarse donde se requiere una adecuada resistencia a la compresión con lechadas de cemento de baja densidad ØUsado en cementaciones a través de zonas débiles donde no se obtienen lechadas extendidas (livianas) de determinada densidad y resistencia a la compresión ØPara minimizar la pérdida de lechadas en casos donde se ha presentado una pérdida de circulación previamente ØLa estabilidad de espuma de lechada se logra adicionando un surfactante o un estabilizador de espuma


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