CEMENTOS PARA LA INDUSTRIA PETROLERA

Historia del Cemento Portland 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.

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

Complejidad del Cemento (cont.) El cemento, desafortunadamente, también posee la cualidad de resultar diferente cada vez que se lo trata en tiempos distintos. Cada batch de cemento debe ser ensayado nuevamente cuando los ensayos duran un tiempo tan corto como un mes Cada 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.) Ya sea un cemento API o no, Clase G o Clase H (por ejemplo), depende dónde ha sido fabricado Pequeñas diferencias en la materia prima pueden producir diferentes propiedades del producto final en las distintas Clases Los cementos Clases G y H se utilizan para realizar los mismos trabajos, pero en áreas geográficas diferentes Los cementos Clases G y H son básicamente iguales, pero los ensayos de laboratorio difieren uno de otro

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

Cemento Portland Principal objetivo Provee un sello hidráulico entre el casing y la formación para aislación de zonas Soportar 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.

Materiales a granel Naturales Calcáreos Calizas Sedimentarias Metamórficas Roca de cemento Sedimentos marinos (conchas, corales) Arcillosos Arcillas Lutitas Pizarras Piedra de barros

Proceso de fabricación - Tipos Proceso seco Económico Eficiente Proceso húmedo Se puede repetir Mejor calidad

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

Proceso húmedo Agregado de agua Proporcionadores de materia prima Portland Cement Association, 1969 Proporcionadores de materia prima Calizas Roca de cemento Arcills Hierro Al horno Primera mezcla Agregado de agua Partículas más grandes Bombas Sarandas vibratorias Lechada Finos Mezclado de la lechada Primer almacenaje

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

Fabricación del cemento Reacciones químicas Evaporación de agua 400 - 600 °C Deshidratación de arcillas 800 - 1000 °C Decarbonización de las calizas 1100 - 1300 °C Reacciones exotérmicas 1300 - 1500 °C Sinterización 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.

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

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. C3S Silicato tricálcico C2S Silicato dicálcico C3A Aluminato tricálcico C4AF Ferroaluminato tetracálcico Oxidos de hierro (adicional)

Componentes del Clinker C3S Silicato tricálcico es el mayor componente del cemento portland (50%) contribuye al fragüe y rápido desarrollo de resistencia C2S Silicato dicálcico 20 - 25% del clinker hidratación más lenta que el C3S contribuye a leve resistencia a largo tiempo

Componentes del Clinker - cont. C3A Aluminato tricálcico generalmente 0 - 8% regula la resistencia al ataque de los sulfatos promueve la hidratación rápida controla el tiempo de fragüe, reología y resistencia temprana del cemento Si está presente en < 3% se considera un cemento de alta resistencia a los sulfatos C4AF Ferroaluminato tetracálcico está en la fase intersticial, baja reactividad promueve el bajo calor de hidratación

Componentes del Clinker - cont. Oxidos de hierro (adicional) con incremento de C4AF con reducción de C3A

Cemento portland no-hidratado Cristales de los componentes American Petroleum Institute WEATHERING CaO MgO C3S C2S C3A C4AF American Petroleum Institute

Vista microscópica de una sección del clinker del cemento portland

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

Clasificación de los cementos andy.jordan: Blaine fineness 1. n. [Drilling Fluids] ID: 11093 The particle size or fineness of a cement in cm2/g or m2/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. Resist. Tipo Tipo MgO SO3 C3A Fineza Sulfatos API ASTM % % % O A I 6.0 3.0 N/A 1600 C III 6.0 4.5 15.0 2200 MSR B II 6.0 3.0 8.0 1600 G II 6.0 3.0 8.0 1800 H II 6.0 3.0 8.0 1600 HSR B N/A 6.0 3.0 3.0 1600 C N/A 6.0 3.0 3.0 2200 G N/A 6.0 3.0 3.0 1800 H N/A 6.0 3.0 3.0 1600

Cementos Portland API Clase A - Similar al ASTM Type I API Clase B - Similar al ASTM Type II API Clase C - Similar al ASTM Type III API Clase G - Similar al ASTM Type IV API Clase H - Similar al ASTM Type IV Cemento Ultra Fino Technically Ultrafine is not an API cement, though it may be made from API cements. Also, it may only be used in some international locations due to competitor patent issues in the U.S. Also, if asked, API class “D” and “J” cements are no longer available.

Clase A Especificación normal del API Aplicaciones Densidad 15.7 ppg Agua de mezcla, 46% 5.19 gal/sk Rendimiento 1.17 ft3/sk Aplicaciones Para casing de superficie y pozos poco profundos Diseñado para aplicarse hasta 6000 ft. Similar al ASTME 150, Tipo I (Construcción)

ASTM Tipo I Información general Rangos de densidades Aplicaciones Cemento para la construcción ASTM Similar al API Clase A Rangos de densidades 15.2 a 15.6 ppg Aplicaciones Para casing de superficie y pozos poco profundos (shallow) Diseñado para usar hasta 6,000 ft, pero con precauciones Reemplazo económico del API Clase A Alta contenido de C3A (OSR) No está en la lista de control de calidad del API

Clase B Especificaciones API Otra información Densidad 15.7 ppg Agua de mezcla 46%, 5.19 gal/sk Rendimiento 1.17 cf/sk Otra información Usado para cementación de casing de superficie (guía) o pozos poco profundos Desarrollado para ser usado hasta 6,000 ft con precaución Similar al ASTME 150, Type II (construcción) De moderada a alta resistencia a los sulfatos

Clase C Especificación normal del API Aplicaciones Densidad 14.8 ppg Agua de mezcla, 56% 6.3 gal/sk Rendimiento 1.32 ft3/sk Aplicaciones Para casing de superficie y pozos poco profundos Ordinaria y alta resistencia a los sulfatos Diseñado para ser aplicado hasta 6000 ft. Similar al ASTME 150, Tipo III para la construcción

ASTM - Tipo III Información general Rangos de densidades Aplicaciones Cemento ASTM para la construcción Similar al API Clase C Rangos de densidades 14.4 a 14.8 ppg Aplicaciones Para casing de superficie o pozos poco profundos Para ser aplicado hasta 6,000 ft, con precaución Reemplazo económico del API Clase C Alto contenido de C3A (OSR) No está chequeado en calidad por el API

Clase G Especificación normal del API Aplicaciones Densidad 15.8 ppg Agua de mezcla, 44% 4.96 gal/sk Rendimiento 1.14 ft3/sk Aplicaciones Cemento multipropósito De mayor fineza que el Clase H Diseñado para ser usado en todas las profundidades con aditivos Es la clase de cemento más utilizada en el mundo

Clase H Especificación normal del API Otra información Densidad 16.5 ppg Agua de mezcla, 38% 4.28 gal/sk Rendimiento 1.05 ft3/sk Otra información Cemento multipropósito Usualmente mezclado a 15.6 o 15.7 ppg Diseñado para todas las profundidades con aditivos Densidad mínima sin aditivos - 15.5 ppg

CEMENTOS ESPECIALES & MEZCLAS DE CEMENTOS

Sistemas de Cemento Ultrafino Un cemento de partículas muy finas, de propiedades únicas en rápido desarrollo de la resistencia y baja densidad 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 Baja permeabilidad, desarrolla temprana (rápida) resistencia a la compresión

Cementos de baja Densidad “Light Weight Cements” Los cementos manufacturas de baja densidad se fabrican de igual forma que los cementos API, con una importante excepción: En algún punto del proceso de fabricación se agrega un material en granos de baja densidad a la mezcla de materia prima Esto 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

Cementos de baja Densidad “Light Weight Cements” - (cont.) Características físicas Estables a altas temperaturas Hasta 3500 F sin el agregado de sílice Rangos de densidades de 11.5 a 13.7 No se necesitan extendedores, sólo mezclarlo con agua para la densidad deseada Buenas propiedades de lechadas Excelente resistencia a la compresión Resistentes a los sulfatos Compatibles con los aditivos para cementos API

Multi-Dense Descripción Aplicaciones (Efectos primarios de la lechada) Fabricado con Lite Wate más un cemento API (usualmente A o H), mezclados a granel en el saco de cemento Relaciones más comunes 1:1, 1:2 or 2:1 Aplicaciones (Efectos primarios de la lechada) Amplio rango de densidades - - 12.7 a 15.0 ppg Excelentes propiedades de resistencia a la compresión

Multi-Dense - Cont. Efectos secundarios Notas especiales Muy compatible con todos los aditivos para cementos Lechadas de fácil mezclado Notas especiales Las relaciones siempre están escritas de la siguiente forma: “TLW:Cemento Portland” Pueden modificarse para cubrir todas las condiciones de pozo

Cold Set Descripción Mezclas con cemento Clase G, Yeso y Cloruro de calcio Tres sistemas: Cold Set I a 15.3 ppg Cold Set II a 14.95 ppg Cold Set III a 12.2 ppg

Lechadas BFS (Blast Furnace Slag) 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 Con propiedades de adherencia y resistencia a la compresión excelentes No es aplicable en todos los pozos. Es una alternativa valiosa para minimizar los costos de perforación, agua y cementaciones en algunas áreas. No se requiere mezclado en seco, las lechadas slag-mud se mezclan y bombean utilizando los equipos estándares. Alta resistencia a los sulfatos y aguas corrosivas.

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

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