Embed Size (px)
Citation preview
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Construcciones
Departamento de Ingeniería Civil
TRABAJO DE DIPLOMA
EVALUACIÓN DE LA ARCILLA CALCINADA
DE PONTEZUELA COMO ADITIVO EXTENDEDOR EN LECHADAS DE CEMENTO
PORTLAND
Autor: Alejandro Luis Castillo
Tutor: Lic. Juan Alberto Ribalta Quesada
Santa Clara
2015
Exergo
“No hay más que asomarse a las puertas de la ciencia
contemporánea para preguntarnos si es posible vivir y
conocer ese mundo del futuro sin un enorme caudal de
preparación y conocimientos”
Fidel Castro Ruz.
Agradecimientos
Agradecer no es simplemente reconocer la ayuda que
nos brindan, guardar en un pequeño rincón de nuestro
corazón un sentimiento puro hacia quienes en algún
momento te ofrece su mano para caminar por la vida.
En especial:
A todas aquellas personas que de una forma u otra
contribuyeron a lo largo de mi carrera y a la
realización de este trabajo llegue mi eterno
agradecimiento.
A mi Tutor Juan A. Ribalta por su paciencia y
dedicación en este trabajo.
A los compañeros del CINPET y del CTDMC por su
apoyo.
A Mandy y Eymma.
Agradezco a mis padres y hermanos que siempre me
apoyaron y con paciencia dieron todo de sí para que yo
culminara satisfactoriamente mis estudios.
Resumen
RESUMEN
En el presente trabajo se determinó la influencia de la arcilla calcinada de
Pontezuela en las lechadas de cemento Portland. Se realizaron ensayos de
fluido libre y reología, tanto para lechadas de cemento Portland con arcilla
calcinada de Pontezuela y lechadas con zeolita del yacimiento San Andrés a 5,
10, 20 y 30 % de sustitución de cemento Portland. Además se determinó la
resistencia mecánica de las lechadas con arcilla calcinada a los porcientos de
sustitución de cemento mencionados anteriormente. Se observó a medida que
aumentaba el porciento de sustitución de cemento por arcilla calcinada una
disminución del fluido libre, un aumento del punto de cedencia y de la
viscosidad plástica así como de la resistencia mecánica. A los mismos
porcientos de sustitución la arcilla calcinada presenta valores inferiores de
fluido libre y de viscosidad plástica en comparación con la zeolita mientras que
el punto de cedencia y la resistencia del gel son superiores. El valor más bajo
de resistencia mecánica se alcanzó en el 10 % de sustitución de cemento por
arcilla calcinada de Pontezuela, para un 5 y 20 % los valores de resistencia
mecánica son similares obteniéndose el mayor valor de resistencia mecánica
con un grado de sustitución de un 30 % de arcilla calcinada de Pontezuela.
Abstract
ABSTRACT
In the present work determined the influence of the calcined clay of Pontezuela
in the cement Portland slurries itself. Had him testings of free fluid and rheology,
as much for slurries of cement Portland with calcined clay of Pontezuela and
slurries with zeolite of the deposit San Andrés to 5, 10, 20 and 30 % of
replacement of cement Portland. Besides he determined to the percent of
mentioned before substitution of cement the mechanical resistance of the
slurries with calcined clay. One observed as the percent of substitution of
cement for calcined clay increased a decrease of the free fluid, an increase of
the yield point and of the plastic viscosity as well as of the mechanical
resistance. To the same percent of substitution the calcined clay presents
inferior values of free fluid and of plastic viscosity as compared with the zeolite
while the yield point and the gel strength is a superior. The lower value of
mechanical resistance was enough itself in 10 % of substitution of cement for
calcined clay of Pontezuela, for a 5 and 20 % the values of mechanical
resistance are matches showing the bigger value of mechanical resistance with
a degree of substitution of 30 % of calcined clay of Pontezuela.
ÍNDICE
GLOSARIO ...................................................................................................................................... 0
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 1
Capítulo I: Fundamentos teóricos acerca del uso de adiciones puzolánicas en lechadas de
cemento Portland para cementar pozos de petróleo ................................................................... 7
1.1. Cemento Portland ......................................................................................................... 7
1.1.1. Generalidades ....................................................................................................... 7
1.1.2. Hidratación del Cemento Portland ........................................................................ 9
1.1.3. Hidratación del Cemento Portland - Sistema multicomponente ........................ 11
1.1.4. Cementos utilizados en la cementación de Pozos de Petróleo (Cementos
Petroleros) ........................................................................................................................... 16
1.2. Aditivos de las lechadas de Cemento Portland ........................................................... 18
1.2.1. Generalidades ..................................................................................................... 18
1.2.2. Aditivos extendedores en las lechadas de Cemento Portland ............................ 18
1.3. Materiales cementicios suplementarios (MCS) .......................................................... 19
1.3.1. Generalidades ..................................................................................................... 19
1.3.2. Puzolanas ............................................................................................................. 20
1.3.3. Arcillas calcinadas como materiales cementicios suplementarios ..................... 22
Capítulo II: Evaluación de propiedades mecánicas y reológicas de lechadas de cemento
Portland con arcilla calcinada de Pontezuela como aditivo extendedor .................................... 26
2.1. Materiales y métodos. ................................................................................................ 26
2.1.1. Selección y procesamiento de la materia prima. ................................................ 26
2.1.2. Preparación de las lechadas de cemento. ........................................................... 27
2.1.3. Determinación de las propiedades reológicas y la resistencia del gel ................ 29
2.1.4. Determinación de la resistencia a compresión ................................................... 30
2.1.5. Determinación del fluido libre ............................................................................ 32
Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados ...................................................................... 34
3.1. Análisis de los resultados de los fluidos libres de las lechadas de cemento ............... 34
3.2. Análisis de los resultados de las reologías de las lechadas de cemento ..................... 35
3.3. Análisis de los resultados de la resistencia a compresión .......................................... 41
CONCLUSIONES GENERALES ....................................................................................................... 42
RECOMENDACIONES ................................................................................................................... 43
REFERENCIAS BIBLIOGRÁSFICAS ................................................................................................. 44
ANEXOS ....................................................................................................................................... 48
Glosario
GLOSARIO
Notación simplificada
Composición Nomenclatura
A Al2O3 Óxido de aluminio S SiO2 Dióxido de silicio C CaO Óxido de calcio M MgO Óxido de magnesio F Fe2O3 Óxido de hierro(III) $ SO3 Trióxido de azufre H H2O Agua Abreviatura Composición Nomenclatura C3S 3CaO·SiO2 Fase alita C2S 2CaO·SiO2 Fase belita C3A 3CaO·Al2O3 Fase aluminato C4AF 4CaO·Al2O3·Fe2O3 Fase ferrita CH Ca(OH)2 Hidróxido de calcio o
Portlandita CSH variable Silicatos de calcio hidratados 3C3A∙3C$∙32H 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O Etringita (AFt)
3C3A∙C$∙12H 3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O Monosulfoaluminato tricálcico
o (Afm)
Acrónimos CP Cemento Portland MCS Materiales Cementicios Suplementarios API American Petroleum Institute ISO International Organization for Standardization ASTM American Society for Testing Materials
Introducción
Página 1
INTRODUCCIÓN
Con el desarrollo de la ciencia y la técnica y el inicio de la revolución industrial
fue necesario sustentar todos estos avances con fuentes de energía capaces
de mantener este ritmo de desarrollo. Una de las fuentes empleadas es el
petróleo. Esta fuente de energía mantiene la mayor parte de la infraestructura
de los países a nivel mundial. Su extracción requiere la construcción y
perforación de manera eficiente y segura de pozos que pueden ser
horizontales, verticales o direccionales para conectar el yacimiento con la
superficie. El índice CEI (Instituto de Energía Cornell, por sus siglas en inglés)
muestra un incremento del 70% del costo entre 2003 y 2008 comparándose al
comúnmente utilizado Índice de Precios a la Producción (IPP) para
perforaciones de pozos de petróleo y gas (Lukawski et al., 2014). Esto
evidencia la necesidad de concebir estrategias y buscar soluciones que
disminuyan los costos de extracción fundamentalmente en los productos que
se emplean para la extracción del mineral y el gas acompañante.
El proceso de perforación de pozos consiste básicamente en penetrar las
capas de la corteza terrestre empleando mechas de perforación adecuadas a
medida que se profundiza. El método más generalizado es la perforación
rotativa. La perforación se realiza por etapas, de manera que el tamaño del
pozo en la parte superior es más ancho que en la parte inferior teniendo forma
telescópica. Esto le da consistencia evitando posibles derrumbes.
La cementación primaria es el proceso de colocar cemento en el espacio anular
entre el revestidor y las formaciones rocosas expuestas a la perforación
(Nelson y Guillot, 2006). El objetivo principal de la cementación primaria
siempre ha sido proveer aislamiento zonal en los pozos de petróleo, proteger al
Introducción
Página 2
acero de la corrosión y evitar que el revestidor se dañe producto de las cargas
laterales. Para lograr este objetivo, un sello hidráulico debe ser obtenido entre
el revestidor y el cemento y entre el cemento y las formaciones; al mismo
tiempo prevenir canales de fluidos en el cemento endurecido. La optimización
de la producción comienza con una buena terminación y esta depende de la
integridad del trabajo de la cementación primaria. La cementación primaria
representa del 5 al 8 % del costo total de la construcción del pozo. Si la
cementación primaria falla se incrementarían los costos operacionales, la
terminación y producción se verían afectadas, existiendo el riesgo de pérdida
del pozo y la posibilidad de incrementar el número de rehabilitaciones en los
pozos, lo cual demuestra que la calidad de la cementación es más importante
que el costo del proceso. Además de las fallas técnicas que pueden
presentarse, otra de las causas que provocan los fracasos en la cementación
primaria es la falta de control sobre las propiedades de las lechadas de
cemento, ya que esto puede afectar el tiempo de bombeabilidad, la resistencia
a la compresión del cemento fraguado y las propiedades de flujo (Papatzani et
al., 2015, Nelson y Guillot, 2006).
El cemento Portland es el material de construcción más usado en el mundo
debido a la abundancia de materias primas para la fabricación del mismo y su
versatilidad (Tironi et al., 2012). La producción global anual de cemento de hoy
ha alcanzado 3.6·109 toneladas métricas y están previstas a incrementarse
hasta aproximadamente 5.8 ·109 toneladas métricas al año (Hewlett, 2004). El
crecimiento principal está previsto en países como China e India así como
también en regiones como el Oriente Medio y Noreste de África (Schneider et
Introducción
Página 3
al., 2011). Por sus propiedades el cemento Portland es el cemento más
empleado como parte componente de las lechadas en los pozos de petróleo.
Además del cemento Portland y el agua, los aditivos constituyen un ingrediente
fundamental de las lechadas de cemento. Entre los aditivos más empleados
son los extendedores, los cuales son de gran importancia durante la
cementación primaria ya que dentro de sus funciones esta disminuir la
densidad del cemento, reducir la cantidad de cemento por unidad de volumen
de producto determinado o ambos (Nelson y Guillot, 2006).
Existe una variedad de productos que se comercializan como extendedores en
la actualidad. Los extendedores más comunes son productos naturales o
subproductos de algunos procesos industriales, los cuales no están
ampliamente disponibles en todos los lugares. Los extendedores más usados
internacionalmente son: bentonita, ceniza volante, humo de sílice, entre otros.
En Cuba no existe disponibilidad de estos productos, tanto los naturales como
los derivados de la industria, por lo que es necesario buscar alternativas para
reducir este déficit.
Actualmente en nuestro país se emplea como alternativa la zeolita. El empleo
de este mineral como aditivo extendedor si bien ha sido la práctica común en
nuestro país tiene como inconveniente principal que su uso está limitado a 5 %
en masa ya que su incremento provoca problemas de sedimentación. Esto
puede provocar la canalización de fluidos hacia el pozo impidiendo el
cumplimiento del objetivo principal de la cementación primaria. También los
extendedores disminuyen el costo de la lechada por lo cual se hace necesario
aumentar el por ciento de sustitución de cemento por estos en la lechada, sin
afectar las propiedades de las mismas. Ante esta situación toma mayor
Introducción
Página 4
importancia potenciar el desarrollo de investigaciones destinadas a desarrollar
nuevas fuentes de materiales puzolánicos que sean accesibles desde el punto
de vista económico, energético y medio ambiental. En el CIDEM se ha estado
estudiando el empleo de arcillas calcinadas con bajo contenido de metacaolín
como adiciones puzolánicas en la fabricación de cementos. Nuestro país tiene
grandes yacimientos de este tipo de arcillas, por lo que constituyen un potencial
producto para emplearlo en este uso.
Definición del problema de investigación.
La calidad de la cementación así como el cemento utilizado en las
perforaciones de pozos de petróleo constituyen un factor importante en la
durabilidad de los mismos. Debido al desarrollo industrial alcanzado a nivel
mundial y la necesidad de emplear fuentes de energía que permitan el aumento
del desarrollo económico, es ineludible el aumento de perforaciones duraderas
y con mayor eficiencia para incrementar el uso del petróleo como combustible.
Cuba depende en gran medida de las importaciones de combustibles fósiles
por la falta de recursos energéticos propios. Con el descubrimiento de
yacimientos en la zona noroccidental del país, la industria cubana del petróleo
ha experimentado en los últimos años un dinamismo con una repercusión
positiva en la economía nacional.
En Cuba no existe un estudio sistemático del empleo de arcillas calcinadas de
bajo contenido de metacaolín como aditivo en la formulación de lechadas de
cemento para pozos de petróleo, por lo cual se formula el siguiente problema
científico: ¿Cómo influye la presencia de la arcilla calcinada de Pontezuela en
las propiedades reológicas y mecánicas de lechadas de un cemento Portland
Introducción
Página 5
producido a escala de planta piloto a partir de clinker de Sigüaney y yeso de la
salina Bidos?
Objeto de Estudio:
Arcilla calcinada de Pontezuela como aditivo en lechadas de cemento
Portland.
Lechadas de cemento Portland.
Campo de Acción:
Aditivos extendedores en lechadas de cemento Portland para cementación de
pozos de petróleo.
Objetivo General:
Evaluar la influencia de la arcilla de Pontezuela calcinada en las propiedades
reológicas y mecánicas de lechadas de un cemento Portland producido a
escala de planta piloto a partir de clinker de Sigüaney y yeso de la salina Bidos.
Objetivos específicos:
1. Evaluar la influencia de la arcilla calcinada de Pontezuela en las
propiedades reológicas y el desarrollo de fluido libre de lechadas de
cemento Portland.
2. Evaluar la influencia de la arcilla calcinada de Pontezuela en la
resistencia a compresión de lechadas de cemento Portland endurecidas.
3. Comparar el comportamiento de lechadas de cemento Portland con
arcilla calcinada de Pontezuela con las preparadas con zeolita del
yacimiento de San Andrés.
El informe de investigación tiene la siguiente Estructura de Tesis:
Resumen.
Introducción.
Introducción
Página 6
Capítulo I: “Fundamentos teóricos acerca del uso de adiciones
puzolánicas en lechadas de cemento Portland para cementar pozos de
petróleo”. Se realiza en este capítulo una revisión bibliográfica sobre el
tema a tratar, permitiendo la actualización para realizar el trabajo.
Capítulo II: “Evaluación de propiedades mecánicas y reológicas de
lechadas de cemento Portland con arcilla calcinada de Pontezuela como
aditivo extendedor”. En este capítulo se enfoca en la descripción de los
materiales empleados, el diseño y ensayos experimentales realizados a
las lechadas elaboradas.
Capítulo III: “Análisis y discusión de los resultados”.
Conclusiones.
Recomendaciones.
Referencias Bibliográficas.
Bibliografía.
Anexos.
Capítulo I
Página 7
Capítulo I: Fundamentos teóricos acerca del uso de adiciones
puzolánicas en lechadas de cemento Portland para cementar pozos de
petróleo.
1.1. Cemento Portland.
1.1.1. Generalidades.
En 1900 la producción mundial total de cemento Portland fue cerca de 10
millones de toneladas métricas; en 1998 fueron 1.6 billones de toneladas
métricas (Aïtcin, 2000). La producción global anual de cemento actualmente ha
alcanzado 3.6·109 toneladas métricas con grandes potencialidades de
incrementarse a 5.8·109 toneladas métricas para el 2050, gracias al desarrollo
de países como China e India (Hewlett, 2004).
El cemento Portland se produce calcinando una mezcla de piedra caliza y
arcilla u otros materiales de composición similar y suficiente reactividad, a una
temperatura de aproximadamente 1450 0C. Durante el proceso ocurren
determinadas reacciones químicas, se produce la fusión parcial de los
productos formados y se forman los nódulos de clinker. El clinker es mezclado
con sulfato de calcio y finamente molido para hacer el cemento. El sulfato de
calcio controla la velocidad de fraguado e influye en la resistencia mecánica. Es
comúnmente adicionado como yeso, pero esta puede ser en parte o
totalmente reemplazado por otras formas de sulfato de calcio. Algunas
especificaciones permiten la adición de otros materiales en la etapa de
molienda. El clinker normalmente contiene cuatro fases principales, alita, belita,
aluminato y ferrita. Otras fases, como los sulfatos alcalinos y el óxido de calcio,
están normalmente presentes en cantidades menores (Kurdowoski, 2014,
Rixom y Mailvaganam, 1999, Taylor, 1997, Nelson y Guillot, 2006).
Capítulo I
Página 8
La alita es el constituyente más importante del clinker de cemento Portland y es
silicato tricálcico (Ca3SiO5) modificado en composición y estructura cristalina
por la incorporación de otros iones, especialmente Mg2+, Al3+ y Fe3+. Esta fase
influye decisivamente en la rapidez del fraguado del cemento y sus productos
de hidratación son los principales responsables de la resistencia mecánica y
otras propiedades del cemento Portland fraguado. Constituye del 45 al 60 %
del clinker. La alita representa una solución sólida de silicato tricálcico con una
pequeña cantidad (2 – 4 %) de MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 y de otras impurezas
que pueden influir considerablemente sobre la estructura y las propiedades del
cemento (Nelson y Guillot, 2006, Ramachandran y Beaudoin, 2001, Taylor,
1997).
La belita (silicato dicálcico) 2CaO·SiO2 (o C2S); Ca2SiO4, es el segundo mineral
silíceo por su importancia y contenido (20 – 30 %) que compone el clinker.
Endurece con lentitud, pero alcanza elevada resistencia mecánica después de
un fraguado prolongado del cemento Portland. La belita en el clinker representa
una solución sólida del silicato dicálcico ( ̶ C2S) y de una cantidad pequeña
(1 – 3 %) de Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3 y otros (Ramachandran y Beaudoin,
2001, Taylor, 1997).
La fase aluminato es aluminato tricálcico (Ca3Al2O6), considerablemente
modificado en composición y a veces también en estructura por otros iones,
especialmente Si4+, Fe3+, Na+ y K+, su contenido en el clinker varía en una
cantidad del 4 al 12 %. Reacciona rápidamente con el agua y puede causar un
rápido fraguado del CP a menos que un agente controlador del fraguado,
usualmente yeso, sea añadido (Ramachandran y Beaudoin, 2001, Taylor,
1997).
Capítulo I
Página 9
La fase ferrita es aluminatoferratotetracálcico (Ca4AlFeO5), modificado en
composición debido a la variación de la relación Al/Fe y la incorporación de
otros iones, constituye en el clinker una cantidad del 10 al 20 %. La velocidad
a la cual reacciona con el agua ocupa una posición intermedia entre las de las
fases alita y belita, por eso no ejerce una influencia determinante sobre la
velocidad de fraguado y del desprendimiento de calor del cemento Portland
(Ramachandran y Beaudoin, 2001, Taylor, 1997).
1.1.2. Hidratación del Cemento Portland.
La hidratación del cemento Portland es un proceso muy complejo; por mucho
tiempo ha sido el tema de numerosas discusiones y controversias. Las
opiniones contradictorias provenientes de la teoría de cristalización propuesta
por Le Chatelier y la teoría coloidal propuesta por Michaelis son ejemplos de
lo complejo que es este proceso (Kurdowski, 2014).
La reacción del silicato tricálcico con agua es un proceso heterogéneo
complejo. Cursa por la formación del silicato de calcio hidratado (C-S-H) y el
hidróxido de calcio. La relación entre estas dos fases se representa por la
siguiente ecuación:
C3S + 5.3H → C1.7SH4 + 1.3CH
El C2S o belita reacciona de manera similar al C3S para formar también C-S-H
y CH.
C2S + 4.3H → C1.7SH4 + 0.3CH
Los C-S-H formados constituyen la fase más importante (tobermorita) de los
productos de hidratación del CP y es precisamente el componente que aporta
las buenas propiedades mecánicas y químicas que posee el cemento
(Betancourt Rodríguez, 2013). La portlandita formada es muy soluble en
Capítulo I
Página 10
agua, lo cual puede ocasionar que, debido a su lixiviación, la estructura del
cemento fraguado se vuelva más porosa y como consecuencia se afecte la
resistencia mecánica del mismo. También al ser una sustancia de propiedades
básicas es susceptible al ataque por las aguas ácidas, formadas
fundamentalmente por la presencia en estas de CO2 y H2S disueltos.
Después de una hidratación inicial rápida pero breve (periodo de preinducción)
y experimentar un periodo de baja reactividad (periodo de inducción), las fases
silicatos no ejercen una influencia significativa en la reología de las lechadas de
cemento durante el bombeo de estas en el pozo de petróleo (Nelson y Guillot,
2006).
En presencia de agua y yeso, las fases aluminato del CP (C3A) reaccionan
para formar etringita:
C3A + 3C$2H + 26H → AFt (C3A·3C$·32H)
La fase aluminato tiene una influencia importante sobre la reología de las
lechadas de cemento durante la etapa inicial de hidratación y sobre el
desarrollo de la resistencia mecánica a edades tempranas,
independientemente de que su cantidad sea considerablemente menor que la
de los silicatos (alita, belita). A diferencia de los C-S-H, los aluminatos de calcio
hidratados no son amorfos, lo que impide que se forme una capa protectora
sobre la superficie de los granos de C3A y consecuentemente no se observe el
periodo de inducción, ocurriendo la hidratación rápidamente. Si no se controla
este proceso se pueden afectar las propiedades reológicas de las lechadas de
CP. La hidratación del C3A es controlada por la adición de una pequeña
proporción de yeso durante la molturación del clinker (de 3 a 5 % de la masa de
cemento). El contenido óptimo de yeso debe ser balanceado de acuerdo con la
Capítulo I
Página 11
reactividad del clinker, aunque depende también, entre otros, de la distribución
granulométrica del cemento, los álcalis, la temperatura y el contenido de la fase
aluminato (Taylor, 1997, Nelson y Guillot, 2006). Al añadir yeso, la velocidad
de disolución de esta fase disminuye debido a la adsorción de los iones SO42-
sobre los sitios reactivos, lo cual desacelera la reacción de la fase aluminato
con el CaSO4 con formación de etringita (Scrivener y Nonat, 2011).
Cuando el contenido de iones SO42- disminuye, la reacción entre el C3A y las
fases AFt en presencia de agua generan fases del tipo AFm
(monosulfoaluminatos de calcio):
AFt + 2C3A + 4H → AFm (3C3A·C$·12H)
Las reacciones de la fase ferrita con el agua son más lentas que las del C3A,
sin embargo, se forman los mismos productos de hidratación (Brouwers,
2011).
C4AF + 14 H → C4(A1-x, Fx)H11 + (F1-x, Ax)H3
1.1.3. Hidratación del Cemento Portland - Sistema multicomponente.
La hidratación del CP es una secuencia de reacciones químicas simultáneas
entre los componentes del clinker, sulfato de calcio y agua, provocando el
espesamiento y endurecimiento continuo de las lechadas de cemento. Este es
un proceso exotérmico, por lo que la velocidad de desprendimiento de calor es
una medida de la velocidad del proceso. Se pueden considerar cinco etapas
diferenciadas en las curvas de velocidad de desprendimiento de calor durante
la hidratación del cemento (ver fig.1.1).
Durante la primera etapa, “período de preinducción”, ocurre una rápida
reacción entre C3S y el agua. Esta etapa se caracteriza por una intensa señal
exotérmica en los experimentos de calorimetría isotérmica, como consecuencia
Capítulo I
Página 12
de la disolución del C3S. Su duración es muy corta y finaliza cuando se inicia la
segunda etapa denominada "período de inducción", en la que la velocidad de
desprendimiento de calor es muy baja. El período de inducción se considera
una disolución lenta de C3S. Tan pronto como entra en contacto con el agua el
C3S se disuelve y las concentraciones de calcio, silicato e hidróxidos se
incrementan en la disolución disminuyendo el grado de subsaturación y así la
velocidad de reacción. Este período se alarga varias horas, tiempo durante el
cual la pasta es laborable (Scrivener y Nonat, 2001, Berodier y Scrivener,
2015).
La tercera etapa es conocida con el nombre de “aceleración” y se asocia a la
precipitación masiva de productos de reacción (básicamente gel CSH y
portlandita). Después de esta etapa la velocidad de las reacciones disminuye y
la porosidad del sistema decrece como consecuencia de la formación de los
hidratos, dando lugar a la cuarta etapa denominada “desaceleración”. La última
etapa es la “difusión” en la cual las reacciones transcurren ya a muy baja
velocidad; la red de productos de hidratos se hace más y más densa y la
resistencia aumenta (Puertas y Vázquez, 2001).
Fig.1.1. Velocidad de evolución del calor durante la hidratación de la alita.
Capítulo I
Página 13
Aunque la hidratación del C3S es usado a menudo como un modelo de
hidratación del CP, se debe tener en cuenta que otros parámetros adicionales
están involucrados. Entre ellos se encuentran: efecto de la temperatura, el
contenido de yeso y de las fases de este presente en el CP, influencia de los
álcalis, de la distribución granulométrica y la presencia de sulfatos de sodio y
de magnesio en el sistema (Nelson y Guillot, 2006).
Efecto de la temperatura.
La temperatura es uno de los factores principales que afecta la hidratación del
cemento Portland. La velocidad de hidratación del cemento, la naturaleza,
estabilidad y la morfología de los productos de hidratación dependen de este
parámetro (Nelson y Guillot, 2006). A elevadas temperaturas se acelera la
hidratación del cemento Portland.
Si durante el proceso de cementación de pozos de petróleo existen altos
valores de temperatura, la velocidad de hidratación se incrementa y la duración
de los periodos de inducción y endurecimiento del cemento disminuyen,
provocando pérdida de fluidez de las lechadas de cemento y como
consecuencia menor tiempo de bombeabilidad.
Hasta 40 0C los productos de hidratación son los mismos que aquellos que se
forman a condiciones ambientales. Sin embargo, a altas temperaturas ocurren
cambios en la microestructura y en la morfología del gel C-S-H: los materiales
se vuelven más fibrosos e individualizados y se observa un alto grado de
polimerización de los silicatos. A temperaturas superiores a los 110 oC el gel de
C-S-H se vuelve inestable y se forman silicatos de calcio hidratados cristalinos,
lo cual usualmente trae como consecuencia una disminución de la resistencia a
compresión y un aumento de la permeabilidad del cemento fraguado. Este
Capítulo I
Página 14
fenómeno se conoce como “retrogresión de la resistencia”. El gel C-S-H a
menudo se convierte en la modificación alfa del silicato dicálcico hidratado (α-
C-S-H)”, este compuesto es altamente cristalino y mucho más denso que el gel
C-S-H; como resultado se produce una contracción que deteriora la integridad
del cemento fraguado. La pérdida de resistencia que se produce no es
suficiente para afectar la estabilidad del revestidor, el problema real se
encuentra en el grave aumento de la permeabilidad, lo que ocasiona que no se
mantenga el adecuado aislamiento zonal en la estructura del pozo. Una forma
de prevenir este fenómeno es reduciendo la relación CaO/SiO2, lo que se
puede lograr añadiendo SiO2 finamente molido a los cementos utilizados para
la cementación de los pozos de petróleo (Kurdowski, 2014).
Por su parte, el comportamiento de los sulfoaluminatos de calcio también
depende de la temperatura de curado. Alrededor de los 60 oC, la etringita se
vuelve inestable y se descompone en monosulfoaluminato de calcio y yeso. Sin
embargo, algunos investigadores han documentado mayores límites de
estabilidad de la etringita, hasta los 110 oC y que el mosulfoaluminato de calcio
se mantiene estable hasta los 190 oC (Nelson y Guillot, 2006).
Fraguado rápido y falso fraguado.
Si el clinker del CP es molido solo (sin yeso) y mezclado con agua, el C3A
reacciona rápidamente y la temperatura aumenta notablemente. Este
fenómeno es conocido como “fraguado rápido” y es importante señalar que
todavía puede ocurrir si la cantidad de yeso en el cemento es insuficiente con
respecto a la reactividad del clinker (Scrivener y Nonat, 2011).
Debido al calor generado durante el proceso de molienda en los molinos de
cemento, el sulfato de calcio se deshidratada en una extensión variable. En
Capítulo I
Página 15
algunos casos, el sulfato de calcio semihidratado (CaSO4·½H2O) y/o la
anhidrita (CaSO4) soluble son las únicas formas de sulfato de calcio presentes.
A temperatura ambiente las solubilidades de estos compuestos son
aproximadamente dos veces que las del yeso, por lo tanto, las fases acuosas
de las lechadas se sobresaturan rápidamente con respecto al yeso. Debido a
esto, el llamado “yeso secundario” precipita y se observa un marcado
endurecimiento de las lechadas de cemento, conocido como “falso fraguado”.
Este fenómeno puede ser reversible mediante la agitación enérgica de las
lechadas, sin embargo, tal agitación no podría ser posible durante la mayoría
de las operaciones de cementación de los pozos, particularmente si las
lechadas son mezcladas continuamente. La adición de dispersantes puede
resultar útil para reducir el impacto reológico del falso fraguado sobre las
lechadas de cemento (Nelson y Guillot, 2006).
Influencia de los Álcalis.
Los iones Na+ y K+ están presentes en el cemento como sulfatos y en las fases
silicatos y aluminatos. Cuando los compuestos que contienen estos iones
reaccionan con agua, sus aniones forman productos de baja solubilidad, como
la etringita, C-S-H o fases AFm y se forman cantidades equivalentes de iones
hidroxilos (OH-). Debido a que los hidróxidos de sodio y potasio son solubles se
facilita el paso de iones OH- a la disolución de poros. Estos iones reaccionan
con ciertos tipos de sílice que están presentes en determinados componentes
de la formación de los pozos de petróleo, resultando tensiones internas que
pueden causar expansión y fractura. Por tales razones, las cantidades de sodio
y potasio usualmente se mantienen por debajo del 1 % (expresadas como
óxidos). El efecto de los álcalis sobre la resistencia a compresión es
Capítulo I
Página 16
impredecible y depende de un número significativo de parámetros. Pueden
tener un efecto positivo sobre la resistencia a edades tempranas, pero un
efecto negativo sobre la resistencia a largo plazo (Taylor, 1997).
Influencia de la distribución granulométrica.
La distribución granulométrica es un parámetro importante con respecto a la
reactividad del cemento y la reología de las lechadas. La relación agua-
cemento para mojar las partículas de cemento y preparar una lechada
bombeable está directamente relacionada con el área de superficie de
cemento. Por lo tanto, para un buen desempeño la finura es controlada por el
fabricante de cemento. El desarrollo de la resistencia a compresión es
usualmente controlada modificando la superficie específica del cemento.
Generalmente los resultados indican que cementos con distribución
granulométrica uniforme tienden a desarrollar resistencias a compresión más
altas (Nelson y Guillot, 2006). A mayor área superficial se acelera la velocidad
de hidratación produciendo que el cemento fragüe más rápido, lo que
demuestra que si se quiere retardar el endurecimiento de las lechadas de
cemento se debe disminuir la finura de las partículas de cemento.
1.1.4. Cementos utilizados en la cementación de Pozos de Petróleo
(Cementos Petroleros).
La norma (British Standards Institute, 2009) plantea diferentes clases de
cemento Portland: A, B, C, D, G, H y clasificados en ordinarios (O), moderada
resistencia a los sulfatos (MRS) y alta resistencia a los sulfatos (ARS).
Clase A y Clase B: Estas clases de cemento están indicadas para usarse en
pozos desde la superficie hasta 1830 m de profundidad cuando no se requieran
propiedades especiales. El cemento Clase A está disponible sólo en el Grado
Capítulo I
Página 17
Ordinario (O). El cemento Clase B está disponible en los Grados de Moderada
(MRS) o Alta (ARS) Resistencia a los Sulfatos.
Clase C: Este cemento está indicado para ser empleado en pozos desde la
superficie hasta 1830 m de profundidad. Es molido más finamente y tiene un
contenido de C3S mayor, ambas características contribuyen a que tenga una
mayor resistencia mecánica a edades tempranas. Esta clase de cemento está
disponible en los grados Ordinario (O), de Moderada (MRS) o de Alta (ASR)
resistencia a los sulfatos.
Clase G y Clase H: También llamados cementos básicos. Estas clases están
indicadas para profundidades desde la superficie hasta 2440 m. Químicamente
son similares al cemento Clase B pero su fabricación es realizada bajo
especificaciones químicas y físicas más rigurosas, lo que conlleva a un
producto más uniforme. En su producción no contiene aceleradores,
retardadores o agentes de control de viscosidad diferentes al yeso el cual
normalmente se muele con el clinker (no más de 5 %). Ambos están
disponibles en los grados MRS y ASR.
Clase D, E Y F: También conocidos como cementos retardados. La mayor
parte de estos cementos son retardados con un compuesto orgánico, mientras
que otros por medio de composición química y molienda. Estos cementos son
más costosos y no son usados comúnmente a menos que se requieran sus
propiedades especiales (Zeng et al., 2012, British Standards Institute, 2009).
Los cementos usados para la cementación de pozos de petróleo encuentran
una amplia aplicación en la exploración y producción de hidrocarburos fósiles.
Ellos satisfacen los requerimientos de materiales que forman lechadas de baja
viscosidad, que se mantienen bombeables durante largos periodos de tiempo
Capítulo I
Página 18
aunque se sometan a altos valores de temperatura y presión y pueden ser
adaptados para endurecer rápidamente una vez concluido el proceso de
bombeo (Teklay et al., 2014, Gamelas et al., 2014, Bastos, 2012). Estos
cementos deben garantizar que las lechadas utilizadas en la cementación de
los pozos de petróleo cumplan con todos los requisitos establecidos: densidad,
tiempo de espesamiento, control de pérdida de fluido, fluido libre, desarrollo de
la resistencia a compresión y compatibilidad de los fluidos (lechadas de
cemento, lodos de perforación y fluidos separadores) (American Petroleum
Institute, 2013).
Los cementos utilizados a mayores profundidades y en medios más agresivos
son los tipo G y H, los cuales tienen una composición química muy parecida y
sólo se diferencian entre sí por su superficie específica de 280-340 m2/kg y
200-260 m2/kg, respectivamente (Sánchez et al., 2011, Nygaard, 2010).
1.2. Aditivos de las lechadas de Cemento Portland.
1.2.1. Generalidades.
Los aditivos modifican el comportamiento del cemento; idealmente permiten la
colocación exitosa de la lechada entre la envoltura y la formación, el desarrollo
rápido de resistencia a la compresión y el aislamiento zonal adecuado durante
la duración de la vida del pozo. Estos se clasifican en aceleradores,
retardadores, extendedores, dispersantes, controladores de filtrado, agentes de
control de circulación de fluidos y otros aditivos especiales.
1.2.2. Aditivos extendedores en las lechadas de Cemento Portland.
Los aditivos extendedores de la lechada de cemento se usan rutinariamente
para lograr uno o ambos de los siguientes objetivos:
Capítulo I
Página 19
Reducir la densidad de la lechada: Una reducción de densidad de la
lechada reduce la presión hidrostática durante la cementación. Esto ayuda
a prevenir la pérdida de circulación inducida por la presencia de
formaciones débiles. Además, el número de etapas requeridas para la
cementación de un pozo pueden ser reducidas.
Incrementar el rendimiento de la lechada: Los extendentes reducen la
cantidad de cemento requerido para producir un volumen dado de producto
determinado. Esto da como resultado un mayor ahorro de recursos.
Entre los tipos de aditivos extendedores más usados están las arcillas, de las
cual la bentonita es la más utilizada, los silicatos de sodio, las puzolanas, por
ejemplo las tierras diatomeas, cenizas volantes, sílica, etc.
Existen pocos reportes de arcillas calcinadas como aditivo extendedor en
lechadas de cemento Portland para cementar pozos de petróleo. Además los
estudios se concentran en el empleo de metacaolín de alta pureza, sin
embargo la utilización de los productos de la calcinación de arcillas con bajo
contenido de caolín como extendedores en lechadas de cemento Portland, han
recibido poca atención.
1.3. Materiales cementicios suplementarios (MCS).
1.3.1. Generalidades.
El uso de materiales cementicios suplementarios representa una viable
solución para sustituir parte del cemento Portland lo cual conduce a una
reducción significativa de las emisiones de CO2 por tonelada de cemento
producido.
La mezcla de MCS con cemento Portland conduce a un sistema más complejo
donde la hidratación del CP y las reacciones químicas del MCS ocurren
Capítulo I
Página 20
simultáneamente y pueden influenciar la reactividad el uno del otro. La reacción
de la mayoría de los MCS es más lenta que la reacción de las fases del clinker.
La cinética de la reacción de los MCS depende de la composición química, la
finura y de la cantidad de fases reactivas, así como también en la composición
de la solución en la cual interactúa. La adición de MCS ricos en sílice da como
resultado la formación de C-S-H con más baja relación Ca/Si pero con muchos
defectos estructurales (Lothenbach et al., 2011).
En la actualidad se comercializan una gran variedad de productos que se
emplean como MCS. Dentro de los materiales cementicios suplementarios más
empleados están el humo de sílice, cenizas volantes y metacaolín. Existen
también muchas investigaciones que demuestran la posibilidad de destinar
otras fuentes de sílice tales como ceniza de la cascarilla de arroz, la ceniza de
la biomasa de caña de azúcar, los desperdicios cerámicos, las tobas naturales
de la zeolita, etc. (Souza et al., 2012).
1.3.2. Puzolanas.
Las puzolanas, se definen como “aquellos productos naturales o artificiales,
silíceos o aluminosilíceos que, por sí mismos, poseen poca o ninguna
propiedad aglomerante, pero que, finamente molidos y en presencia de agua,
reaccionan químicamente con el Ca(OH)2 a temperatura ambiente para formar
compuestos con propiedades cementantes” (ASTM International, 2007).
Las puzolanas son ampliamente usadas como aditivos en las lechadas de
cemento Portland. Las puzolanas son conocidas por aumentar la durabilidad
del cemento endurecido, disminuir el calor de hidratación, aumentar la
resistencia al ataque de sulfatos y reducir los costos por unidad de cemento
producido. Sin embargo, su influencia en el desarrollo temprano y final de la
Capítulo I
Página 21
resistencia mecánica del cemento no es elevado lo cual depende de varios
parámetros, incluyendo su reactividad (Uzal et al., 2010, Snellings et al, 2010,
Ikotun y Ekolu, 2010, Ahmadi y Shekarchi, 2010).
El metacaolín (MK) ha sido estudiado por sus altas propiedades puzolánicas.
A diferencia de otras puzolanas, es un producto básico, no un producto
secundario o un subproducto (Ramezanianpour y Jovein, 2012). Ha sido
demostrado que el reemplazo del cemento Portland por 5 – 10 % de
metacaolín puede mejorar drásticamente las propiedades mecánicas de
cemento endurecido, así como también su durabilidad (Fernandez et al.,
2011).
Las zeolitas naturales son una fuente de silicatos y aluminatos, los cuales
reaccionan con el Ca(OH)2, un producto de la hidratación del cemento Portland,
para formar silicatos de calcio hidratado. Esta reacción llamada reacción
puzolánica es responsable de aumentar la resistencia a largo plazo y refinar la
estructura del poros del material endurecido (Ikotun y Ekolu, 2010).
La reactividad de la zeolita está relacionada con su elevada superficie
específica y estructura metaestable, lo cual favorece su disolución en la
solución saturada de cal y la precipitación sucesiva de las fases C-S-H (Silicato
de calcio hidratado) y de C-A-H (aluminato de calcio hidratado). El
reemplazo de cemento por tobas zeolíticas reduce la laborabilidad de la
lechada y aumenta la demanda de agua pero este efecto puede reducirse
usando un superplastificante (Caputo et al., 2008).
De acuerdo a las especificaciones normadas para cenizas volantes y
puzolanas naturales o artificiales y su empleo en hormigones, la composición
Capítulo I
Página 22
química debe ser tal que la suma de los óxidos de Si, Al y Fe expresados como
por ciento en masa, sea superior al 70 % (Mangadlao et al., 2015).
1.3.3. Arcillas calcinadas como materiales cementicios suplementarios.
En la búsqueda y desarrollo de nuevas fuentes de materiales puzolánicos
existe creciente interés en el empleo de las arcillas activadas. Por su amplia
disponibilidad, relativa facilidad de tratamiento y demostradas propiedades
puzolánicas una vez que son estructuralmente modificadas, estas representan
una atractiva alternativa como fuente de puzolanas.
Bajo el término arcillas se engloba un vasto grupo de minerales cuyos
elementos predominantes son el Si, el Al y el O y cuyas propiedades
fisicoquímicas derivan de su composición química, de su particular estructura
interna en forma de capas (filosilicatos) y de su tamaño de grano muy fino.
El término arcilla puede ser también empleado para expresar un criterio
granulométrico que designa a los sedimentos con un tamaño de grano inferior a
5 µm. Este criterio no es adecuado desde el punto de vista mineralógico, pues
presupone que incluso minerales no pertenecientes al grupo de los filosilicatos
como cuarzo y feldespatos podrían ser considerados arcillas cuando sus
tamaños son lo suficientemente pequeños. Si bien la distribución
granulométrica juega un importante papel en algunas propiedades de las
arcillas como su capacidad para formar suspensiones coloidales y manifestar
un comportamiento plástico cuando son mezcladas con agua, es su particular
estructura en forma de láminas lo que define su comportamiento y reactividad
(Mackenzie y Mitchell, 1966).
Los minerales arcillosos no pueden ser empleados como puzolanas en su
estado natural. La presencia de estructuras cristalinas estables impide la
Capítulo I
Página 23
liberación de sílice y alúmina como especies químicas capaces de participar en
la reacción puzolánica. Su estructura en forma de capas propensas al
deslizamiento y al agrietamiento y la capacidad para inmovilizar grandes
cantidades de moléculas de agua en su superficie son factores que pueden
afectar de forma negativa la resistencia mecánica y la reología en un material
cementicio, mientras que su alta capacidad de adsorción de iones puede
modificar la composición química de las soluciones acuosas, afectando las
propiedades tecnológicas del hormigón (Díaz, 2010). Por lo tanto, las arcillas
deben modificarse estructuralmente para ser empleadas como materiales
puzolánicos.
La activación de un mineral arcilloso se refiere al proceso de lograr, a partir de
la remoción de los OH- estructurales, la ruptura de los enlaces químicos y la
desestabilización resultante de la estructura cristalina y así obtener un material
con una reactividad química tal que le permita ser empleado como puzolana. El
proceso de activación puede hacerse a través de medios mecánicos, químicos
o térmicos, dentro de los cuales es la activación térmica la forma más efectiva
empleada para modificar la estructura cristalina de las arcillas y alcanzar el
máximo potencial de reactividad puzolánica (Rahhal y Talero, 2009).
El uso de metacaolín (MK) como un aditivo mineral para el cemento ha recibido
interés considerable en estos últimos años. El MK es un aluminosilicato
reactivo puzolánico obtenido por tratamiento térmico de arcillas de alto
contenido de caolinita a una temperatura específica que se extiende entre 600
y 900 0C y moliéndolo a una elevada finura. La eficiencia del MK como
puzolana en el cemento es primordialmente gobernado por el contenido alto de
SiO2 y Al2O3. La alta actividad puzolánica está favorecida por su elevada finura
Capítulo I
Página 24
la cual ronda los 12000 a 15000 m2·kg -1, con una proporción alta de MK en el
rango de 5 –10 µm. Los estudios previos han concluido que el MK tiene una
alta actividad puzolánica, mayor que el humo de sílice y las cenizas volantes
(Janotka et al., 2010). Dentro de las ventajas del metacaolín está el aumento
de la resistencia a compresión y flexión, reducción de la permeabilidad, el
incremento de la resistencia a los ataques químicos, el aumento de la
durabilidad de los cementos, la reducción de los efectos de la reacción álcali-
sílice, etc. (Siddique y Klaus, 2009).
Independientemente de las reconocidas prestaciones del MK, este es aún un
producto relativamente caro, con un precio en el mercado internacional que
puede oscilar entre un 49 y un 70 % del precio del CP. A diferencia de otros
materiales cementicios suplementarios, como las cenizas volantes, el humo de
sílice y las escorias de altos hornos, el MK no es el subproducto de un proceso
industrial, sino que es manufacturado con propósitos específicos mediante la
calcinación a temperaturas controladas de arcillas con un contenido de caolinita
superior al 70 %.
La mayoría de las investigaciones acerca del uso de arcillas calcinadas como
materiales puzolánicos parten del estudio de rocas arcillosas con un alto grado
de pureza, donde existe el claro predominio de una fase arcillosa, que
determina el desarrollo del carácter puzolánico por activación térmica. Sin
embargo, el comportamiento de los depósitos arcillosos con fracción arcillosa
multicomponente, mucho más abundantes y con menor interés comercial, es
todavía poco comprendido y estudiado (Díaz, 2010).
Particular atención debe prestarse a los depósitos con contenidos bajos o
moderados de caolinitas, que aunque no pueden ser aprovechadas en las
Capítulo I
Página 25
aplicaciones industriales tradicionales, sí pueden ser empleados en la
obtención de materiales puzolánicos de bajo costo. Si bien las aplicaciones y
prestaciones del MK en el mejoramiento de la resistencia y la durabilidad del
hormigón es un tema muy tratado en la literatura científica, existen limitadas
referencias acerca de las prestaciones de materiales puzolánicos basados en
el uso de arcillas caoliníticas de bajo grado para la formulación de lechadas de
cemento Portland como aditivos extendedores.
Conclusiones parciales del capítulo.
1. El uso de materiales cementicios suplementarios permite sustituir parte
del cemento Portland, lo cual conduce a una reducción significativa de
las emisiones de CO2 por tonelada de cemento producido.
2. Las arcillas calcinadas con bajo contenido de metacaolín pueden ser
empleadas como un aditivo extendedor en la formulación de lechadas de
cemento Portland manteniendo o mejorando las propiedades de estas
tanto en estado fresco como endurecido.
Capítulo II
Página 26
Capítulo II: Evaluación de propiedades mecánicas y reológicas de
lechadas de cemento Portland con arcilla calcinada de Pontezuela como
aditivo extendedor.
Debido al creciente desarrollo de la industria petrolera en nuestro país, existe la
necesidad de contar con aditivos especiales de producción nacional para ser
usados en la cementación de pozos de petróleo, que contribuyan a mejorar las
propiedades de las lechadas y permitan acceder a reservas hoy inexplotadas
debido a los problemas confrontados actualmente durante las cementaciones,
lo cual provoca, entre otras cosas, que estas sean atacadas por sulfatos y
gases ácidos. En este capítulo se explicará detalladamente el procedimiento
desarrollado para evaluar la influencia del contenido de la arcilla de Pontezuela
calcinada en las propiedades de lechadas de cemento Portland en estado
fresco y endurecido.
2.1. Materiales y métodos.
2.1.1. Selección y procesamiento de la materia prima.
La arcilla empleada fue extraída del yacimiento de Pontezuela y fue utilizada
sin beneficiar. Además se empleó zeolita sin beneficiar del yacimiento San
Andrés. En el anexo 1 se muestra la composición química y de fases de este
material. Como se aprecia las sumas de los óxidos de Si, Al y Fe expresados
como por ciento en masa son superiores al 70 %, tanto para la zeolita como la
arcilla estando esta aun sin calcinar. La arcilla se trituró previamente hasta un
tamaño de grano adecuado y luego fue sometida a calcinación en una mufla de
laboratorio marca Nabertherm a 850 ºC durante 1 hora. Estas condiciones de
activación térmica fueron seleccionadas teniendo en cuenta investigaciones
precedentes, donde se reporta que a esta temperatura el material arcilloso de
Capítulo II
Página 27
este yacimiento alcanza sus valores máximos de reactividad puzolánica.
Después de calcinadas las muestras de arcillas se extrajeron de la mufla y se
esparcieron rápidamente sobre una superficie metálica para su enfriamiento.
La arcilla calcinada de Pontezuela se trituró a una finura de 94.3 % de pasado
por el tamiz de 90 µm en un molino de bolas MB-800 (ver fig. 2.1),
perteneciente a la fábrica de Siguaney. La determinación del porciento de
pasado por el tamiz de 90 µm se realizó mediante el procedimiento del método
húmedo establecido en la norma NC 54-207:80 “Cemento. Ensayos
Fisicomecánicos”.
Fig. 2.1. Molino de Bolas MB-800.
Para la fabricación de las lechadas se empleó un cemento Portland fabricado a
escala de planta piloto en el Centro Técnico de Materiales de la Construcción a
partir de clinker de la fábrica de cemento de Sigüaney y yeso de la salina
Bidos. Las características físicas de este cemento aparecen en el anexo 2.
2.1.2. Preparación de las lechadas de cemento.
Las lechadas de cemento Portland se elaboraron siguiendo la norma
(American Petroleum Institute, 2013). Se prepararon lechadas con arcilla de
Pontezuela calcinada y otras con zeolita del yacimiento San Andrés. Se
realizaron adiciones de 5, 10, 20 y 30 % de cada aditivo mineral. Todas las
Capítulo II
Página 28
lechadas se elaboraron para una densidad de 1.70 g/cm3. La tabla 2.1 y
tabla 2.2 muestran las masas de arcilla calcinada, zeolita, cemento y agua para
cada lechada elaborada. Para la formulación de las lechadas se utilizaron
aditivos antiespumante, dispersante los cuales se adicionaron a 1.4 %, 0.15 %
respectivamente en relación al cemento Portland.
Tabla 2.1. Cantidades en unidad de masa de los componentes de la lechada
con arcilla calcinada de Pontezuela.
% de sustitución de Cemento Portland
Masa de cada componente (g)
5 10 20 30
Cemento 592,40 567,30 567,30 485,00 Agua 396,00 395,00 395,00 391,00
Arcilla 29,62 56,78 104,52 145,50 Dispersante 0,886 0,8517 0,7839 0,7583
Antiespumante* 1,2 1,2 1,1 1,0
*La cantidad de antiespumante se expresa en mL.
Tabla 2.2. Cantidad en unidad de masa de los componentes de la lechada con
zeolita del yacimiento San Andrés.
% de sustitución de Cemento Portland
Masa de cada componente (g)
5 10 20 30
Cemento 596,00 574,10 534,60 500,10 Agua 392,00 387,00 378,00 370,00
Zeolita 29,80 57,41 106,93 150,02 Dispersante 0,8941 0,8611 0,8020 0,7501
Antiespumante* 1,2 0,8 0,8 0,8
*La cantidad de antiespumante se expresa en mL.
El cemento fue previamente tamizado por un tamiz de 1 mm y fueron pesados
tanto el cemento como los aditivos según lo mostrado en la tabla anterior. Una
vez pesados los componentes de la lechada, se colocó el bazo en la
mezcladora donde se le agregó el agua y los aditivos, mezclándose estos
durante un tiempo determinado a 4000 rpm hasta que se dispersaron
completamente. Después se agregó el cemento a una velocidad uniforme en
Capítulo II
Página 29
no más de 15 segundos y luego de transcurrido este tiempo se continuó el
proceso de mezclado durante 35 segundos a una velocidad 12000 rpm. Todas
las lechadas preparadas se realizaron de esta manera.
Fig. 2.3. Mezcladoras API (Bastos, 2012).
2.1.3. Determinación de las propiedades reológicas y la resistencia del
gel.
Para la determinación de las propiedades reológicas se utilizó un reómetro de
cilindros concéntricos y un consistómetro atmosférico donde fueron
acondicionadas las lechadas durante 20 minutos a una temperatura de 54 oC.
Antes de colocar la lechada en el reómetro este fue previamente acondicionado
hasta que alcanzara una temperatura de 37 oC. Después de adicionar la
lechada en el reómetro sin que llegue a la parte superior de los cilindros
giratorios, fue sometida a una velocidad de 3 rpm durante 10 segundos. Una
vez realizada esta operación se toman las lecturas a 3, 6, 30, 100, 200 y
300 rpm de manera ascendente y descendente en un intervalo de 15 segundos
entre cada velocidad. A partir de estas mediciones fueron calculados la
viscosidad plástica y el punto de cedencia de cada una de las lechadas de
cemento según las siguientes expresiones matemáticas:
Capítulo II
Página 30
VP= (L300-L100)·1.5 siendo VP la viscosidad plástica de la lechada de
cemento.
YP=L300-VP siendo YP el punto de cedencia de la lechada de cemento.
Para la determinación de la resistencia del gel, una vez concluido la
determinación de las propiedades reológicas de la lechada, esta se somete
durante 10 segundos a 300 rpm tomándose la lectura y posteriormente se
detiene el rotor. A continuación se deja durante 1 minuto a 3 rpm y se toma la
lectura. Luego se deja durante 10 minutos a 3 rpm y se detiene el rotor y se
toma la lectura.
2.1.4. Determinación de la resistencia a compresión.
El ensayo de resistencia a la compresión determina la resistencia de un
cemento bajo condiciones de temperatura y presión que simulan las del pozo.
Esta prueba se emplea para asegurar que el cemento tenga la suficiente
resistencia para mantener y asegurar el revestidor y alcanzar un aislamiento
zonal adecuado en la formación (Nelson y Guillot, 2006).
La determinación de la resistencia mecánica se determinó siguiendo lo
establecido en la norma (American Petroleum Institute, 2013).
Cada lechada de cemento se mezcló mecánicamente utilizando una
mezcladora de dos velocidades: 140 rpm y 285 rpm. El procedimiento seguido
fue:
1. Se vertió el agua dentro del recipiente y se añadieron los aditivos y el
cemento.
2. Inmediatamente después se encendió la mezcladora a la velocidad de 140
rpm durante 30 segundos.
Capítulo II
Página 31
3. Luego se puso la mezcladora a una velocidad de 285 rpm durante otros 30
segundos.
4. Se detuvo la mezcladora durante 1.5 minutos. En los primeros 15 segundos
se retiró por medio de una espátula toda la pasta adherida fuera de la zona de
amasado y se volvió mezclar.
5. Se continuó el amasado a la velocidad de 285 rpm durante 1 minuto.
Inmediatamente después de la preparación de las lechadas se moldearon las
probetas y se identificaron los moldes de 4x4x4 cm. En los moldes fueron
colocadas las lechadas cubriendo aproximadamente la mitad de la profundidad
del molde. Después se utilizó una varilla para distribuir uniformemente la
lechada dentro del molde. Esta fue colocada en todos los compartimentos de la
muestra antes de comenzar la distribución uniforme. Luego se adicionó el resto
de la lechada de manera tal que sobrepasara los bordes superiores de los
moldes. Después de que la lechada quedó bien colocada y cubriendo todo el
molde se retiró la lechada sobrante en la parte superior usando una varilla o
una espátula para minimizar la segregación. Luego se colocó una cubierta
limpia y seca en la parte superior del molde
Las muestras fueron colocadas en los baños de agua precalentados a la
temperatura final de curado de 55 ° C durante 8 horas y a presión atmosférica.
Estas fueron retiradas de los baños de curado 34 min antes del tiempo en el
cual fueron ensayadas, se extrajeron de los moldes y se enfriaron a una
temperatura de 27 C por 40 min.
Luego las probetas correspondientes a cada una de las 4 mezclas elaboradas
se sometieron a ensayos de compresión. Hay que señalar que las presiones
ejercidas en estas pruebas no son las presiones máximas del pozo pues a
Capítulo II
Página 32
presiones de curado hasta 13,8 MPa aumenta considerablemente la resistencia
a compresión, sin embargo aplicar presiones por encima de este valor tiene
efectos muy pequeños. También la temperatura tiene un efecto marcado sobre
la resistencia a la compresión, hasta los 110 ºC incrementos en la temperatura
producen un incremento en la resistencia, pero a temperaturas más elevadas la
resistencia tiende a descender, este fenómeno se conoce como retrogresión en
la resistencia y se debe a cambios en las fases del cemento.
a) b) c)
Fig. 2.6. Equipos utilizados en el ensayo de resistencia a compresión a)
Balanza electrónica, b) Amasadora c) Máquina de ensayos de resistencia a
compresión.
2.1.5. Determinación del fluido libre.
Mediante este ensayo se determina si una lechada de cemento puede tener
problemas de separación de agua después de que haya sido colocada en el
pozo. Esto puede traer como consecuencia canales en el cemento fraguado. La
prueba de fluido libre (agua libre) de lechadas de cemento se aplica sólo a
cementos Clase G y H (Nelson y Guillot, 2006). En los pozos inclinados el
agua puede salir a la superficie para formar canales continuos sobre la parte
superior del pozo por donde puede migrar el gas (Sons, 1988) y en los pozos
verticales el agua libre evita que la lechada de cemento sea homogénea por lo
Capítulo II
Página 33
que la cantidad de agua es menor a la evaluada para utilizar en el pozo, esto
trae como consecuencia que las lechadas de cemento cambien sus
propiedades con respecto a las iniciales, es por esto que se recomienda usar
lechadas de cemento que desarrollen poca agua libre.
Una vez elaboradas las lechadas se vierten en el compartimiento de la muestra
en el consistómetro y se agita durante 20 minutos a una temperatura de 27 °C
y a presión atmosférica con el objetivo de acondicionarla para la determinación
del contenido de fluido libre. Luego se vierten 760 g de la lechada en el
erlenmeyer en un período de hasta 1 minuto transcurrido desde el final del
acondicionamiento. Los erlenmeyer con las lechadas son colocados en una
superficie horizontal y libre de vibraciones a una temperatura de 27 °C; estos
son tapados y se dejan en reposo durante 2 horas. Transcurrido este período
de tiempo se mide, con ayuda de la probeta, el volumen de líquido
sobrenadante.
La fracción de volumen () del fluido libre en la lechada es expresada en
porciento y se calcula utilizando la siguiente expresión:
Dónde:
Vfl: es el volumen de fluido libre expresado en mililitros.
: es la densidad de la lechada (1.70 g/cm3).
m0: es la masa inicial de la lechada expresada en gramos.
Capítulo III
Página 34
Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados.
3.1. Análisis de los resultados de los fluidos libres de las lechadas de
cemento.
En las tablas 3.1 y 3.2 se muestran los resultados del fluido libre de las
lechadas de cemento con arcilla calcinada de Pontezuela y zeolita de San
Andrés.
Tabla 3.1. Porciento de fluido libre de las lechadas de cemento con arcilla
calcinada.
% de Arcilla % Fluido
libre 5 4,45
10 1,65
20 0
30 0
Tabla 3.2. Porciento de fluido libre de las lechadas de cemento con zeolita
% de Zeolita % Fluido libre
5 5
10 3,2
20 1,2
30 0
Como se aprecian en las tablas anteriores ocurre una disminución de los
contenidos de fluido libre a medida que aumenta el grado de sustitución de
cemento Portland tanto por la arcilla calcinada de Pontezuela como por la
zeolita de San Andrés. Esto puede estar provocado por el hecho de que la
arcilla calcinada tiene una elevada superficie específica lo cual incrementa la
demanda de agua para humedecer las partículas quedando menos fluido libre
en el sistema. Además las zeolitas tienen gran capacidad de absorber agua en
el interior de sus poros y esta agua absorbida provoca que quede poco fluido
Capítulo III
Página 35
libre en las lechadas preparadas por este material. Ambos efectos se
incrementan a medidas que aumentan los contenidos de estos materiales en
las lechadas. Para contenidos iguales de arcilla calcinada y zeolita en lechadas
de cemento se observa una semejanza en las cantidades de fluido libre para el
5 % de adición de cada uno de los materiales; no obstante la lechada
elaborada con arcilla calcinada de Pontezuela desarrolla menor fluido libre que
la lechada con zeolita. Para el 10 y 20 % de sustitución de cemento se observa
una mayor diferencia en los contenidos de fluido libre entre las lechadas
preparadas con arcilla calcinada y las lechadas con zeolita, siendo siempre
menor para las lechadas con arcilla calcinada. Este comportamiento
posiblemente se debe a la mayor superficie específica que tiene la arcilla
calcinada en comparación con la zeolita. Para el 30 % de sustitución no se
desarrolla fluido libre para ninguno de los dos casos.
3.2. Análisis de los resultados de las reologías de las lechadas de
cemento.
Para la determinación de las propiedades reológicas de las lechadas de
cemento Portland se elaboraron lechadas que no contenían todos los aditivos
habitualmente utilizados para la cementación de un pozo de petróleo, ya que
algunos de estos pueden modificar las propiedades reológicas de la lechada
enmascarando así el efecto de la arcilla calcinada como aditivo extendedor.
El cemento empleado para estos ensayos fue un cemento fabricado a escala
de planta piloto el cual cumplió lo establecido en la norma ISO-10426-1:2009
para ser clasificado como clase G, el cual es idóneo para el uso en la
cementación de pozos de petróleo. Dicho cemento está compuesto por clinker
Capítulo III
Página 36
de Sigüaney y yeso de la salina de Bidos, este último con un grado de pureza
cercano al 98%.
En las tablas 3.3 y 3.4 se muestran los resultados de la reología efectuada a
lechadas con diferentes porcentajes de arcilla calcinada de Pontezuela y
zeolita de San Andrés respectivamente.
Tabla 3.3. Propiedades reológicas de las lechadas de cemento con arcilla
calcinada como aditivo extendedor.
% de Arcilla
Reología Resistencia del Gel a/s
Punto de Cedencia (Pa)
Viscosidad Plástica (Pa·s)
10 s (Pa)
1 min (Pa)
10 min (Pa)
5 6.22 0.0065 5.75 8.62 18.91 0.64
10 7.18 0.01 4.31 7.66 21.07 0.64
20 21.30 0.16 7.66 9.58 30.16 0.58
30 56.02 0.18 10.05 14.84 42.85 0.62
Tabla 3.4. Reologías de las lechadas de cemento con zeolita como aditivo
extendedor.
% de Zeolita
Reología Resistencia del Gel a/s
Punto de Cedencia (Pa)
Viscosidad Plástica (Pa·s)
10s (Pa)
1 min (Pa)
10 min (Pa)
5 2.87 0.20 2.39 4.79 13.41 0.62
10 5.75 0.08 1.44 4.31 10.53 0.61
20 8.62 0.17 1.92 3.35 11.97 0.59
30 19.15 0.20 6.70 8.62 18.67 0.67
El punto de cedencia indica el esfuerzo mínimo que se necesita para que un
material comience a moverse. Por debajo del punto de cedencia un material se
comporta como un sólido (Memon et al., 2013). Como se observa en las tablas
3.3 y 3.4 los puntos de cedencia se incrementan a medida que aumenta el
contenido tanto de arcilla calcinada como de zeolita en las lechadas.
Las propiedades reológicas de las lechadas de cemento Portland dependen de
varios factores, tales como: el tipo de cemento y su finura, naturaleza y
Capítulo III
Página 37
cantidad de los sulfatos de calcio y sulfatos de sodio y potasio, del contenido de
C3A y la distribución de las fases aluminatos y silicatos en la superficie de los
granos de cemento, la reactividad de las fases del cemento, la cinética de
hidratación del cemento, de las propiedades reológicas del líquido con que se
preparan las lechadas, las fuerzas entre las partículas, la fracción de volumen
de sólido, la relación agua/cemento, el tipo y la dosis de aditivos químicos, etc.
Los materiales cementicios suplementarios influyen grandemente en las
propiedades reológicas de las lechadas de cemento Portland debido a sus
propiedades físicas, composiciones químicas y mecanismos de acción. La
forma de las partículas y la superficie específica desempeñan un rol importante
en el control de las propiedades reológicas de las lechadas de cemento
Portland (Shahriar, 2011, Janotka et al., 2010, Şahmaran et al., 2008,
Wallevik et al., 2007, Vikan and Justnes, 2007, Park et al., 2005).
La arcilla calcinada de Pontezuela fue sometida a un proceso de molienda
después de haber sido tratada térmicamente. Este proceso provocó un
incremento sustancial en la superficie específica de la misma y posiblemente
una variación en la forma de las partículas. Al sustituir el cemento Portland por
un material muy fino como la arcilla calcinada se produce un incremento de la
demanda de agua necesaria para humedecer la superficie de las partículas,
quedando por lo tanto menos agua para permitir el flujo de las mismas.
Además el incremento del contenido de partículas finas provoca un aumento de
la superficie de contacto entre estas, lo cual a su vez se refleja en un aumento
de la fuerza de atracción interpartículas, lo cual unido a una disminución del
contenido de agua disponible para el flujo incrementa la fuerza mínima
necesaria para iniciarlo. Por tal motivo el aumento del contenido de arcilla
Capítulo III
Página 38
calcinada, de mayor superficie específica que el cemento, provoca un
incremento del punto de cedencia. Similar comportamiento se observa a
medida que aumenta el contenido de zeolita aumenta el punto de cedencia.
También se observa que para iguales porcientos de sustitución, las lechadas
preparadas con arcilla calcinada como aditivo extendedor presentan puntos de
cedencia superiores a las lechadas preparadas con zeolita. Este
comportamiento indica que las fuerzas de atracción entre las partículas de las
lechadas con arcilla calcinada son más intensas que las lechadas con zeolita
del yacimiento San Andrés. Otra posible causa pudiera ser la diferencia de la
forma de las partículas, ya que cuando estas son más redondeadas se atraen
más débilmente debido a la menor superficie de contacto y provocan un menor
incremento de las fuerzas de atracción interpartículas (Shahriar, 2011). Como
se observó en los resultados de fluido libre, las lechadas preparadas con arcilla
calcinada de Pontezuela en general desarrollan menor contenido de fluido libre,
por lo tanto queda menos agua para facilitar el flujo provocando un incremento
del punto de cedencia.
La viscosidad plástica es una medida de la facilidad con la cual un sistema
puede fluir. La viscosidad plástica de suspensiones fluidas es primariamente
influenciada por la fricción interpartícula y la superficie de contacto entre ellas y
la disminución de las fuerzas de atracción interpartículas (fricción) al aumentar
la separación entre las partículas (o al disminuir los contactos superficiales)
provocan una disminución en la viscosidad plástica (Vance et al., 2015).
En la tabla 3.3 se muestra un aumento de la viscosidad plástica con el
incremento del contenido de arcilla calcinada en las lechadas elaboradas con
este aditivo. Esto comportamiento se debe que cuando se incrementa el
Capítulo III
Página 39
contenido de arcilla calcinada se produce una disminución del fluido libre y
además un aumento de la superficie de contacto entre las partículas
incrementando la interacción entre las partículas, necesitándose una mayor
fuerza para continuar el flujo. Las lechadas elaboradas con arcilla calcinada en
comparación con las lechadas elaboradas con zeolita muestran menores
viscosidades plásticas a pesar de que las elaboradas con arcilla calcinada
presentan un elevado punto de cedencia. Este comportamiento evidencia que
una vez que las fuerzas de cizallamiento superen las interacciones entre las
partículas, las fuerzas de atracción interpartículas en las lechadas con arcilla
calcinada es menor que en las elaboradas con zeolita. Esto podría estar
provocado por diferencias en las formas de las partículas de la arcilla calcinada
de Pontezuela y la zeolita de San Andrés, ya que las partículas con forma
laminar interaccionan fuertemente cuando están en reposo, pero una vez que
la fuerza de cizalladura vence estas interacciones las partículas se alinean en
la dirección del flujo provocando una menor resistencia a la cizalladura. En las
siguientes imágenes se observa las formas típicas de la montmorillonita,
caolinita e illiita presentes en la fracción arcillosa del yacimiento de Pontezuela,
así como las de la clinoptilolita y la mordenita presentes en el yacimiento de
San Andrés. Se observa como la Illita y la caolinita (arcilla más abundante en el
yacimiento de Pontezuela) presentan una forma laminar. No obstante durante
la calcinación del mineral estas formas pudieron haber sido modificadas, no
siendo así en el yacimiento de San Andrés ya que el material no fue calcinado.
Capítulo III
Página 40
Tomado de: Meunier, A. 2005, Clays, Springer, Germany.
Clinoptilolita. Tomado de: http://webmineral.com/data/Clinoptilolite-Na.shtml
Mordenita. Tomado de: http://webmineral.com/data/Mordenite.shtml
La resistencia del gel es una medida de la fuerza de atracción que existe entre
las partículas en el fluido mientras esta bajo condiciones estáticas. El
Montmorillonita Caolinita
Illita
Capítulo III
Página 41
comportamiento reológico de las lechadas de cemento en reposo es uno de los
factores que gobiernan la migración de fluidos de la formación al espacio anular
después de una operación de cementación primaria (Nelson y Guillot, 2006).
Durante la etapa de gelificación disminuye la capacidad de la lechada de
cemento para transmitir presión hidrostática y por lo tanto podrían penetrar
fluidos a la perforación. Para evitar este fenómeno se necesitan lechadas que
gelifiquen y endurezcan rápidamente. En las tablas anteriores se muestra un
incremento de la fuerza del gel a medida que aumenta el contenido de arcilla.
Además a medida que transcurre el tiempo se van formando productos de
hidratación, por lo tanto hay que suministrar mayor fuerza para romper la
atracción de las partículas. Se observa que para un 5, 10, 20 y 30 % de
contenido de arcilla calcinada en la lechada la fuerza del gel es mayor que
cuando se emplea un 5, 10, 20 y 30 % de zeolita producto a que la arcilla
acelera los procesos de hidratación del cemento presumiblemente debido al
hecho de tener mayor superficie especifica que la zeolita. Lo anterior indica que
cuando se utiliza arcilla calcinada de Pontezuela el tiempo de transición del gel
disminuye, reduciendo el periodo crítico durante el cual podría ocurrir la
migración de fluidos en la perforación.
3.3. Análisis de los resultados de la resistencia a compresión.
En el gráfico 3.1 se representa la resistencia a compresión a 8 h y 55 oC de las
lechadas de cemento endurecidas y con diferentes porcientos de arcilla
calcinada.
Capítulo III
Página 42
Gráfico 3.1. Resistencia a compresión de las lechadas con arcilla calcinada
como aditivo extendedor.
Como se observa en el gráfico, del 5 al 10 % de sustitución de arcilla calcinada
ocurre una disminución de la resistencia mecánica pero esta aumenta al pasar
al 20 % con valores similares a la del 5 % para seguir aumentando a medida
que aumenta la cantidad de arcilla calcinada en la lechada de cemento. El
decrecimiento de la resistencia mecánica cuando se emplea el 10 % de
sustitución de arcilla calcinada se debe al efecto de dilución que provoca este
material y posiblemente a la variación de la microestructura de la lechada
endurecida y a la estructura de poros. A medida que aumenta la concentración
de arcilla calcinada aumenta la velocidad de hidratación del cemento y de la
contribución de la actividad puzolánica de la arcilla. Un incremento de la
actividad puzolánica se traduce en una reducción de la cantidad de hidróxido
de calcio en el sistema el cual no contribuye a la resistencia mecánica.
Posiblemente estos factores y la mejoría en la microestructura contribuyen a un
Capítulo III
Página 43
aumento de la resistencia mecánica al pasar del 10 al 30 % de sustitución de
cemento por arcilla calcinada.
Conclusiones
Página 42
CONCLUSIONES GENERALES
1. Debido a la elevada superficie específica de la arcilla calcinada de
Pontezuela y a la consecuente mayor demanda de agua, se produce
una disminución del contenido de fluido libre con el incremento del
contenido de arcilla calcinada en las lechadas de cemento Portland.
2. El incremento del porciento de sustitución de cemento Portland por
arcilla calcinada de Pontezuela produce un aumento del punto de
cedencia y de la viscosidad plástica en lechadas de cemento Portland lo
cual es un reflejo de las mayores fuerzas de atracción y de fricción en
los sistemas con mayor contenido de arcilla calcinada. Además se
produce un aumento de la resistencia del gel con el incremento de arcilla
calcinada en el sistema.
3. Al pasar del 5 al 10 % de sustitución de cemento Portland por arcilla
calcinada de Pontezuela se produce una disminución de la resistencia
mecánica y al pasar del 10 al 30 % se produce un aumento de la
resistencia mecánica. Esto es resultado de una posible combinación del
efecto de dilución, el cual contribuye a una disminución de la resistencia
mecánica, y el efecto positivo de la elevada superficie específica y la
reactividad puzolánica de la arcilla calcinada de Pontezuela.
4. A iguales porcientos de sustitución de cemento, las lechadas con arcilla
calcinada de Pontezuela presentan mayores valores de punto de
cedencia y resistencia del gel y menores viscosidades plásticas que las
lechadas elaboradas con zeolita de San Andrés.
Recomendaciones
Página 43
RECOMENDACIONES
1. Estudiar la influencia de la forma y distribución de tamaño de partículas
en las propiedades reológicas y mecánicas de lechadas de cemento
Portland con arcilla calcinada de Pontezuela.
2. Extender este estudio a otros yacimientos de arcillas con bajo contenido
de caolín.
Referencias Bibliográficas
Página 44
REFERENCIAS BIBLIOGRÁSFICAS
1. AHMADI, B. & SHEKARCHI, M. 2010. Use of natural zeolite as a supplementary cementitious material. Cement & Concrete Composites, 32, 134–141.
2. AÏTCIN, P.-C. 2000. Cements of yesterday and today. Concrete of tomorrow. Cement and Concrete Research, 30, 1349-1359.
3. AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE 2013. Recommended Practice for Testing Well Cements. Washington, DC API Publishing Services.
4. ASTM INTERNATIONAL 2007. Standard Terminology Relating to Hydraulic Cement. West Conshohocken: ASTM C 219 – 07a, ASTM International.
5. BASTOS, V. 2012. Cementación de pozos de petróleo y/o gas. PDVSA Intevep.
6. BERODIER, E. & SCRIVENER, K. 2015. Evolution of pore structure in blended systems. Cement and Concrete Research, 73, 25–35.
7. BRITISH STANDARDS INSTITUTE 2009. Petroleum and natural gas industries — Cements and materials for well cementing Part 1: Specification. London: BS EN ISO 10426-1:2009, British Standards Institute.
8. BRITISH STANDARDS INSTITUTE 2009. Petroleum and natural gas industries — Cements and materials for well cementing Part 1: Specification. London: BS EN ISO 10426-1:2009, British Standards Institute.
9. BROUWERS, H. J. H. 2011. A Hydration Model of Portland Cement using the Work of Powers and Brownyard, Eindhoven University of Technology, Portland Cement Association.
10. CAPUTO, D., LIGUORI, B. & COLELLA, C. 2008. Some advances in understanding the pozzolanic activity of zeolites: The effect of zeolite structure. Cement & Concrete Composites, 30, 455–462.
11. DÍAZ, A. A. 2010. Obtención de un material puzolánico de alta reactividad a partir de la activación térmica de una fracción arcillosa multicomponente. Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Tesis de Doctorado, Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas.
12. FERNANDEZ, R., MARTIRENA, F. & SCRIVENER, K. L. 2011. The origin of the pozzolanic activity of calcined clay minerals: A comparison between kaolinite, illite and montmorillonite. Cement and Concrete Research, 41, 113–122.
13. GAMELAS, J. A. F., FERRAZ, E. & ROCHA, F. 2014. An insight into the surface properties of calcined kaolinitic clays: Thegrinding effect. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 455, 49–57.
14. HEWLETT, P. C. 2004. Lea's Chemistry of Cement and Concrete, Elsevier Science & Technology Books.
15. IKOTUN, B. D. & EKOLU, S. 2010. Strength and durability effect of modified zeolite additive on concrete properties. Construction and Building Materials, 24, 749–757.
16. JANOTKA, I., PUERTAS, F., PALACIOS, M., KULIFFAYOVÁ, M. & VARGA, C. 2010. Metakaolin sand–blended-cement pastes: Rheology,
Referencias Bibliográficas
Página 45
hydration process and mechanical properties. Construction and Building Materials, 24, 791–802.
17. KOVÁŘÍK, T., BĚLSKÝ, P., NOVOTNÝ, P., ŘÍHA, J., SAVKOVÁ, J., MEDLÍN, R., RIEGER, D. & HOLBA, P. 2015. Structural and physical changes of re-calcined metakaolin regarding its reactivity. Construction and Building Materials, 80, 98–104KURDOWSKI, W. 2014. Cement and Concrete Chemistry, Springer.
18. LOTHENBACH, B., SCRIVENER, K. & HOOTON, R. D. 2011. Supplementary cementitious materials. Cement and Concrete Research, 41, 1244–1256.
19. LUKAWSKI, M. Z., ANDERSON, B. J., AUGUSTINE, C., JR., L. E. C., BECKERS, K. F., LIVESAY, B. & TESTER, J. W. 2014. Cost analysis of oil, gas, and geothermal well drilling. Journal of Petroleum Science and Engineering, 118, 1–14.
20. MACKENZIE, R. C. & MITCHELL, B. D. 1966. Clay Mineralogy. Earth-Science Reviews, 2, 47-91.
21. MANGADLAO, J. D., CAO, P. & ADVINCULA, R. C. 2015. Smart Cements and cement Additives for oil and gas Operations. Journal of Petroleum Science and Engineering.
22. MEMON, R., SHUKER, M. T., TUNIO, S. Q., LASHARI, A. A. & ABBASS, G. 2013. Investigating Rheological Properties of High Performance Cement System for Oil Wells. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 6, 3865–3870.
23. NELSON, E. B. & GUILLOT, D. 2006. Well Cementing, 225 Schlumberger Drive Sugar Land, Texas.
24. NYGAARD, R. 2010. Wabamun Area CO2 Sequestration Project (WASP). Well Design and Well Integrity. Energy and Environmental Systems Group. Institute for Sustainable Energy, Environment and Economy (ISEEE). University of Calgary.
25. PAPATZANI, S., PAINE, K. & CALABRIA-HOLLEY, J. 2015. A comprehensive review of the models on the nanostructure of calcium silicate hydrates. Construction and Building Materials, 74, 219–234.
26. PARK, C. K., NOH, M. H. & PARK, T. H. 2005. Rheological properties of cementitious materials containing mineral admixtures. Cement and Concrete Research, 35, 842– 849.
27. PUERTAS, F. & VÁZQUEZ, T. 2001. Hidratación inicial del cemento. Efecto de aditivos superplastificantes. Materiales de Construcción, 51, 53-61.
28. RAHHAL, V. & TALERO, R. 2009. Calorimetry of Portland cement with silica fume, diatomite and quartz additions. Construction and Building Materials, 23, 3367–3374.
29. RAMACHANDRAN, V. S. & BEAUDOIN, J. J. (eds.) 2001. Handbook of analytical techniques in concrete science and technology. Principles, Techniques, and Applications, United States of America: Noyes Publications / William Andrew Publishing, LLC.
30. RAMEZANIANPOUR, A. A. & JOVEIN, H. B. 2012. Influence of metakaolin as supplementary cementing material on strength and durability of concretes. Construction and Building Materials, 30, 470–479.
31. RIXOM, R. & MAILVAGANAM, N. 1999. Chemical Admixtures for Concrete, London, E & FN Spon.
Referencias Bibliográficas
Página 46
32. ŞAHMARAN, M., ÖZKAN, N., KESKIN, S. B., UZAL, B., YAMAN, İ. Ö. & ERDEM, T. K. 2008. Evaluation of natural zeolite as a viscosity-modifying agent for cement-based grouts. Cement and Concrete Research, 38, 930–937.
33. SÁNCHEZ, R., PALACIOS, M. & PUERTAS, F. 2011. Cementos petroleros con adición de escoria de horno alto. Características y propiedades. Materiales de Construcción, 61, 185-211.
34. SCRIVENER, K. L. & NONAT, A. 2011. Hydration of cementitious materials, present and future. Cement and Concrete Research, 41, 651–665.
35. SCHNEIDER, M., ROMER, M., TSCHUDIN, M. & BOLIO, H. 2011. Sustainable cement production—present and future. Cement and Concrete Research, 41, 642–650.
36. SHAHRIAR, A. 2011. Investigation on Rheology of Oil Well Cement Slurries. PhD, University of Western Ontario.
37. SNELLINGS, R., MERTENS, G., CIZER, Ö. & ELSEN, J. 2010. Early age hydration and pozzolanic reaction in natural zeolite blended cements: Reaction kinetics and products by in situ synchrotron X-ray powder diffraction. Cement and Concrete Research, 40, 1704–1713.
38. SONS, J. W. 1988. Petroleum well construction, Inglaterra 39. SOUZA, P. P., SOARES, R. A., ANJOS, M. A., FREITAS, J. O.,
MARTINELLI, A. E. & MELO, D. F. 2012. Cement slurries of oil wells under high temperature and pressure: the effects of the use of ceramic waste and silica flour Brazilian Journal of Petroleum and Gas, 6, 105-113.
40. TAYLOR, H. F. W. 1997. Cement Chemistry, London, Thomas Telford Publishing.
41. TEKLAY, A., YIN, C., ROSENDAHL, L. & BØJER, M. 2014. Calcination of kaolinite clay particles for cement production: A modeling study. Cement and Concrete Research, 61–62, 11–19.
42. TIRONI, A., TREZZA, M. A., SCIAN, A. N. & IRASSAR, E. F. 2012. Kaolinitic calcined clays: Factors affecting its performance as pozzolans. Construction and Building Materials, 28, 276-281.
43. UZAL, B., TURANL, L., YÜCEL, H., GÖNCÜOĞLU, M. C. & ÇULFAZ, A. 2010. Pozzolanic activity of clinoptilolite: A comparative study with silica fume, fly ash and a non-zeolitic natural pozzolan. Cement and Concrete Research, 40, 398–404.
44. VANCE, K., SANT, G. & NEITHALATH, N. 2015. The rheology of cementitious suspensions: A closer look at experimental parameters and property determination using common rheological models. Cement & Concrete Composites, 59, 38–48.
45. VIKAN, H. & JUSTNES, H. 2007. Rheology of cementitious paste with silica fume or limestone. Cement and Concrete Research, 37, 1512–1517.
46. WALLEVIK, O. H., KUBENS, S., PÁLSSON, H., HELGASON, B. & GRÉTARSDÓTTIR, S. 2007. Rheological and structural investigations on cement slurries. Annual Transactions of the Nordic Rheology Society, 15.
Referencias Bibliográficas
Página 47
47. ZENG, Q., LI, K., FEN-CHONG, T. & DANGLA, P. 2012. Determination
of cement hydration and pozzolanic reaction extents for fly-ash cement
pastes. Construction and Building Materials, 27, 560–569.
Anexos
ANEXOS
ANEXO 1
Composición química de la arcilla multicomponente de Pontezuela
PPI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O Mn2O3 TiO2 P2O5
PP 10.46 40.91 25.09 19.23 0.13 0.74 2.68 0.15 0.48 0.03 0.62 0.27
Composición mineralógica de la fracción arcillosa en la arcilla multicomponente de Pontezuela
Caolinita Esmectita Illita-esmectita Illita
PP 65.8 20.0 8.0 6.2
Análisis de Fases
Fases minerales % Zeolita- San Andrés
Clinoptilolita 50
Mordenita 28
Total Zeolita 78
Montmorillonita 11
Calcita < 1
Composición mineralógica de la roca arcillosa en la arcilla multicomponente de Pontezuela
Caolinita Tipo 2:1 Total fases arcillosas Cuarzo Goethita
PP 45.7 38.7 84.4 7.5 8.1
Anexos
ANEXO 2
Características Físicas del Cemento Portland.
Finura de molido
(% de pasado por el tamiz
de 90 µm)
Densidad
Absoluta
(g/cm³)
(Permeabilidad
al aire)
Superficie
Específica (cm²/g)
(Blaine)
94.6 3.25 3156.80
Anexos
ANEXO 3
Reologías de las lechadas con arcilla calcinada de Pontezuela.
Primer ensayo 5 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
8.14 7.66 6.70 5.75 3.83 3.35
…. 8.14 6.70 6.22 4.79 3.83
8.14 8.14 6.70 6.22 4.31 3.83
VP 0.05 Pa·s YP 5.75 Pa
Segundo ensayo 5 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
10.53 9.58 8.62 6.70 4.31 3.35
…. 8.62 7.18 6.70 4.31 3.83
10.53 9.09 8.14 6.70 4.31 3.83
VP 0.08 Pa·s YP 6.70 Pa
Primer ensayo 10 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
11.49 6.70 6.22 5.75 3.35 2.39
…. 8.62 7.18 6.22 3.83 2.87
11.49 7.66 6.70 6.22 3.83 2.87
VP 0.09 Pa·s YP 7.18 Pa
Segundo ensayo 10 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
12.45 8.62 7.18 5.27 3.35 2.39
…. 9.10 7.66 6.22 4.31 2.39
12.45 8.14 7.66 6.22 3.83 2.39
VP 0.15 Pa·s YP 5.27 Pa
Primer ensayo 20 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
27.77 26.33 24.42 21.55 4.79 3.83
22.02 20.11 17.72 6.70 4.79
27.77 24.42 22.50 19.63 5.75 4.31
VP 0.17 Pa·s YP 19.63 Pa
Anexos
Segundo ensayo 20 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
30.16 27.77 26.81 23.446 5.75 4.79
27.29 23.94 22.02 6.70 4.79
30.16 27.77 25.38 22.98 6.22 4.79
VP 0.15 Pa·s YP 22.98 Pa
Primer ensayo 30 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
66.07 64.64 62.24 43.09 9.58 8.62
… 57.46 56.50 39.26 8.62 7.18
66.07 61.29 59.37 41.18 9.10 8.14
VP = 0.21 Pa·s YP = 56.02 Pa
Segundo ensayo 30 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
65.12 63.20 60.81 41.18 8.62 7.18
… 61.77 59.85 40.70 7.66 6.22
65.12 61.77 60.33 41.18 8.14 6.70
VP 0.15 Pa·s YP 56.02 Pa
Anexos
ANEXO 4
Reologías de las lechadas con zeolita del yacimiento de San Andrés.
Ensayo 5 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
12.45 7.18 6.22 5.27 3.35 2.87
…. 7.18 6.22 4.79 3.35 3.35
12.45 7.18 6.22 5.27 3.35 3.35
VP = 0.20 Pa·s YP = 2.87 Pa
Ensayo 10 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
9.58 8.14 8.14 7.66 3.83 3.83
…. 8.14 6.22 4.79 3.35 2.39
9.58 8.14 7.18 6.22 3.83 3.35
VP = 0.08 Pa·s YP = 5.75 Pa
Ensayo 20 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
16.76 13.40 11.97 10.53 5.27 5.27
… 12.93 10.53 8.62 4.79 3.83
16.76 13.41 11.49 9.58 5.27 4.79
VP = 0.17 Pa·s YP = 8.62 Pa
Ensayo 30 %
L300 L200 L100 L30 L6 L3
28.73 26.81 22.50 16.76 7.66 7.18
25.86 22.50 16.28 6.22 4.79
28.73 26.33 422.50 16.76 7.18 5.75
VP = 0.20 Pa·s YP = 19.15 Pa
Anexos
ANEXO 5
Fluido libre de las lechadas con arcilla calcinada de Pontezuela.
5 % % 10 % % 20 % % 30 % %
10,5 ml 4,20 3,5 ml 1,40 ̶ 0 ̶ 0
10,2 ml 4,00 4,5 ml 1,80 ̶ 0 ̶ 0
Fluido libre de las lechadas con zeolita del yacimiento de San Andrés.
5 % % 10 % % 20 % % 30 % %
12,5 ml 5% 8ml 3,20% 3,0ml 1,20% ̶ 0
Anexos
ANEXO 6
Resistencia a compresión de las lechadas con arcilla calcinada de Pontezuela.
Resistencia a la compresión (55 oC 8h)
% de arcilla
1 2 3 4 5 6 7 8 9 Promedio MPa
5 827 735 570 717 717 717 423 643 717 707 4.87
10 459 386 294 368 368 423 404 349 368 374 2.57
20 809 643 643 478 753 753 717 735 643 698 4.81
30 1194 1084 1011 1103 1103 818 1029 1029 919 1060 7.30
