Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por ...bdigital.unal.edu.co/63932/1/573966.2018.pdf · utilizar la nanotecnología como alternativa en procesos de perforación de

Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos

de cementación de pozos petrolíferos

Carlos Andrés Romero Villacis

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Minas, Escuela de Procesos y Energía

Medellín, Colombia

2018

Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos

de cementación de pozos petrolíferos

Carlos Andrés Romero Villacís

Tesis de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título de:

Magíster en Ingeniería - Ingeniería de Petróleos

Director: Ph.D., M.Sc., Ingeniero de Petróleos, Sergio H. Lopera

Línea de Investigación:

Perforación

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Minas, Escuela de Procesos y Energía

Medellín, Colombia

2018

“Este trabajo de investigación lo dedico a Dios

por darme el regalo de la vida, a mis padres

por todo ese cariño y apoyo incondicional,

gracias a ustedes soy una persona de bien”

Agradecimientos

A Dios.

A mi familia por todo su apoyo en este proceso académico.

Al ingeniero Sergio Lopera director de tesis y amigo por todos sus consejos, su tiempo y

apoyo académico.

A los ingenieros Farid Cortez y Camilo Franco por toda esa motivación, criterio y paciencia,

ha sido un privilegio tenerles como docentes.

Un agradecimiento especial a la Facultad de minas de la Universidad Nacional de

Colombia, a la empresa CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited (CCDC)

por darme la oportunidad de demostrar mis conocimientos y al personal de ingeniería, por

brindarme el soporte necesario para realizar este proyecto de investigación.

Resumen y Abstract XI

Resumen

Analizar las pérdidas por filtrado en los procesos de cementación de pozos es de

vital importancia, debido a que es un factor que puede generar problemas

operacionales en la perforación, ocasionando un fraguado prematuro de la lechada

de cemento, una deshidratación de la lechada de cemento frente a zonas

permeables y un cambio en la composición química de la lechada. El volumen de

filtrado es compuesto básicamente por carbonato de calcio y sulfato de calcio los

cuales ocasionan daños en la formación, debido a que la composición química

produce una reacción por el cambio del pH con los fluidos del yacimiento,

provocando la formación de emulsiones las cuales taponan las gargantas porales,

alteran la permeabilidad en la cara del pozo y obstruyen la movilidad del

hidrocarburo. Por lo tanto el objetivo principal de esta tesis es evaluar el efecto de

las nanopartículas de sílice en la fase acuosa, como controlador de las pérdidas

por filtrado ocasionadas por la deshidratación prematura de la lechada de cemento

frente a zonas altamente permeables. Este proyecto de investigación evalúo los

efectos producidos por las nanopartículas de sílice en un sistema cementante

como el efecto de relleno o filler y el comportamiento de la nanopartículas como

centro de nucleación en el proceso de hidratación del cemento. Para comprobar la

eficacia de las nanopartículas de sílice como aditivo especial, se realizó pruebas

de laboratorio, utilizando las normas API RP 10A y API RP 10B las cuales

recomiendan las buenas prácticas en procesos de cementación, dando como

resultado de la prueba del filtroprensa de alta presión una disminución de volumen

de filtrado con respecto a la lechada base. Por último se realizó una prueba a

condiciones de reservorio la cual corroboro los resultados de las pruebas estáticas

mostrando también un comportamiento de tendencia del filtrado con respecto al

tiempo. Deduciendo así que las nanopartículas de sílice ocupadas como aditivo

especial reducen el volumen de pérdida por filtrado ocasionado en un proceso de

cementación.

Palabras clave: Nanopartícula, Perdidas por filtrado, normativas API, lechada de

cemento.

XII Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de

cementación de pozos petrolíferos

Abstract

To analyze the filter losses into cementation process of the wells is very important, due to

be a factor that can generate operational issues in drilling activities, causing a premature

setting of the cement slurry. The filtrate volume is composed basically by calcium

carbonate and calcium sulfate which causes formation damage due to the chemical

composition produces a reaction by the pH with the fluid’s reservoir creating a formation of

emulsions which plugs the poral throats, altering the permeability in the face of the well and

obstruct the mobility of the hydrocarbon therefore, the main objective of this project is to

evaluate the effect of silica nanoparticles in aqueous phase, as a controller of the losses

by filtering caused by the premature dehydration of the cement slurry in front of highly

permeable zones. This research project evaluates the effects produced by silica

nanoparticles in a cementing system such as a filler effect and the behavior of nanoparticles

as a nucleation center in the cement hydration process. To verify the effectiveness of silica

nanoparticles as a special additive, laboratory tests were carried out, using API RP 10A

and API RP 10B normativity, which recommend good practices in cementing processes.

Resulting in a high-pressure filter test a decreasing of filtrate volume respect to the base

slurry. Finally a test was carried out at reservoir conditions which corroborated the results

of the static tests showing also a filtrate trend with respect to time. Deducing that the

nanoparticles of silica occupied as a special additive reduce the volume of loss filtering

caused in a cementing process.

Key Words: Nanoparticle, filtrate losses, Normative API, cement slurry.

Contenido XIII

Contenido

Resumen ........................................................................................................................ XI

Abstract......................................................................................................................... XII

Lista de figuras ............................................................................................................. XV

Lista de tablas ............................................................................................................. XVI

Lista de Símbolos y abreviaturas .............................................................................. XVII

Introducción .................................................................................................................... 1

1. Aspectos teóricos .................................................................................................... 7

1.1 Dispersión de partículas ..................................................................................... 7 1.2 Calorimetría de las nanopartículas de sílice ....................................................... 9 1.3 Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento ............. 10 1.4 Ley de Darcy .................................................................................................... 11 1.5 Componentes de las lechadas de cemento ...................................................... 14

1.5.1 Clases de cementos petroleros ...................................................................... 14 1.5.2 Aditivos para cementación de pozos .............................................................. 16

2. Materiales y métodos ............................................................................................. 19

2.1 Materiales ........................................................................................................ 19 2.1.1 Síntesis de las nanopartículas ....................................................................... 19 2.1.2 Pruebas estáticas API RP 10A y API RP 10B ................................................ 19 2.1.3 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento ........................................... 20

2.2 Métodos ........................................................................................................... 20 2.2.1 Síntesis de las nanopartículas ....................................................................... 20 2.2.2 Parámetros de la lechada base ..................................................................... 21 2.2.3 Pruebas estáticas de laboratorio .................................................................... 23 Densidad: ................................................................................................................. 24 2.2.4 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento ........................................... 27

3. Análisis de resultados ........................................................................................... 31

3.1 Síntesis de las nanopartículas .......................................................................... 31 3.2 Caracterización de la lechada de cemento ....................................................... 33

3.2.1 Caracterización de la lechada de cemento con NpSi58 ................................. 33

XIV Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de


3.3 Resultados de las Pruebas estáticas utilizando la normativa API 10 B ............. 36

3.3.1 Pruebas de agua libre ................................................................................... 36 3.3.2 Comportamiento reológico de la lechada de cemento ................................... 37 3.3.3 Pruebas de filtrado API .................................................................................. 43

3.4 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento .............................................. 45 3.4.1 Datos pre-eliminares ..................................................................................... 45 3.4.2 Análisis de resultados de las pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento................................................................................................................ 47

4. Conclusiones y recomendaciones ....................................................................... 51

4.1 Conclusiones .................................................................................................... 51 4.2 Recomendaciones ............................................................................................ 52

Contenido XV

Lista de figuras

Figura 1-1: Curvas de liberación de calor con nanopartículas [46]................................... 9

Figura 1-2: Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento [53] . 10

Figura 1-3: Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento [55] . 11

Figura 1-4: Relación entre la perdida de filtrado y la raíz cuadrada del tiempo [31] ....... 13

Figura 1-5: Relación entre la perdida de filtrado y la temperatura [31] .......................... 14

Figura 2-1: Diagrama empleado para evaluar fluidos de perforación [61,62] : 1) Horno, 2)

Bomba de desplazamiento positivo, 3) Cilindros de desplazamiento, 4) Filtros, 5) Bomba

dos, 6) Porta núcleos, 7) multiplicados de presión 8) Diafragma de presión de poro, 9)

Manómetro, 10) Válvula, 11) Transductor, 12) Probeta. ................................................. 27

Figura 2-2: Diagrama de evaluación de pérdidas por filtrado en laboratorio .................. 29

Figura 3-1: Distribución de tamaño de partícula de las nanopartículas de sílice a) NpSi7,

b) y NpSi58 .................................................................................................................... 32

Figura 3-2: Reología de la lechada de cemento con nanopartículas de 7 nanómetros. . 37

Figura 3-3: Viscosidad Plástica vs Concentración de nanopartículas de sílice de 7

nanómetros. ................................................................................................................... 38

Figura 3-4: Punto cedente vs Concentración de nanopartículas de sílice de 7

nanómetros. ................................................................................................................... 39

Figura 3-5: Reología de la lechada de cemento con nanopartículas de 58 nanómetros. 40

Figura 3-6: Viscosidad Plástica vs Concentración de nanopartículas de sílice de 58

nanómetros. ................................................................................................................... 41

Figura 3-7: Punto cedente vs Concentración de nanopartículas de sílice de 58

nanómetros. ................................................................................................................... 42

Figura 3-8: Pérdidas por filtrado vs Concentración (NpSi7) ........................................... 43

Figura 3-9: Pérdidas por filtrado vs Concentración (NpSi58) ......................................... 44

Figura 3-10: Pérdida por filtrado en Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento. .. 47

Contenido XVI

Lista de tablas

Tabla 1-1: Componentes químicos del cemento tipo G ................................................... 16

Tabla 2-1: Parámetros de la lechada de cemento base. ................................................. 21

Tabla 2-2: Componentes de la lechada de cemento base .............................................. 22

Tabla 2-3: Componentes químicos de la lechada de cemento base ............................... 22

Tabla 2-4: Concentración de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros aplicados a la

lechada base .................................................................................................................. 23

Tabla 2-5: Concentración de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros aplicados a la

lechada base .................................................................................................................. 23

Tabla 3-1: Características de los empaques de arena Ottawa ........................................ 46

Tabla 3-2: Característica de los fluidos ........................................................................... 46

Tabla 3-3: Resultados de Kw y Ko, antes y después de la inyección de la lechada de

cemento base ................................................................................................................. 48

Tabla 3-4: Resultados de Kw y Ko, antes y después de la inyección de la lechada de

cemento con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros ................................................ 49

Contenido XVII

Lista de Símbolos y abreviaturas

Símbolos con letras latinas Símbolo Término Unidad SI

A Área de superficie de la sección trasversal m2 BWOC Masa en base al peso lb/sk H Espesor del revoque cm Ms Masa trasversal de la lechada de cemento G q Vff

Caudal Volumen de fluido libre

cm3/seg mL

Yp Punto cedente lbf/100 ft2

Símbolos con letras griegas Símbolo Término Unidad SI

𝜌 Gravedad específica g

𝑐𝑚3

µ Centipoise 1 g/(cm·s)

Abreviaturas Abreviatura Término

DLS Dispersión dinámica de la luz API American Petroleum Institute NPT Non Productive Time Kw Permeabilidad efectiva al agua Ko Permeabilidad efectiva al aceite

Introducción

El reto de la industria hidrocarburifera en los últimos años ha sido combatir con los bajos

precios del petróleo, [1] lo cual cambia el panorama de negocios y desarrollo de nuevas

tecnologías, desafiando el crecimiento en la innovación de la industria del petróleo [2] Esta

situación trasciende en la investigación con importantes aportes como la propuesta de

utilizar la nanotecnología como alternativa en procesos de perforación de pozos. [3,4,5] En

los fluidos de perforación y de completamiento se ha realizado importantes estudios los

cuales se enfocan en controlar, inhibir o mitigar el daño de formación [6,7,8] y también

evitar posibles fallas operacionales [9].

Los procesos de cementación de pozos se dividen en dos fases, La cementación primaria

se desarrolla después que el hoyo sea perforado en cualquiera de sus secciones [10,11] y

la tubería de revestimiento sea colocada procediendo a cementar el espacio casing-

formación teniendo como destino proteger la tubería de producción, sellar zonas de pérdida

de circulación, proteger zonas productoras y controlar las arremetidas de pozo. La

cementación secundaria tiene como objetivo remediar los problemas que puede tener una

cementación primaria, realizando una cementación forzada o la colocación de tapones de

cemento [10]. Los problemas se originan cuando la lechada de cemento está expuesta a:

zonas de alta permeabilidad, al estrecho margen entre la presión de poro y de fractura,

cuando existe flujos someros de agua y gas, los ambientes son de baja temperatura y entre

otros [11].

Los diseños del revestimiento serán determinados por las condiciones del plan de

perforación [11]. De eso dependerá la configuración de la lechada de cemento debido a

que para cada sección se caracteriza la lechada. Cada sección cumple con un objetivo

diferente ya sea para un revestimiento superficial, revestimiento intermedio o para un

2 Introducción

revestimiento de producción [12]. Dependiendo de los requerimientos de cada sección se

formulara la lechada de cemento, ocupando cemento, aditivos y agua [10].

En el año 1824 Joseph Aspdin desarrollo el cemento llamado Portland utilizando calizas y

arcillas. El cual sería posteriormente ocupado por Frank Hill en la industria hidrocarburifera

en el año 1903, con el objetivo de aislar acuíferos adyacentes a la zona de interés [14].

Años después Halliburton en 1920 diseña lechadas de cemento tomando como referencia

parámetros de los pozos como la presión, temperatura y la profundidad [13]. Las

caracterizaciones de la lechada de cemento mejoraron notablemente a partir del año 1940

donde empezaron a fusionar componentes químicos a las lechadas base logrando así una

mezcla uniforme [15].

En la actualidad Barbudo et al [16], definen al cemento portland como una mezcla compleja

producida por la cocción hasta la sinterización de la mezcla de arcilla y caliza. Este

cemento lo denominan un cemento hidráulico con alto contenido de carbonato de calcio,

hierro, alúmina y sílice. Los cuales permiten el fraguado y la resistencia a la compresión

producto de la hidratación del cemento debido a la mezcla con el agua. Los componentes

de este cemento son óxidos superiores de oxidación lenta los cuales terminan su grado de

oxidación al estar en contacto con el aire al enfriarse [17].

Las principales reacciones en la hidratación del cemento Portland son: el silicato tricálcico

que al reaccionar con el agua produce la torbemorita y la portlandita, el silicato bicálcico

el cual reacciona lentamente al agua y el aluminato tricálcico [16]. El cual forma una

solución coloidal que rodea los silicatos que se encuentran hidratados. Para lograr una

buena cementación y cumplir con los parámetros exigidos por las empresas operadoras,

se utilizan aditivos químicos los cuales pueden ser sólidos y/o soluciones acuosas en las

lechadas de cemento permitiendo una adaptación a las condiciones operativas del plan de

perforación [11]. Los aditivos químicos son utilizados para cambiar las propiedades de la

lechada de cemento como: el tiempo de fraguado, la densidad, la viscosidad, la resistencia

a la comprensión y la perdida por filtrado de la lechada de cemento. Entre los aditivos más

comunes se encuentran los aceleradores, retardadores, controladores de filtrado,

antiespumantes, extendedores y densificantes los cuales son de origen orgánico y/o

sintético y son ocupados como componentes de las lechadas actuales [19].

Introducción 3

Sin embargo, las exigencias de la industria hidrocarburifera requieren una constante

innovación, las cuales permitan aumentar el tiempo de vida de la cementación, reduzcan

el NPT en pozos de alcance extendido y mitiguen el daño de formación causado por el

filtrado.

Por lo cual se están desarrollando nuevas tecnologías que puedan acoplarse a las

necesidades actuales, entre las cuales se encuentra la nanotecnología aplicada a la

industria hidrocarburifera [20]. Un nanomaterial es aquel que las dimensiones son

inferiores a 100 nm (ISO / TS 80004-1), posee un gran área superficial y tiene condiciones

físico-químicas mejoradas. La nanotecnología impulsada por la innovación energética ha

tenido un gran desempeño en aplicaciones de hidrocarburos tanto en upstream [21],

midstream [22] y downstream [22,23].

En base a las consideraciones anteriores, la aplicabilidad de la nanotecnología en la

elaboración de las lechadas de cemento ha sido soportada por varios autores entre ellos

Yazdy et al y Wang [32,33], los cuales promueven la investigación de nuevas aplicaciones

nanotecnológicas en las lechadas de cemento debido a los buenos resultados obtenidos

en sus análisis con respecto a mejorar las propiedades tales como resistencia a la

compresión, resistencia a la abrasión y resistencia a la tracción Björnström et al en el año

2004 [24], justificaron la adición de nanopartículas de sílice para mejorar la hidratación del

cemento pórtland y esta teoría es apoyada por autores como Li et al [25] y Qing et al, [26].

En el año 2012 Santra Ashok et al [27]. Analizaron la influencia de la nanotecnología en

el proceso de hidratación y la planteó como una alternativa química que va contribuir a

mejorar las propiedades físicas químicas del cemento tipo “G” el cual es ocupado en la

industria petrolera. Según Xiujian et al. [28], en su investigación publicada en el año 2016

las nanopartículas de sílice mejoraron las propiedades globales del cemento indicando el

uso potencial en cementaciones de pozo de petróleo y gas en aguas profundas y ultra

profundas. Recientemente Atashnezhad et al, [29] evaluó el efecto de las nanopartículas

de barita con el propósito de mitigar las pérdidas por filtrado los procesos de cementación

de pozos, en este estudio se aplicó nanopartículas de barita directamente al cemento

suspendido a diferentes concentraciones en una lechada de cemento compuesta de agua,

Hidroxietil celulosa, barita y cemento portland. El estudio dio como resultado que

aumentando la concentración de nanopartículas de barita y disminuyendo la concentración

de barita se logró reducir hasta el 50 por ciento de filtrado en análisis de laboratorio con

4 Introducción

respecto a la lechada original [29], Cabe recalcar que barita tiene un peso específico

aproximado de 4.23 gr/cm3 y es habitualmente usada para incrementar la densidad la

lechada y requiere aproximadamente un 22 por ciento de agua de agua de su propio peso.

Mohammadmehdi et al, [37] estudiaron experimentalmente el efecto de las nanopartículas

de sílice sobre las propiedades físicas del cemento. Diferentes pruebas demostraron que

las nanopartículas de sílice se comportan como un agente de relleno en la microestructura

del cemento mejorando el mortero del cemento y también funcionan como un agente

promotor de la reacción punzolaica. El autor índico que la mezcla entre las nanopartículas

de sílice y los morteros de cemento ayudaron a mejorar la reología dando como resultado

un aumento en las resistencias a la compresión y la flexión del mortero de cemento.

Provocando una disminución en la porosidad y permeabilidad del cemento, además la

adición de la nanopartículas de sílice provoco una disminución de agua libre en la lechada,

en el tiempo de fraguado y la duración del período de latencia. Por otro lado Bahadori et

al, [34] en su análisis concluyen que las nanopartículas de sílice no altera la resistencia a

la compresión ni la tensión, pero mejora la microestructura del hormigón lo cual disminuye

la cantidad de cemento necesario en un proceso de cementación, esto se debe al

rendimiento de las partículas sólidas a escala nanométrica y a la nano porosidad existente

en la zona de transición interfacial entre partículas de cemento y áridos [35]. Según

Collepardi et al., [36] a partir de estas características se puede mencionar otras como la

durabilidad y la contracción del cemento. Sin embargo, estos autores no llevaron a cabo

pruebas de dinámicas a condiciones típicas de yacimiento.

En esta tesis se sintetizaron nanopartículas de sílice para aprovechar las ventajas que esta

posee en la interacción fisicoquímica de las lechadas de cemento [28] al obtener buenos

resultados en la hidratación del cemento portland [24,25 26], manteniendo la reología y

resistencia a la compresión [28,30]. La nanopartículas de sílice tiene la capacidad de

ocupar los espacios vacíos existentes en la zona de transición interfacial y el agua [34],

mitigando así una deshidratación de la lechada en la cara de la formación debido al

diferencial de presión [37].

En base a las consideraciones anteriores, la adicción de las nanopartículas de sílice

controlaran las pérdidas por filtrado en las lechadas de cemento debido a que actuarán

como nano-rellenos ocupando los poros vacíos entre partículas de gel C-S-H [35],

Introducción 5

produciendo un efecto en las microestructura del cemento las cuales ocupan las cavidades

capilares que son menores a 100 nanómetros [38]. Aprovechando también las

características fisicoquímicas, la alta relación área superficial/volumen y su capacidad de

mejorar la relación agua/cemento, y reducir la permeabilidad del enjarre inicial de la

lechada [39].

Por lo cual, este proyecto de titulación evaluara el desempeño de la nanotecnología

ocupando nanopartículas de sílice de diferente tamaño y a diferentes concentraciones [40]

sobre una lechada base desarrollada para pozos profundos de la cuenca petrolífera

Oriente [41], el objetivo general de esta tesis fue desarrollar una lechada de cemento que

reduzca las perdidas por filtrado en procesos de cementación de pozos petroleros,

partiendo de los siguientes objetivos específicos:

Realizar la síntesis de las nanopartícula utilizando en método sol-gel.

Elaborar y caracterizar la lechada de cemento.

Realizar pruebas de laboratorio dinámicas y estáticas para verificar la efectividad

de la reducción de pérdidas por filtrado en procesos de cementación.

1. Aspectos teóricos

A continuación se presentan los fundamentos teóricos relacionados con la dispersión de

partículas de sílice en un sistema cementante, el efecto de las nanopartículas de sílice

como centro de nucleación o filler, la influencia de las nanopartículas de sílice sobre la

hidratación del cemento, el efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de

cemento, la determinación de las perdidas por filtrado mediante la ley de Darcy la cual

describe su relación entre la tasa de filtración con la permeabilidad y por último los

componentes de una lechada de cemento.

1.1 Dispersión de partículas

La dispersión de las partículas en una matriz es un factor del cual dependerá el rendimiento

del material cementante, esto se debe a que si existe una mala dispersión de partículas,

la mezcla no poseerá las mismas características en todo su sistema y en algunos casos

cambiara una o varias propiedades [42], como la cantidad y tamaño de los poros y la

tortuosidad de la matriz cementante. Cuando las partículas no se encuentran bien

dispersas pueden producir aglomeraciones en el sistema, lo cual es debido al volumen de

partículas, el pH o el tamaño de las partículas [43]. Debido a estas consideraciones se

debe analizar el tiempo y la aplicación adecuada de ingresar las nanopartículas en la

lechada de cemento por ejemplo Gaitero et al, [45] dedujeron en sus estudios que las

nanopartículas en suspensión dieron mejores resultados que las que se encontraban en

polvo y por su lado Tobón [46] concluyó que a mayor pH en la lechada de cemento las

nanopartículas en polvo tienden aglomerarse con mayor facilidad. Según varios autores

8 Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por filtrado en procesos de


que utilizaron nanopartículas [44,45,46,47], una buena dispersión incrementara la

viscosidad de suspensión, por lo cual ayudara a la suspensión de cemento y agregados.

Las altas concentraciones de nanomaterial en una matriz cementante tienden agregarse,

lo cual mitiga los efectos positivos de las nanopartículas [46] como actuar de centro de

nucleación de la mezcla. Autores como Shih, Li y Qing [47,25,26] recomiendan en sus

análisis utilizar bajas concentraciones de nanopartículas, alrededor del 0.6, 1 y 3 por ciento

respectivamente, pero autores como Gaitero et al, [45] han encontrado mejores resultados

utilizando concentraciones del 6 por ciento, si existe una alta concentración de partículas

el material cementante tiende a ser propenso a micro grietas.

El actuar como centros de nucleación en el proceso de hidratación es otro fenómeno que

se presenta en la aplicación de las nanopartículas sobre las lechadas de cemento, esto

debido a su gran área superficial y a la actividad de los átomos en su superficie [46]

provocando una mayor cantidad de sitios de nucleación y aumentando la cinética de la

hidratación del cemento [46, 25, 26, 48]. Según el autor Nazari [50], las nanopartículas de

sílice aceleran el proceso de hidratación en la lechada de cemento logrando incrementar

la producción de hidróxidos de calcio (C-S-H).

Por último, un porcentaje de nanopartículas realizan un efecto denominado filler en la

lechada de cemento, el cual es un efecto de relleno según Gaitero et al [45], los materiales

que no sobrepasan las 80 micras son denominados fillers y habitualmente son fragmentos

de rocas silíceas, calcáreas o silico-calcareas. Estos fragmentos varían entre 5 y 30 por

ciento del porcentaje en peso de la lechada y no reaccionan químicamente con el cemento

[46] las propiedades físicas de estas partículas le proporcionan al cemento una disminución

en la permeabilidad [48,49] y fomentan la formación de hidróxidos de calcio, los cuales

estarán presentes entre los granos de cemento y disminuirán la cantidad de poros de la

matriz cementante la cual debido a este efecto tendrá una tendencia de absorción de agua

libre del sistema [43,51].

Capítulo 1 9

1.2 Calorimetría de las nanopartículas de sílice

Para poder estudiar el efecto las nanopartículas de sílice durante la hidratación del

cemento se tiene analizar la calorimetría, la cual depende de una serie reacciones

exotérmicas. Tobón [46] realizo un análisis comparativo de calorimetría entre las curvas

típicas de liberación de calor del cemento Portland realizadas por Taylor [52] y muestras

de cemento Portland con adición de nanopartículas de sílice a diferentes concentraciones.

Los resultados obtenidos en la figura 1-3 mostraron que para ambos casos existió una

misma liberación de energía en forma de calor [46]. También se pudo evidenciar que las

nanopartículas de sílice actúan como aceleradores en el proceso de hidratación aun con

el efecto de dilución [46], este efecto considera que a menor concentración de cemento en

una muestra compuesta con otras adicciones, se libera menor cantidad de energía [52].

Figura 1-1: Curvas de liberación de calor con nanopartículas [46]



1.3 Efecto del gradiente de presión ejercido por una

lechada de cemento

En el año 1979 Levine [53] llevo a cabo un estudio en el cual planteó que el gradiente de

presión ejercido por parte del cemento disminuye gradualmente con el paso del tiempo,

estos estudios fueron basados en la hipótesis planteada por Carler et al [54] quienes

dedujeron que la gelificación del cemento tenía una relación con la reducción de la carga

hidrostática. Levine [53] evidencia este fenómeno en la figura 1-2 la cual relaciona la

profundidad con la presión.

Figura 1-2: Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento [53]

Capítulo 1 11

En la figura 1-1 se indica el comportantamiento del cemento con referencia al tiempo de

endurecimiento del cemento, mostrando en la primera fase una reduccion de la presión

hidrostática de la lechada de cemento sobre la presion hidraulica del agua de formacion,

en la segunda fase se evidencia una dismunucion en el gradiente de la columna de agua,

esto debido a que la lechada de cemento esta en un proceso de transicion debido al

fraguado del cemento, en la tercera fase se produce un proceso de difucion el cual se

traduce en un declive del gradiente de presión a un gradiente menor, produciendo un efecto

de endurecimiento del cemento produciendo un entrampamiento de las particulas de agua

entre los poros de la lechada de cemento [55] como se lo puede ver en la figura 1-2. Esto

sucede debido a que la permeabilidad del cemento en esta etapa es muy baja, impiendo

asi una migracion del filtrado desde la lechada hacia el sistema externo.

Figura 1-3: Efecto del gradiente de presión ejercido por una lechada de cemento [55]

1.4 Ley de Darcy

La ley de Darcy puede ser utilizada para establecer la relación entre la tasa de filtración y

la permeabilidad, superficie de la sección transversal, presión diferencial, viscosidad del

filtrado y espesor del revoque [31]. Esta ley es aplicada cuando existe un flujo de fluidos a

través de un medio permeable como se lo demuestra en la ecuación 1.1.

𝑞 =𝑘 𝐴 ∆𝑝

𝜇ℎ (1.1)



Donde:

q (cm3/seg) es el caudal de filtrado, μ (cp) es la viscosidad, k (darcys) la permeabilidad,

h (cm) el espesor del revoque, ΔP (atmosferas) el Diferencial de presión y A (cm2) la

superficie de la sección transversal.

Cuando las condiciones mencionadas anteriormente son constantes la pérdida por filtrado

disminuye progresivamente en el trascurso del tiempo, hasta que se crea un sello en la

cara de la formación y detenga el filtrado [31]. La ecuación 1.2 permite pronosticar un

volumen de filtrado desconocido VF2 sobre un periodo de tiempo considerado t2, a partir

de una medida de filtración VF1 tomada de un periodo t1, el volumen de filtrado obtenido

estará en función de la raíz cuadrada entre los dos intervalos de tiempo.

𝑉𝐹2 = 𝑉𝐹1 ∗ √𝑡2

𝑡1 (1.2)

Donde:

VF2 es el volumen de filtrado desconocido en un tiempo t2, VF1 es el volumen de filtrado

al tiempo t1 y t2, siendo de t2 es el periodo de tiempo considerado y t1 es el periodo de

tiempo para VF1. La relación del volumen de filtrado y la raíz cuadrada del tiempo se

muestran en la figura 1-4.

Capítulo 1 13

Figura 1-4: Relación entre la perdida de filtrado y la raíz cuadrada del tiempo [31]

La temperatura y presión son otros parámetros que se deben analizar cuando se requiere

hacer un análisis en la determinación de las perdidas por filtrado en un proceso de

cementación. Siendo así que para que exista un filtrado en la formación, la presión del

medio de circulación de la lechada de cemento debe ser mayor a la del medio permeable

[31].

El aumento en la viscosidad del filtrado disminuirá las perdidas por filtrado por lo cual la

temperatura afecta directamente a las características de la lechada de cemento, como se

lo puede visualizar en la figura 1-5, variando su viscosidad produciendo efectos

electroquímicos que influyen al grado de floculación y agregación.



Figura 1-5: Relación entre la perdida de filtrado y la temperatura [31]

1.5 Componentes de las lechadas de cemento

La American Petroleum Institute conocida como API describe los materiales, ensayos de

laboratorio y las condiciones básicas que deben cumplir las lechadas de cemento,

simulando condiciones que posteriormente van a ser aplicadas en campo, según las

especificaciones requeridas. [10,11,12.13.30]

1.5.1 Clases de cementos petroleros

Para elaborar una lechada de cemento primero saber las características del hoyo a

cementar por lo cual la American Petroleum Institute clasifica en nueve a las clases de

cemento dependiendo de su requerimiento fisicoquímico y su rendimiento. [10,11,12]

Capítulo 1 15

Cemento clase “A”: Este tipo de cemento es el resultado de la molienda conjunta

de Clinker tipo II y yeso, se utiliza en cementaciones que van desde la superficie

hasta máximo 6000 ft de profundidad. El cemento clase “A” es ocupado cuando no

se requiere propiedades especiales y la relación agua/cemento es 5.2 gal/sxs.

Cemento clase “B”: Está diseñado para cuando se requiera una resistencia

considerable a los sulfatos debido a su menor contenido de C3A con respecto al

cemento clase “A”: Este clase de cemento se utiliza hasta 6000 ft de profundidad y

la relación agua/cemento es 5.2 gal/sxs.

Cemento clase “C”: Esla clase de cemento es usado cuando se requiere una alta

resistencia a la compresión temprana este cemento es usado hasta los 6000 ft de

profundidad, este cemento tiene una baja densidad debido a que la relación

agua/cemento es 6.3 gal/sxs.

Cemento clase “D”: Este cemento se emplea de 6000 ft a 10000 ft y está

desarrollado para ocuparse bajo condiciones moderadas de presión y temperatura.

La relación agua/cemento es 4.3 gal/sxs.

Cemento clase “E”: Este cemento es usado generalmente para profundidades

considerables que van de 10000 ft hasta 14000 ft, donde las condiciones de presión

y temperatura son altas la relación agua/cemento es 4.3 gal/sxs.

Cemento clase “F”: Esta clase de cemento se fabrica en moderada y alta

resistencia a los sulfatos y es usado para condiciones extremas de presión y

temperatura donde la aplicación va desde los 10000 ft a 16000 de profundidad, y

su relación agua/cemento es 4.3 gal/sxs.

Cemento clase “G y H”: Estos cementos son comúnmente llamados cementos

petroleros el cemento tipo G es el más utiliza en la industria hidrocarburifera, debido

a su composición la cual puede ser modificable con químicos aceleradores o

retardadores de fraguado. Este cemento puede emplearse en trabajos de

cementación que van desde la superficie hasta los 8000 ft de profundidad y estar

expuesto a altas condiciones de presión y temperatura. La relación agua/cemento

es 5.0 gal/sxs.

También existen cementos especiales los cuales tienen sus características propias como

lo son los cementos ultra finos, cementos diésel, cemento resinoso, puzolanas y entre

otros. [12]



Para analizar la reacción química de un cemento frente a los componentes químicos

adicionados en una lechada de cemento, se debe realizar un análisis químico vía seca al

cemento para determinar los compuestos y el porcentaje que ocupa cada uno de ellos en

su constitución, en la tabla se muestra el análisis vía seca de un cemento tipo G. [12]

Tabla 1-1: Componentes químicos del cemento tipo G [12]

Compuesto Formula % p/p

Óxido de silicio SiO2 22.43

Óxido de calcio CaO 64.70

Óxido de hierro Fe2O3 4.10

Óxido de aluminio Al2O3 5.8

Magnesia MgO 1.9

Trióxido de azufre SO3 1.67

Óxido de potasio KO3 0.08

Cenizas 0.54

1.5.2 Aditivos para cementación de pozos

Cuando se va a formular una lechada de cemento se debe analizar las condiciones en las

cuales va estar expuesta y los aditivos [30] que pueden utilizarse para obtener un buen

rendimiento, estos aditivos pueden presentarse en forma líquida o en polvo dependiendo

del compuesto [12]. Entre los aditivos que pueden cambiar la composición de la lechada

de cemento se nombra los siguientes:

Aceleradores: Este componente rompe la sustancia química que se forma en el

área superficial de las partículas de cemento, produciendo una aceleración en el

proceso de fraguado, incrementa el proceso de hidratación y acelera el tiempo de

bombeabilidad. Los aceleradores son: sales inorgánicas, silicatos, cloruros.

Retardantes: Los retardadores actúan sobre los granos de cemento mediante

fenómenos de adsorción y precipitación, reduciendo la hidratación produciendo

Capítulo 1 17

prolongando el tiempo de fraguado y bombeabilidad. Los retardadores más

comunes son: lignosulfonatos, los derivados de la celulosa y ácidos carboxílicos.

Extendedores: Los Extendedores son usados comúnmente para incrementar el

rendimiento de la lechada y reducir la densidad de la lechada, habitualmente se

utilizan: extendedores de agua, extendedores gaseosos y componentes de baja

densidad.

Densificantes: Estos compuestos tienen un alto peso específico los cuales

permiten incrementar la presión hidrostática ejercida por la lechada de cemento.

Los elementos químicos que producen un incremento en la lechada de cemento

son: Ilenita, hemanita y Barita.

Dispersantes: Estos aditivos químicos reducen la viscosidad de la lechada

modificando el punto de cedencia, reducen el contenido de agua, mejoran las

propiedades del controlador del filtrado y reducen la presión de fricción. Siendo el

dispersante más común el Polinaftalensulfonato.

Reductores de filtrado: Los componentes químicos llamados controladores de

filtrado son aquellos que impiden que la fase acuosa de la lechada de cemento

migre hacia una formación permeable. Las repercusiones de las perdidas por

filtrado afectaran la densidad de la lechada, la reología, y la bombeabilidad la cual

puede producir un fraguado espontaneo. Entre los controladores de filtrado más

utilizados son: materiales sólidos y polímeros.

Material para perdida de circulación: Estos aditivos permiten controlar las

pérdidas de la lechada de cemento frente a fracturas o débiles. Entre los principales

controlares tenemos a los siguientes: materiales granulados, la mica y las lechadas

tixotrópicas.

Aditivos especiales: Los aditivos especiales son usados cuando se requiere una

lechada con características diferentes a la convencional o cuando las condiciones

del yacimiento requieren una lechada especial. Entre los principales aditivos

especiales se pueden nombrar los: Antiespumantes, controladores de gas,

inhibidor de corrosión, antisedimentación, entre otros.

2. Materiales y métodos

2.1 Materiales

2.1.1 Síntesis de las nanopartículas

Las nanopartículas sintetizadas para aplicarlas posteriormente en la lechada de cemento

base, con el fin de reducir las pérdidas por filtrado fueron de sílice [56,57,58,59], con

diferente tamaño. Para realizar la síntesis de las nanopartículas de sílice se ocupó en

diferentes concentraciones: TEOS Tetraetil Ortosilicato (99%), etanol (99.9%), NH4OH

Hidróxido de Amonio (30%) y como agente de lavado se ocupo agua desionizada.

2.1.2 Pruebas estáticas API RP 10A y API RP 10B

La lechada de cemento se preparó con una base de cemento Tail tipo G (CCDC, China),

y agua desionizada. Para cambiar las propiedades de la lechada se utilizaron componentes

químicos como el agente retardante denominado BXR-200L (CCDC, China), el agente

antiespumante G603 (CCDC, China), el agente expansivo GJ-Z (CCDC, China) y el

controlador de pérdidas por filtrado BXF-200L (CCDC, China)



2.1.3 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento

Para comprobar la efectividad de las nanopartículas a condiciones de yacimientos se

elabora dos lechadas de cemento, la primera será la lechada base o blanco y la segunda

será una lechada de cemento base más nanopartículas de sílice. Por consiguiente, para

la elaboración del empaque de arena se utiliza arena de sílice Ottawa (Minercol, Estados

Unidos), para saturar el medio poroso se utilizó salmuera y Tersol denominado aceite

cristal UPS (Protokimica, Colombia).

2.2 Métodos

2.2.1 Síntesis de las nanopartículas

Para la obtención de las nanopartículas de sílice se utilizó el método Sol - gel el cual

consiste en la formación de una suspensión coloidal el cual es el sol y una gelificación

del sólido para formar una red en una fase líquida continua siendo este el gel [59]. Este

método fue planteado por Stöber & Fink [56] el cual propone la síntesis de la nanopartículas

de sílice mediante la hidrolisis de un percusor y la condensación de metales alcóxidos

logrando así un producto puro y homogéneo. El procedimiento para realizar la síntesis de

las nanopartículas de sílice mediante el método sol-gel fue el siguiente: En un beaker se

agrega las cantidades previamente calculas para obtener el tamaño de partícula deseada

de TEOS, etanol y posteriormente el NH4OH sometiendo la mezcla a agitación durante 1

hora a 25°C y por último se somete la muestra a un proceso de secado a 80°C durante 24

horas en un horno eléctrico. [57,58,59,60]

Capítulo 2 21

2.2.2 Parámetros de la lechada base

En la elaboración de una lechada de cemento es importante analizar las propiedades de

la mezcla en laboratorio, Por lo cual antes de realizar cualquier operación de cementación

se debe simular las condiciones de presión y temperatura a las cuales va estar expuesta

la lechada. Las características de la lechada de cemento dependerán de las

concentraciones de los aditivos, tipo de cemento y cantidad de agua. Todo los parámetros

antes mencionados van regidos bajo las normativas API RP 10A y API RP 10B [10]. Para

caracterizar una lechada de cemento debemos analizar propiedades como: La densidad

la cual dependerá de la cantidad de agua y cemento que está compuesto la lechada

variando de 11 a 18.5 ppg, el tiempo de bombeabilidad es otro parámetro muy importante

debido a que indica el tiempo que la lechada de cemento se encuentra en estado líquido

bajo condiciones de presión y temperatura en un medio dinámico, el tiempo de mezclado

en el Waring Blender y el volumen de lechada final, tal como se muestra en la tabla 2-1.

Tabla 2-1: Parámetros de la lechada de cemento base.

Densidad 16.00 ppg

Yield 1,15 Cu ft/sk

Requerimiento de agua 4.39 gal/sk

Fluido total 5.11 gal/sk

Tiempo de mezclado (Waring Blender) 50 seg

Tiempo de bombeabilidad 4.15 min

Para analizar el efecto de las nanopartículas de sílice como controlador de pérdidas por

filtrado, se ocupó la formulación de la lechada de cemento base que emplea habitualmente

la empresa CCDC en Ecuador en pozos profundos. La formulación está enfocada en la

cementación primaria de una zona de interés o productora, por lo cual ocupar los aditivos

correctos y las concentraciones adecuadas, permitirán el buen desempeño de la lechada

en todo el proceso de cementación y mitigara el daño en la formación. Los componentes

bases y químicos con sus respectivas concentraciones son descritos en las tablas 2-1;

2-2 los cuales serán fijos en la elaboración de todas las lechadas de cemento, debido a



que el objetivo de este análisis es evaluar el comportamiento de las NpSi58 y NpSi7 como

aditivo químico especial en esta lechada base.

Tabla 2-2: Componentes de la lechada de cemento base

Tabla 2-3: Componentes químicos de la lechada de cemento base

Aditivos Concentración Origen

Nombre Descripción

BXR-200L Retardador 0.050 China

BXF-200L

Controlador de

perdida por

filtrado

3.500 China

G603 Antiespumante 0.100 China

GJ-Z Expansivo 3.000 China

Para llevar a cabo el desarrollo de este tema de investigación se debe realizar un análisis

comparativo entre la lechada de cemento base y la lechada de cemento base más la

adición de las nanopartículas de sílice utilizando diferentes concentración, Para lo cual se

debe realizar un total de ocho pruebas, las cuales contemplan cuatro utilizando

nanopartículas de sílice de siete nanómetros (NpSi7) como se puede observar en la tabla

2-4 y cuatro pruebas utilizando nanopartículas de sílice de cincuenta y ocho nanómetros

(NpSi58) como lo describe la tabla 2-5.

Componente Concentración Origen

Nombre Descripción

Cemento Tipo G 100 CHINA

Agua Desionizada 39 -

Capítulo 2 23

Tabla 2-4: Matriz de concentraciones de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros aplicadas a la lechada base


Nombre Descripción

NpSi7 Nanopartícula 0.025 Colombia




Tabla 2-5: Matriz de concentraciones de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros aplicadas a la lechada base


Nombre Descripción





2.2.3 Pruebas estáticas de laboratorio

Las pruebas estáticas fueron realizadas bajo las normativas API RP 10A Y RP 10B [10] en

las que se establece las practicas recomendadas para realizar las pruebas de

cementación. Por lo cual, se ha determinado analizar la densidad, la reología, el control de

perdida por filtrado y el agua libre. Para realizar las pruebas estáticas se acondiciono

previamente las lechadas de cemento a una temperatura similar a la de circulación.



Los equipos utilizados para realizar las pruebas son los siguientes

Consistómetro presurizado (acondicionamiento de la lechada).

Probeta de 250 ml (agua libre)

Balanza presurizada (Densidad).

Filtro-prensa de alta presión (Filtración).

Viscosímetro Rotacional Ofite (Reología).

Agua libre: Esta prueba se la realiza con el propósito de observar la estabilidad estática

de la lechada de cemento y poder contabilizar el volumen de agua que se separa de la

lechada de cemento antes de su proceso de fraguado [10]. Para realizar una prueba de

agua libre primero se debe realizar la lechada de cemento y acondicionarla en el

consistómetro presurizado, después agregar 250 ml de lechada de cemento en una

probeta con dicha capacidad y taparla con el propósito de evitar la evaporación del fluido

libre, luego dejar la mezcla en superación durante 2 horas, después del tiempo trascurrido

medir la cantidad de fluido libre obtenido. Por consiguiente, ingresar el dato del volumen

de filtrado a la formula (2.1) y determinar el volumen agua libre en porcentaje.

%𝐹𝐹 =𝑉𝐹𝐹∗ 𝜌

𝑚𝑠∗ 100 (2.1)

Donde:

%FF es el contenido de agua libre determinado porcentaje, Vff es el volumen de fluido

libre expresado en mililitros, 𝜌 es la gravedad específica en gr/cm3 y ms es la masa

inicial de la lechada en gramos.

Densidad: La densidad depende de la cantidad de cemento y agua que se encuentra en

la mezcla, este parámetro es expresado en ppg. Para determinar la densidad se utiliza una

balanza presurizada a la cual se le debe extraer todo el aire de la porta muestras de la

balanza. Para determinar la densidad se debe realizar la lechada de cemento y verter

dentro de la porta muestra de la balanza presurizada, cuidadosamente se ajusta la tapa

Capítulo 2 25

de la balanza presurizada y sellar completamente la cámara con consiguiente, extraer todo

el aire alojado dentro de la cámara con una bomba manual para finalmente colocar la

balanza en el medidor de peso, por consiguiente deslizar el indicador hasta que se

encuentre en equilibrio y proceder a leer el valor de la densidad.

Reología: La reología permite evaluar el comportamiento del flujo y su deformación

mediante modelos plásticos como el de Binghan o el modelo de ley de las potencias. La

prueba de reología describe el comportamiento de la lechada en movimiento en el proceso

de cementación, las características de la mezcla, el tiempo la bombeabilidad y la capacidad

de remover el lodo del espacio anular por parte de la lechada de cemento. Para realizar

esta prueba se debe realizar el siguiente procedimiento, Adecuar la lechada de cemento

con el consistómetro después aplicar la lechada de cemento en la copa del viscosímetro

hasta el indicador marcado en la copa y por ultimo tomar las lecturas proporcionadas por

el viscosímetro ofite 600, 300, 200, 100, 6 y 3 rpm de forma ascendente y por ultimo de

forma descendente. Tomando en cuenta que se analiza la lechada sometida a temperatura

de circulación y ambiente para determinar su comportamiento [10]. Los datos de reología

son utilizados para calcular la viscosidad plástica y el punto cedente.

Viscosidad plástica: La viscosidad plástica se describe como la resistencia al flujo que es

caudado por la fricción mecánica. La viscosidad plástica depende de la concentración,

tamaño y la forma de los sólidos presentes en la lechada. Po lo cual, se utiliza la siguiente

ecuación.

Determinación de la viscosidad plástica para lechadas de cemento.

𝑉𝑝 = (𝜃300 − 𝜃100) ∗ 1.5 (2.2)

Donde:



Vp es la viscosidad plástica expresada en centipoise, θ300 es el valor obtenido a 300 rpm

medido por el viscosímetro ofite y θ100 es el valor obtenido a 100 rpm medido por el

viscosímetro ofite.

Punto cedente: Esta propiedad de la lechada de cemento se refiere a la resistencia al flujo

inicial o el esfuerzo requerido para que la lechada se mueva. Por lo cual, se utiliza la

siguiente ecuación.

Determinación del punto cedente para lechadas de cemento

𝑌𝑝 = 𝜃300 − 𝑉𝑃 (2.3)

Donde:

Yp es punto cedente expresado en lbf/100ft2, θ300 es el valor obtenido a 300 rpm medido

por el viscosímetro ofite y VP es la viscosidad plástica calculada previamente.

Perdida por filtrado: Esta prueba permite determinar el tiempo de deshidratación de la

lechada de cemento frente a una zona permeable, esto sucede por el diferencial de presión

existente entre ambas zonas. Los efectos causados por la perdida por filtrado son el

fraguado prematuro, cambio en la densidad y cambio en la composición química del

cemento. Según la aplicación de la lechada de cemento se realiza la prueba por filtrado,

en este caso se utiliza el método de determinación por alta presión debido a que la

composición de la lechada es para un pozo de 9500 ft aproximadamente. Para realizar una

prueba de filtrado API [10] se debe primero adecuar la lechada de cemento a condiciones

de temperatura que va estar expuesta la lechada de cemento con el consistómetro

presurizado, después armar el filtroprensa ubicando una malla de 45 μm en el extremo

inferior de la celda, la cual estará en contacto con la lechada de cemento luego

acondicionar el filtroprensa a la temperatura circulante, después presurizar el sistema con

nitrógeno a 1000 psi, posteriormente ubicar una por debajo del filtroprensa una probeta

Capítulo 2 27

para poder medir el volumen de filtrado, después contabilizar la cantidad de, filtrado

volumen a los 0.5, 1, 2, 5, 7.5, 10, 15, 20, 25 y 30 minutos, con estos resultados medir el

volumen total de filtrado y multiplicarlo por 2 para obtener el resultado en unidades API,

con toda la prevención del caso proceder a despresurizar el sistema y posteriormente

proceder a desmontar el equipo cuidadosamente.

2.2.4 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento

Con el propósito de simular el proceso de cementación de una zona productora, se procede

a realizar una prueba dinámica a condiciones propias del yacimiento como: presión de

poro, presión de sobrecarga, overbalance y temperatura. Por lo cual, se utiliza el diagrama

planteado en la figura 2-1, el cual es ocupado en la Universidad Nacional de Colombia [61]

para realizar saturaciones en el medio poroso y por consiguiente medir el daño de

formación. Para un sistema de inyección de cemento se necesita un cabezote con doble

diafragma, el cual permita inyectar la lechada de cemento por un diafragma y por

consiguiente evacuarla por el otro, tal como se muestra en la figura 2-2.

Figura 2-1: Diagrama empleado para evaluar fluidos de perforación [61,62] : 1) Horno, 2) Bomba de desplazamiento positivo, 3) Cilindros de desplazamiento, 4) Filtros, 5)

Bomba dos, 6) Porta núcleos, 7) multiplicados de presión 8) Diafragma de presión de poro, 9) Manómetro, 10) Válvula, 11) Transductor, 12) Probeta.



El Procedimiento se debe hacer en el siguiente orden 1) Elaborar el empaque, utilizando

arena Ottawa del tamaño de malla deseado, 2) Medir la porosidad mediante el método del

peso seco, 3) Adecuar y armar el sistema de desplazamiento con las condiciones

previamente planteadas, 4) Inyectar salmuera para obtener datos de la permeabilidad

absoluta, 5) Inyectar aceite para obtener datos de la permeabilidad efectiva, 6) Cambiar de

cabezote fijo a uno de doble diafragma, el cual simulara un proceso de cementación a nivel

de laboratorio, 7) Desplazar la lechada de cemento base durante dos horas por la cara del

empaque de arena y ubicar una probeta en el al final del cabezote móvil para medir el

filtrado de la lechada de cemento, 8) Cambiar el cabezote de doble diafragma por el

cabezote fijo, 9) Inyectar salmuera para medir la permeabilidad absoluta después del

desplazamiento de la lechada de cemento base, 10) Inyectar aceite para medir la

permeabilidad efectiva después del desplazamiento de la lechada de cemento base, 11)

Elaborar un nuevo empaque de arena Ottawa, utilizando el tamaño de malla del empaque

anterior, y cambiarlo por el utilizado en la prueba anterior, 12) Medir la porosidad mediante

el método del peso seco 13) Utilizar las mismas condiciones ocupadas en el sistema

anterior, 14) Inyectar salmuera para obtener datos de la permeabilidad absoluta,

15) Inyectar aceite para obtener datos de la permeabilidad efectiva, 16) Cambiar de

cabezote fijo a uno de doble diafragma, el cual simulara un proceso de cementación a nivel

de laboratorio, 17) Desplazar la lechada de cemento con nanopartículas por la cara del

empaque de arena durante dos horas y ubicar una probeta en el al final del cabezote móvil

para medir el filtrado de la lechada de cemento, 18) Cambiar el cabezote de doble

diafragma por el cabezote fijo, 19) Inyectar salmuera para medir la permeabilidad absoluta

después del desplazamiento de la lechada de cemento con nanopartículas, 20) Inyectar

aceite para medir la permeabilidad efectiva después del desplazamiento de la lechada de

cemento con nanopartículas y finalmente determina el porcentaje de daño en Ko y Kw.

Capítulo 2 29

Figura 2-2: Diagrama de evaluación de pérdidas por filtrado en laboratorio

En la figura 2-2 se puede observar de manera detallada la interacción entre la lechada de

cemento y el empaque de arena. La fenomenología producida entre el cemento y la

formación produce una formación de un mud cake de cemento, el cual debe tener una

permeabilidad baja para disminuir el volumen de filtrado. En esta gráfica también se puede

identificar las zonas afectadas por el proceso de cementación como la zona lavada la cual

ha estado expuesta directamente al fluido de perforación, aplicación de espaciadores y al

proceso de cementación, la zona de transición es la parte de la formación la cual ha sido

por el filtrado del lodo y del cemento, por último la zona virgen es la parte a la cual migra

solo el filtrado de cemento, debido a que la lechada de cemento es presurizada en el



espacio anular hasta llenar el volumen deseado, variando la presión diferencial entre la

lechada de cemento y la formación.

3. Análisis de resultados

3.1 Síntesis de las nanopartículas

En este trabajo de investigación se sintetizaron nanopartículas de sílice de diferente

tamaño, siendo nombradas como NpSi7 y NpSi58. Para la elaboración de las NpSi se

ocupó las relaciones molares publicadas por Betancurt [60], quien utilizo los reactivos

químicos en el siguiente orden: TEOS, etanol y NH4OH y ocupo la siguiente relación molar

para la elaboración de las NpSi7 1:1.1:0.2, y para la relación molar de las NpSi58 fue 0.8:

1.1:1.1. La síntesis fue basada en el método sol-gel el cual propone la síntesis de partículas

de sílice por medio de la hidrólisis de un precursor [56,57,58] y la medición del tamaño de

las nanopartículas se las realizo mediante la técnica de dispersión dinámica de la luz (DLS)

Las imágenes tomadas por el microscopio eléctrico y la distribución del tamaño de partícula

representada en una campana de Gauss se presentan en la figura 3-1en el panel a) se

presentan las NpSi7 y el panel b) se presentan las NpSi58.



Figura 3-1: Distribución de tamaño de partícula de las nanopartículas de sílice a) NpSi7, b) y NpSi58

Capítulo 3 33

3.2 Caracterización de la lechada de cemento

Previo a la caracterización de la lechada de cemento con nanopartículas se elaboró

pruebas experimentales considerando la influencia de la nanoadición en el

comportamiento de la mezcla. El resultado se obtuvo mediante una prueba de filtrado API

10B RP [10] con la cual se observó un comportamiento homogéneo de la mezcla tal como

lo demostro Pang et, al. [27], conformada por agua, cemento y aditivos, justificando la

adición de las nanopartículas después de la elaboración de la lechada, logrando conseguir

una reducción en el porcentaje de filtrado con este método el cual se lo describe en la

ecuación 3.1 donde se presenta el orden ocupado para la elaboración de todas las

lechadas.

𝐿𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑁𝑝𝑆𝑖 = (𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝐴𝑔𝑢𝑎) + ((𝐺603) + (𝐵𝑋𝐹 − 200𝐿) +(𝐵𝑋𝑅 − 200𝐿) + (𝐺𝐽 − 𝑍)

) + (𝑁𝑝𝑆𝑖) (3.1)

3.2.1 Caracterización de la lechada de cemento con NpSi58

Partiendo de los resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio se presenta la

caracterización de la lechada de cemento con NpSi58 con una concentración de 0.05 sobre

el volumen total del peso del cemento.

Masa en base al peso del cemento: Para calcular la masa de las NpSi58 en base al peso

de las del cemento tail, se utilizó la masa en peso de la lechada base y se le sumo la base

en peso de NpSi ocupando la concentración 0.05.



mNpSi(58nm)0.05%BWOC =94

lb

sk∗0.05% = 0.047

lb

sk

(3.2)

Volumen ocupado por la masa con base al peso del cemento: El cálculo del volumen

ocupado por las NpSi58 se lo obtuvo ocupando la masa en base al peso de cemento con

NpSi58, dividido para la densidad de la NpSi58 el cual es 89.726.

vNpSi(58nm)0.05%BWOC =

0.047lbsk

89.726 = 0.005238

gal

sk

(3.3)

Σm de los diseños de lechada con nanomaterial: Para obtener este resultado se agregó

el volumen ocupado por las NpSi58 en base al peso de cemento al sumado de la lechada

base.

∑ mNpSi(58nm)0.05%BWOC =100.251

lb

sk+0.047

lb

sk = 100.289

lb

sk

(3.4)

Σv de los diseños de lechada con nanomaterial: Para obtener este resultado se agregó

el volumen ocupado por las NpSi58 en base al peso de cemento al sumado de la lechada

base.

∑ vNpSi(58nm)0.05%BWOC =3.992

gal

sk+0.005238

gal

sk = 3.99723

gal

sk

(3.5)

Requerimiento de agua para los diseños de lechada con nanomaterial: Este cálculo

determinara la cantidad de agua a ocuparse por cada saco de cemento utilizado en un

proceso de cementación a nivel campo.

Capítulo 3 35

vagua NpSi0.05%BWOC =

100.251lbsk

(16lb

gal∗3.997

galsk

)

(16lb

gal∗8.31

lbsk

) = 4.730

gal

sk

(3.6)

Rendimiento de las lechadas con NpSi: El rendimiento es el volumen de lechada de

cemento, cuando un saco de cemento es mezclado con el agua y los componentes

químicos deseados

𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑁𝑝𝑆𝑖0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =

3.997𝑙𝑏𝑠𝑘

+4.730

(7.48𝑔𝑎𝑙

𝑓𝑡3)

= 1.166𝑓𝑡3

𝑠𝑘

(3.7)

A continuación se determina la cantidad de materiales en gramos a ocuparse en la

elaboración de la lechada de cemento con NpSi, tomando en cuenta el rendimiento en el

cálculo 3.7

Cantidad de cemento para 800ml de lechada con NpSi58.

𝑚𝑎𝑠𝑎𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =

903.434

(1.166𝑔𝑎𝑙

𝑓𝑡3)

= 774.814 𝑔𝑟 (3.8)

Cantidad de agua para 800ml de lechada con NpSi58.

𝑚𝑎𝑠𝑎𝑎𝑔𝑢𝑎 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =

9.611

(1.166𝑔𝑎𝑙

𝑓𝑡3)

∗4.370𝑔𝑎𝑙

𝑠𝑘∗8.31 𝑝𝑝𝑔= 323.990 𝑔𝑟

(3.9)

Cantidad de retardador para 800ml de lechada con NpSi58.

𝑚𝑎𝑠𝑎𝐵𝑋𝑅−200𝐿 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =

903.434

(1.166𝑔𝑎𝑙

𝑓𝑡3)

∗0.05 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 0.388 𝑔𝑟 (3.10)



Cantidad de controlador de filtrado para 600ml de lechada con NpSi58.

𝑚𝑎𝑠𝑎𝐵𝑋𝐹−200𝐿 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =

903.434

(1.166𝑔𝑎𝑙

𝑓𝑡3)

∗3.5 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 27.11 𝑔𝑟 (3.11)

Cantidad de antiespumante para 600ml de lechada con NpSi58.

𝑚𝑎𝑠𝑎𝐺603 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =

903.434

(1.166𝑔𝑎𝑙

𝑓𝑡3)

∗0.1 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 0.775 𝑔𝑟 (3.12)

Cantidad de expansivo para 600ml de lechada con NpSi58.

𝑚𝑎𝑠𝑎𝐺𝐽−𝑍 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =

903.434

(1.166𝑔𝑎𝑙

𝑓𝑡3)

∗3 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 23.254 𝑔𝑟 (3.13)

Cantidad de NpSi58 para 600ml de lechada.

𝑚𝑎𝑠𝑎𝑁𝑝𝑆𝑖 0.05%𝐵𝑊𝑂𝐶 =

903.434

(1.166𝑔𝑎𝑙

𝑓𝑡3)

∗0.05 %𝐵𝑊𝑂𝐶 = 0.388 𝑔𝑟 (3.14)

3.3 Resultados de las Pruebas estáticas utilizando la normativa API 10 B

3.3.1 Pruebas de agua libre

Los resultados obtenidos en esta prueba demostraron que las nanopartículas de sílice no

afectan a la separación del agua en la lechada de cemento, evidenciando un 0 por ciento

Capítulo 3 37

de volumen de agua libre. Esto se debe a que las nanopartículas no repercuten en la

absorción química de agua con el material cementante lo cual mantiene las condiciones

de hidratación de la mezcla.

3.3.2 Comportamiento reológico de la lechada de cemento

Para poder determinar el comportamiento reológico de la lechada de cemento con

nanopartículas de sílice se presenta los resultados de: reología, viscosidad plástica y punto

cedente, para cada concentración.

Lechada de cemento base con nanopartículas de sílice de 7 nanómetros

Figura 3-2: Reología de la lechada de cemento con nanopartículas de 7 nanómetros.

0

27.5

55

82.5

110

137.5

165

0 50 100 150 200 250 300

Lect

ura

del

reo

met

ro a

80

°C

Velcidad (rpm)

Lechada Base

Concentración 0.025

Concentración 0.05


Concentración 0.18



En la figura 3-2 se puede observar el comportamiento reológico de las diferentes

concentraciones de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros en la lechada de cemento,

dando como conclusión que la aplicación en bajas concentraciones no afecta la tendencia

reológica y que la tendencia es lineal en la gráfica, mostrando un comportamiento

newtoniano.

Figura 3-3: Viscosidad Plástica vs Concentración de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros.

En la figura 3-3 se observa el comportamiento de la viscosidad plástica sobre las diferentes

concentraciones de nanopartículas de 7 nanómetros, mostrando un aumento de la

viscosidad plástica al incrementar la concentración, esto debido al incremento en el

volumen de sólidos presentes en la lechada de cemento

156

156.5

157

157.5

158

158.5

159

159.5

160

160.5

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18

Vis

coci

dad

Plá

stic

a a

80

°C

Concentración de NpSi7

Lechada Base


Concentración 0.05


Concentración 0.18

Capítulo 3 39

Figura 3-4: Punto cedente vs Concentración de nanopartículas de sílice de 7 nanómetros.

En la figura 3-4 se puede observar una variación del punto cedente entre las

concentraciones de 0.025 y 0.18 lo cual determina que existe una mayor fuerza

electromagnética en ese rango, por lo que las nanopartículas actúan en su mayoría como

centro de nucleación.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18

Pu

nto

ced

ente

a 8

0°

C


Lechada Base


Concentración 0.05


Concentración 0.18



Lechada de cemento base con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros

Figura 3-5: Reología de la lechada de cemento con nanopartículas de 58 nanómetros.

En la figura 3-5 se observa una tendencia lineal mostrando un comportamiento newtoniano

de la lechada de cemento, con esta grafica se puede concluir que el efecto de las

nanopartículas de sílice a bajas concentraciones no altera la reología.

0

27.5

55

82.5

110

137.5

165

0 50 100 150 200 250 300

Lect

ura

del

reo

met

ro a

80

°C

Velocidad (rpm)

Lechada Base


Concentración 0.05


Concentración 0.18

Capítulo 3 41

Figura 3-6: Viscosidad Plástica vs Concentración de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.

En la figura 3-6 se muestra el comportamiento de la viscosidad plástica sobre las diferentes

concentraciones dando como resultado que la viscosidad plástica incrementa al tener

mayores concentraciones de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.

156

156.5

157

157.5

158

158.5

159

159.5

160

160.5

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18

Vis

coci

dad

Plá

stic

a a

80

°C


Lechada Base


Concentración 0.05


Concentración 0.18



Figura 3-7: Punto cedente vs Concentración de nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.

En la figura 3-4 muestra el comportamiento del punto cedente a diferentes concentraciones

de nanopartículas de sílice, mostrando un punto de quiebre en la concentración de 0.125

con respecto a la tendencia inicial, también se puede evidenciar una disminución del punto

cedente al ocupar mayores concentraciones.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18

Pu

nto

ced

ente

a 8

0°

C


Lechada Base


Concentración 0.05


Concentración 0.18

Capítulo 3 43

3.3.3 Pruebas de filtrado API

Los resultados de las pruebas de filtrado API mostraron un comportamiento diferente entre

las nanopartículas de sílice de 7 y 58 nanómetros actuando como reductores de filtrado,

según los resultados obtenidos las nanopartículas de sílice en bajas concentraciones

pueden mitigar el filtrado, previniendo un enjarre de cemento que incremente las presiones

de fricción. Estos resultados se los puede observar con mayor detalle en las figura3-8 y

3-9 respectivamente.

Lechada de cemento base con nanopartículas de sílice de 7 nanómetros.

Figura 3-8: Pérdidas por filtrado vs Concentración (NpSi7)

En la figura 3-8, se observa el comportamiento de las NpSi7 aplicadas en la lechada de

cemento base a diferentes concentraciones, mediante los resultados obtenidos se puede

justificar la aplicación de NpSi7 a una baja concentración con el fin de obtener una

10

13

16

19

22

25

28

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18

Pér

did

a p

or

filt

rad

o (

cc/3

0m

in)

Concentración (NpSi7)



reducción en volumen total de filtrado, este resultado está en conformidad con el obtenido

por Carlos Mesa et al. [30], el cual no justificó el uso de nanopartículas como aditivo de

controlador de filtrado debido a que el tamaño de la nanopartícula no es el adecuado

debido a que no se produce un efecto químico en la composición del cemento.

Lechada de cemento base con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.

Figura 3-9: Pérdidas por filtrado vs Concentración (NpSi58)

En la figura 3-9 se observa que la adición de las NpSi58 sobre la lechada base reduce los

volúmenes de pérdidas por filtrado, logrando un efecto filler efectivo entre los componentes

de la lechada base, el resultado obtenido indica que a mayor tamaño de NpSi58 actúa

como centro de nucleación entre los componentes líquidos y sólidos de la lechada. El

volumen de filtrado disminuye notablemente cuando las concentraciones se encuentren

entre los valores de 0.025 a 0.05 siendo este último el punto de ruptura para las mayores

concentraciones, donde también se evidencia que existe una disminución de volumen de

10

13

16

19

22

25

28

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18

Pér

did

a p

or

filt

rad

o (

cc/3

0m

in)

Concentración (NpSi58)

Capítulo 3 45

filtrado pero en valores muy bajos, demostrando que la concentración de NpSi58 al 0.05

por ciento tiene un mejor comportamiento en lo que respecta a controlar el volumen, por lo

cual este resultado estático se lo correlaciona con el obtenido en la prueba dinámica.

3.4 Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento

Por último se efectuaron pruebas a condiciones dinámicas con el fin de correlacionar los

resultados obtenidos en las pruebas estáticas de filtrado API y así demostrar efecto de las

nanopartículas de sílice en las lechadas de cemento a condiciones de yacimiento,

realizando una comparación de la cantidad de filtrado de la lechada base y la lechada con

nanopartículas de sílice, también se pudo analizar otros aspectos.

3.4.1 Datos pre-eliminares

Para la evaluación de las lechadas de cemento a condiciones dinámicas se elaboró dos

empaques de arena de sílice Ottawa con las mismas características. Estos empaques

fueron hechos con dos diferentes tamaño de malla con el fin de obtener una buena

permeabilidad y porosidad como lo indica la tabla 3-1 de igual manera se elaboró una

salmuera sintética como se lo evidencia en la tabla 3-2 tomando como referencia un

análisis físico-químico del agua de formación de un pozo de la cuenca oriente



Tabla 3-1: Características de los empaques de arena Ottawa

Características Valor

Longitud (cm) 5.8

Diámetro (cm) 3.85

Porosidad % 17

Empaque de arena

Tipo Tamaño de arena %

Arena Ottawa 30-60 60

Arena Ottawa 100-200 40

Condiciones de la prueba

Presión de sobrecarga (psia) 3000

Presión de poro (psia) 1800

Caudal (cc/min) 0.3*

Temperatura (°F) 176

* Variable durante la prueba

Tabla 3-2: Característica de los fluidos

Aceite Aceite Cristal UPS (Tersol)

Tratamiento Filtrado por cemento

Salmuera Sintética

Composición de la salmuera

Compuesto Concentración

NaCl 10.709

CaCl2 0.8419

MgCl2 0.2538

FeCl2 0.00105

BaSO4 0.48593

NaHCO3 1.8643

Capítulo 3 47

3.4.2 Análisis de resultados de las pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento

Después de obtener resultados positivos en las pruebas estáticas se procedió a evaluar el

comportamiento de las lechadas con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros con una

concentración de 0.05 en un medio dinámico, esta prueba expone a la lechada de cemento

a una presión diferencial en el sistema debido a que el empaque de arena tiene su presión

de poro y la lechada su presión de inyección, otro factor muy importante es la temperatura

debido a que la lechada de cemento está a una temperatura diferente a la del sistema.

Figura 3-10: Pérdida por filtrado en Pruebas dinámicas a condiciones de yacimiento.

En la Figura 3-10, se corrobora el resultado obtenido en las prueba de filtrado API, esta

grafica no solo demuestra el volumen de filtrado obtenido en la probeta, sino también el

comportamiento del filtrado con nanopartículas, el cual disminuye considerablemente la

0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

0 20 40 60 80 100 120

Vo

lum

en d

e fi

ltra

do

(cc

)

TIempo (minutos)

Lechada Base

Lechada Base + NpSi58



tendencia de filtrado inicial después de los primeros 20 minutos, también se puede concluir

que el volumen de filtrado de la lechada con nanopartículas de sílice siempre fue menor

que el de la lechada base, esto debido a que existió una buena dispersión de

nanopartículas de sílice en el medio acuoso [43], lo cual produjo que las nanopartículas en

su mayoría actúen como centro de nucleación. Además si relacionamos los resultados

obtenidos con el modelo propuesto por levine [53] durante el periodo de difusión de la

hidratación de cemento, la migración de filtrado disminuye a medida que el cemento fragua,

produciendo una disminución gradual en la permeabilidad a nivel de nanodarcys

ocasionando que el filtrado se queda inmóvil en los microporos y nanoporos esto debido a

las fuerzas físico químicas y capilares de la lechada de cemento [55].

Tabla 3-3: Resultados de Kw y Ko, antes y después de la inyección de la lechada de cemento base.

Parámetro Valor Unidad

Permeabilidad absoluta 920 (mD)

Permeabilidad absoluta después de inyección de la lechada de cemento base

54 (mD)

Reducción de la permeabilidad 94 %


Permeabilidad efectiva 587 (mD)

Permeabilidad efectiva después de inyección de la lechada de cemento base

42 (mD)


La tabla 3-3 se presenta los valores obtenidos de permeabilidad absoluta y permeabilidad

efectiva del empaque de arena. Estos resultados se los obtuvo antes y después de la

prueba de filtrado realizada a la lechada base. En esta tabla se puede observar que el

Capítulo 3 49

porcentaje de daño producido por el cemento afecto drásticamente a la cara de la

formación, esto se lo corroboro en momento de medición del delta de presión debido a que

tomo mucho tiempo hasta que lograra estabilizarse. Por último, se procedió a realizar una

analisis visual del empaque de arena, y se pudo evidenciar mediante un corte que el daño

producido por la lechada de cemento era debido a un sello que había creado el cemento

en la zona lavada y también pequeñas precipitaciones producidas por el filtrado.

Tabla 3-4: Resultados de Kw y Ko, antes y después de la inyección de la lechada de cemento con nanopartículas de sílice de 58 nanómetros.


Permeabilidad absoluta 920 (mD)

Permeabilidad absoluta después de inyección de la

lechada de cemento con nanopartículas 264 (mD)



Permeabilidad efectiva 587 (mD)

Permeabilidad efectiva después de inyección de la

lechada de cemento con nanopartículas 136 (mD)


La tabla 3-4 se puede observar una disminución porcentual de la permeabilidad efectiva,

después de haber inyectado la lechada de cemento con nanopartículas de sílice, este

resultado es debido a que el empaque de arena estuvo expuesto a un menor volumen de

filtrado de la lechada de cemento. En el análisis visual se pudo verificar que el sello

producido por el cemento en la zona lavada era muy parecido al del empaque anterior, sin



embargo en el presente empaque se pudo notar una disminución en las precipitaciones

producidas por el filtrado.

4. Conclusiones y recomendaciones

4.1 Conclusiones

De acuerdo a los resultados obtenidos se pudo obtener las siguientes conclusiones:

Implementar la nanotecnología en la composición de las lechadas de cemento tiene

un futuro promisorio, debido a que los resultados obtenidos en esta tesis

promueven el uso de las nanopartículas de sílice como aditivo especial, para

controlar las pérdidas por filtrado y mitigar el daño de formación ocasionado por la

precipitación en su mayoría del carbonato de calcio y el sulfato de calcio presentes

en el filtrado.

Debido a las características físicas de las nanopartículas de sílice es aconsejable

utilizar bajas concentraciones en la formulación de lechadas de cemento, dado que

se incrementa la demanda de agua en la composición química original, se dificulta

la homogeneización de la mezcla, se genera mayor calor en el proceso de

hidratación y aumenta la cantidad de solidos presentes en la lechada de cemento.

El menor volumen de filtrado se produjo cuando se aplicó nanopartículas de 58

nanómetros con una concentración de 0.05 con respecto al peso del cemento,

reduciendo un 39 por ciento del valor obtenido por parte de la lechada base en la

prueba de filtrado API, y mostrando un comportamiento de filtrado menor en la

prueba dinámica a condiciones de yacimiento.

Los mejores resultados que se obtuvo en la aplicación de las nanopartículas de

sílice para ambos casos fue cuando se utilizó bajas concentraciones, este

parámetro a nivel económico hace atractivo realizar un proyecto de implementación

de nanotecnología en una lechada base.

Las nanopartículas de sílice fueron compatibles con los aditivos utilizados y debido

a su composición hidrofílica formo fuertes enlaces de hidrogeno lo cual redujo el

filtrado en las pruebas, también hay que mencionar que las nanopartículas de sílice

no reemplazan el controlador de filtrado en la composición de una lechada, por lo

cual la adición de las nanotecnología sería un complemento adicional en la

caracterización.



4.2 Recomendaciones

Esta tesis de investigación fue enfocada en mitigar las pérdidas por filtrado en procesos

de cementación de pozos, ocupando diferentes tamaños de nanopartículas de sílice, lo

cual podría servir como base para futuras investigaciones y así poder desarrollar nuevas

lechadas de cemento utilizando nanotecnología entre sus componentes. Por lo cual se

realizan las siguientes recomendaciones:

Evaluar un aditivo químico que esté compuesto por humo de sílice y nanopartículas

de sílice.

Analizar una posible relación de tendencia entre la concentración y el

comportamiento de las nanopartículas de sílice como centro de nucleación o de

relleno, en una lechada de cemento base.

Evaluar las perdidas por filtrado de una lechada de cemento compuesta por

nanopartículas de sílice, en núcleos de calizas, lutitas y areniscas

Investigar el comportamiento de las nanopartículas de sílice sobre los diferentes

tipos de cemento utilizados en el área petrolea.

Sintetiza nanopartículas de sílice con tamaños mayores a 58 nanómetros y evaluar

el efecto producido en las lechadas de cemento.

Sintetizar y caracterizar nanopartículas con estructura núcleo-cáscara y evaluar su

efecto en las perdidas por filtrado.

Investigar y entender los procesos a los cuales una lechada de cemento está

expuesta, debido a que es un factor determinante en la perforación y en la

producción de un pozo.

Analizar la aplicación de las nanopartículas de sílice en la elaboración de lechadas

de cemento expuestas a condiciones de altas temperaturas en pozos geotérmicos.

Bibliografía

1. Rabah Arezki, Zoltan Jakab, Douglas Laxton, A. M., & Armen Nurbekyan, Hou

Wang, and J. Y. (2017). Oil Prices and the Global Economy.

2. Reda Cherif, Fuad Hasanov, and A. P. (2017). Riding the Energy Transition: Oil

Beyond 2040.

3. Hon Chung Lau, M. Y. and Q. N. (2016). Nanotechnology for Oilfield Applications:

Challenges and Impact. SPE 183301–MS.

4. Jie Zhang, Long Li, Shuangwei Wang, Jianhua Wang, Henglin Yang, Zhiliang Zhao

,Jinzhi Zhu, Z. Z. (2015). Novel Micro and Nano Particle-Based Drilling Fluids:

Pioneering Approach to Overcome the Borehole Instability Problem in Shale

Formations. SPE-176991-MS.

5. Oscar Contreras, Geir Hareland, Maen Husein, Runar Nygaard, M. A.-S. (2014).

Application of In-House Prepared Nanoparticles as Filtration Control Additive to

Reduce Formation Damage. SPE-168116-MS.

6. K. H. Hiller. (1963). Rheological Measurements on Clay Suspensions and Drilling

Fluids at High Temperatures and Pressures. Petroleum Technology, 15(775–787).

7. Jamal Nasser, Anna Jesil, Tariq Mohiuddin, Majid Al Ruqeshi, G. D. and S. M.

(2013). Experimental Investigation of Drilling Fluid Performance as Nanoparticles.

World Journal of Nano Science and Engineering, 2013, 58–59.

8. Omar Mahmoud, Hisham A. Nasr-El-Din, Zisis Vryzas, V. C. and K. (2016).

Nanoparticle-Based Drilling Fluids for Minimizing Formation Damage in HP/HT

Applications. SPE-178949-MS.

9. Roberto Salas. (n.d.). Problemas Operacionales Durante La Perforación.

10. API 10B. (1997). Recommended Practice for Testing Well Cements. Washington,

DC.

11. Flores Albarrán and Hernández. (2012). Cementación de pozos petroleros en

aguas profundas”.



12. Dowel. (1988). Schlumberger. In Well Cementing. Paris.

13. Halliburton. (1997). Manual de técnicas de cementación.

14. Jeff Hibbeler, Phil Rae, Todd Gilmore, L. W. (2000). Using Alternative Sources of

Oilwell Cement. Kuala Lumpur.

15. Broni-Bediako E, Joel OF, O.-S. G. (2016). Oil Well Cement Additives.

16. San Juán Barbudo Miguel Angel, C. Y. S. (2014). Introducción a la fabricación y

normalización del cemento portland.

17. J.J. Jutten, P.A. Parcevaux and D.D. Guillot, Relationship between Cement

Composition, Mechanical Properties and Cement Bond Log Output. SPE 16652,

Dallas, TX, September 27, 1987.

18. Vargas, J. (2015). Variables que afectan la magnitud del radio de invasión y la

pérdida de permeabilidad por efecto de la variación de esfuerzos durante la

perforación.

19. Michaux M, defosse C. (1986). Oil cement slurries. In cement and concrete research

(pp. 23–30).

20. Rahul C. Patil, A. D. (2012). Use of Nanomaterials in Cementing Applications.

21. Ponmani J, "Applications of Nanotechnology for Upstream Oil and Gas Industry",

Journal of Nano Research, Vol. 24, pp. 7-15, 2013

22. Xiangling Kong, M. O. (2010). Applications of Micro and Nano Technologies in the

Oil and Gas Industry - Overview of the Recent Progress.

23. Guzman, Alexander Castañeda, M. (2012). Adsorción de azufrados del petróleo

utilizando nanopartículas de oro soportadas en fique.

24. Björnström J, Martinelli A., Matic A., Börjesson L. (2004). Accelerating effects of

colloidal nano-silica for beneficial calcium–silicate–hydrate

25. Li, H. Zhang, M. & OU J. (2006). Abrasion resistance of concrete containing nano-

particles for pavement. Wear 260. P 1262 – 1250

26. Qing, Y.; Zenan, ZH. Deyu, K. & Rongshen, CH. (2006). Influence of nano-SiO2

addition on properties of hardened cement paste as compared with silica fume.

Construction and Building Materials. In press.

Bibliografía 55

27. Santra, Ashok. Boul, Peter,. Xueyu Pang, (2012) Halliburton Influence of

Nanomaterials in Oilwell Cement Hydration and Mechanical Properties SPE

156937.

28. Xiujian, Xia, Jintang, Guo, Yakai, Feng, Di, Chen., Yongjin Yu., Jianzhou, Jin. &

Shuoqiong, Liu. (2016). Hydrophobic associated polymer “grafted onto” nanosilica

as a multi-functional fluid loss agent for oil well cement under ultrahigh temperature.

RSC Adv.

29. Atashnezhad, Amin Coryell, Tyler Hareland, G. (2017). Barite Nanoparticles

Reduce the Cement Fluid Loss.

30. Mesa, Carlos Pinzón, J. (2016). Evaluación técnico- financiera del uso de

nanomateriales en lechadas de cemento para revestimiento de producción en

campo Castilla a nivel de laboratorio.

31. Bustos, J. OSPINO, R. (1988) Reestructuración Teórico-Práctica del laboratorio

de lodos y cementos. Universidad Industrial de Santander, Manuales Teórico

y Práctico. Tesis de grado. Bucaramanga.

32. Zandi, N., Arefi, E. Mollaahmadi, and B. Nejand. “To study effect of adding Fe2O3

nanoparticles on the morphology properties and microstructure of cement mortar.”

Life Science Journal 8, no. 4 (2011): 550-554.

33. Wang, B., Wang, L., & Lai, F. C. (2008) Freezing resistance of HPT with nano-SiO2.

Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 23 (1)1 70-86

34. Bahadori, H,. & Hosseini, P. (2012) Reduction of cement consuption by the aid of

silica nano-particles (investigation on concrete properties). Journal of Civil

Engineering and Management, 18 (3), 413-423.

35. Senff, L., Labrincha, J., Ferreira, V. M., Hotza, D., Repette, W.L (2009). Effect of

nano-silica on rheology and fresh properties of cement pastes and mortars,

Construction and Building Materials 23 (7): 2487-2491.

36. Collepardi, S., Borsoi, A., Ogoumah Olagot, J., Troli, R Collerpardi, M., Cursio, A.

(2005) Influence of nanoparsize mineral addictions on performance of SCC, in Proc

of the 6 International Congress “Global Construction, Ultimate Concrete

Opportunities”, 5-7 July Dundee, UK.



37. Mohammadmehdi, Choolaei. Ali Morad, Rashidi. Mehdi, Ardjmand. Amir, Yadegari.

Hamid, S. (2012). The effect of nanosilica on the physical properties of oil well

cement.

38. L. Hui, X. Hui-gang, Y. Jie, O. Jinping, Microstructure of cement mortar with nano-

particles, Composites Part B: Engineering 35 (2004) 185–189.

39. G. Radenti, L. Ghiringhelli, Cementing materials for geothermal wells, Geothermics

1 (1972) 119–123.

40. S. Jeng-Ywan, C. Ta-Peng, and H. Tien-Chin, (2006) Effect of nanosilica on

characterization of Portland cement composite, Material Science and Engineering

424 266–274.

41. Marco Rivadeneira and Patrice Baby Características (2004). Geológicas generales

de los principales campos petroleros de Petroproducción 2-6.

42. A. Sobolkina, V. Mechtcherine, V. Khavrus, D. Maier, M. Mende, M. Ritschel, and

A. Leonhardt, Dispersion of carbon nanotubes and its influence on the mechanical

properties of the cement matrix,‖ Cement and Concrete Composites, vol. 34, no.

10, pp. 1104–1113, Nov. 2012.

43. Mendoza, O. (2013). Efecto híbrido de los nanotubos de carbono y la nanosílice.

Universidad Nacional de Colombia.

44. Medina, A. (2010). Evaluación del desempeño del cemento portland tipo III

adicionado con nanopartículas de hierro. Universidad Nacional de Colombia.

45. J. Gaitero, I. Campillo, and A. Guerrero (2008). Reduction of the calcium leaching

rate of cement paste by addition of silica nanoparticles 1112-118.

46. Tobón, J.I. (2011) Evaluación del desempeño del cemento pórtland adicionado con

nanopartículas de sílice. Universidad Nacional de Colombia.

47. Shih, Jeng-Ywan. Chang, T. Hsiao, T. (2006). Effect of nanosilica on

characterization of Portland cement composite. In Materials Science and

Engineering (pp. 266–274).

48. Li, G. (2004). Properties of high-volume fly ash concrete incorporating nano-SiO2.

In cement and concrete research (pp. 1043–1049).

49. Kuou, W. Huang, J. Lin, C. (2006). Kuou, W. Huang, J, Lin, Ch. In cement and

concrete research 36 (pp. 886–895).

Bibliografía 57

50. Nazari, A. Rihai, S. (2011). The effects of SiO2 nanoparticles on physical and

mechanical properties of high strength compacting concrete. In Composites part B

(pp. 570–578).

51. Senff, L. Hotza, W. Repette, V. Ferreira, M, Labrincha, J. (2010). Mortars with

nanoSiO2 and micro-SiO2 investigated by experimental design. In Construction and

Building Materials (pp. 1432–1437).

52. Taylor, H. F. W. (1997). Cement Chemistry (2nd ed.).

53. Levine, Dennis. Thomas, Eugene. Glen, Tolle. Bezner, H. (1979). Annular gas flow

after cementing: A Look at Practical Solutions.

54. Carter, L. Slangle, K. (1972). A study of completion practices to minimize gas

communication.

55. Alvarado, R. (2011). Procedimiento para la evaluación integral de cementaciones

de pozos mediante herramientas acústicas.

56. Hench, L. West, J. (1990). The sol-gel process. Chemical Reviews, (pp. 33-72).

57. W. Stöber, A. Fink, E. Bohn, "Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in

the Micron Size Range, " J. Colloid Interface Sci., vol. 26, pp. 62-69, 1968

58. Echeverri M. Giraldo L. López B. (2007). Síntesis y funcionalización de

nanopartículas de sílica con morfología esférica.

59. Rahman, A. Padavettan, V. (2012). Synthesis of Silica Nanoparticles by Sol-Gel:

Size-Dependent Properties, Surface Modification, and Applications in Silica-

Polymer Nanocomposites. Journal of Nanomaterials, 2–3.

60. Betancur, S. (2015). Desarrollo de Nanopartículas Basadas en Sílice para la

Inhibición de la Precipitación/Depositación de Asfáltenos.

61. Lopera, S. Universidad N. de C. Montaje experimental para pruebas de

desplazamiento. In Universidad Nacional de Colombia.

Documents

Nanopartículas aplicadas al control de pérdidas por ...bdigital.unal.edu.co/63932/1/573966.2018.pdf · utilizar la nanotecnología como alternativa en procesos de perforación de