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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.
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
Complejidad del Cemento (cont.)
Tipos de Cementos
Cemento Portland Cementos API Cementos fabricados de bajo peso Mezclas de cementos livianos Sistemas especiales de Cementos
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.
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
Materiales a granelNaturales
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) Molienda
Proceso húmedo
Portland Cement Association, 1969
Proporcionadores de materia prima
Cal
iza
s
Ro
ca
de
ce
men
to
Arc
ills
Hie
rro
Al horno
Primera mezcla
Agregado deagua
Partículas más grandes
Bombas
Sarandas vibratorias
Le
ch
ad
a
Fin
os
Mezclado de la lechada
Bo
mb
as
Primer almacenaje
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 neumáticasF
ino
s
Mez
cla
de
mat
eria
pri
ma
Silos de mezcla enseco y almacenaje
Almacenaje de materialesa granel
Cal
izas
Ro
ca d
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men
to
Arc
illa
s
IHie
rro
Proceso seco
Fabricación del cementoReacciones químicas
100 - 200 °C 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.
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.
Portland Cement Association, 1969
Materiales en secoal horno
Coletor de polvos
Fan
Los materiales mezclados a granel son horneados hasta una fusión parcial a 1500°C
Horno rotativo Clinker
Aire
Combustibles deCarbón, Oil o gas
Clinker
Clinker
Yeso
Los materiales se alamacenan separadamente
El clinker y el yeso son agregados parauna molienda final y almacenaje
Proceso de horneado
Enfriamiento
Cemento PortlandPrincipales 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)
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 delClinker
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 delClinker - cont.
Oxidos de hierro (adicional) con incremento de C4AF
con reducción de C3A
Componentes delClinker - cont.
American Petroleum Institute
WEATHERING
CaOMgO
C3S
C2S
C3A
C4AF
Cemento portland no-hidratado Cristales de los componentes
American Petroleum Institute
Vista microscópica de una sección del clinker del cemento portland
Planta de molienda - materia prima
DustCollectors
Materiales
Clin
ker
Gyp
sum
Portland Cement Association, 1969
Finos
A los transportes a granel (bulk) o plantas de almacenaje
Silos de almacenaje de cemento
Partículas de mayor
tamaño
Separadorde aire
Molino de mezcla
Clasificación de los cementosandy.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 permeability tests using a device known as a Blaine permeameter. Fineness affects the hydration rate (setting) and the requirements for the amounts of water, retarder and dispersant.
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 permeability tests using a device known as a Blaine permeameter. Fineness affects the hydration rate (setting) and the requirements for the amounts of water, retarder and dispersant.
Resist. Tipo Tipo MgO SO3 C3A FinezaSulfatos 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
Clase A
Especificación normal del API 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 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 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 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 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 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
Especificación normal del API 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
Clase H
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
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
Cementos de baja Densidad “Light Weight Cements” - (cont.)
Multi-Dense
Descripción 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
Efectos secundarios 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
Multi-Dense - Cont.
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