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CEMENTOS PARA LA INDUSTRIA PETROLERA

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

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CEMENTOS PARA LA INDUSTRIA PETROLERA

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Historia del Cemento Portland

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

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Complejidad del Cemento

Las reacciones químicas de fragüe del cemento portland son muy complejas Comienzan en los primeros segundos que el agua

toma contacto con las partículas secas de cemento

Investigaciones realizadas por BJ revelan por lo menos 22 reacciones químicas separadas que ocurren simultáneamente mientras el cemento fragua.

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El cemento, desafortunadamente, también posee la cualidad de resultar diferente cada vez que se lo trata en tiempos distintos. Cada batch de cemento debe ser ensayado nuevamente

cuando los ensayos duran un tiempo tan corto como un mes

Cada partida de cemento es diferente de la anterior, aunque venga de la misma planta de fabricación o que haya sido fabricado con los mismos materiales.

Complejidad del Cemento (cont.)

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Ya sea un cemento API o no, Clase G o Clase H (por ejemplo), depende dónde ha sido fabricado Pequeñas diferencias en la materia prima pueden

producir diferentes propiedades del producto final en las distintas Clases

Los cementos Clases G y H se utilizan para realizar los mismos trabajos, pero en áreas geográficas diferentes

Los cementos Clases G y H son básicamente iguales, pero los ensayos de laboratorio difieren uno de otro

Complejidad del Cemento (cont.)

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Tipos de Cementos

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

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Principal objetivo Provee un sello hidráulico entre el casing y la

formación para aislación de zonas

Soportar el casing

andy.jordan:

Why is it called "portland" cement?

Joseph Aspdin, an English mason who patented the product in 1824, named it portland cement because it produced a concrete that resembled the color of the natural limestone quarried on the Isle of Portland, a peninsula in the English Channel.

andy.jordan:

Why is it called "portland" cement?

Joseph Aspdin, an English mason who patented the product in 1824, named it portland cement because it produced a concrete that resembled the color of the natural limestone quarried on the Isle of Portland, a peninsula in the English Channel.

Cemento Portland

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Materiales a granelNaturales

Calcáreos Calizas

Sedimentarias

Metamórficas

Roca de cemento

Sedimentos marinos (conchas, corales)

Arcillosos Arcillas

Lutitas

Pizarras

Piedra de barros

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Proceso de fabricación - Tipos

Proceso seco Económico Eficiente

Proceso húmedo Se puede repetir Mejor calidad

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Proceso de fabricación Procedimientos

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

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Proceso húmedo

Portland Cement Association, 1969

Proporcionadores de materia prima

Cal

iza

s

Ro

ca

de

ce

men

to

Arc

ills

Hie

rro

Al horno

Primera mezcla

Agregado deagua

Partículas más grandes

Bombas

Sarandas vibratorias

Le

ch

ad

a

Fin

os

Mezclado de la lechada

Bo

mb

as

Primer almacenaje

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Portland Cement Association 1969

Colectores de polvo

Al horno

Proporcionador de materia prima

A los separadores de aire

Aire caliente

Molienda

Partículas de mayor tamaño

A bombas neumáticasF

ino

s

Mez

cla

de

mat

eria

pri

ma

Silos de mezcla enseco y almacenaje

Almacenaje de materialesa granel

Cal

izas

Ro

ca d

e ce

men

to

Arc

illa

s

IHie

rro

Proceso seco

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Fabricación del cementoReacciones químicas

100 - 200 °C Evaporación de agua

400 - 600 °C Deshidratación de arcillas

800 - 1000 °C Decarbonización de las calizas

1100 - 1300 °C Reacciones exotérmicas

1300 - 1500 °C Sinterización

andy.jordan:Quicklime or calcium oxide (CaO) is produced by the decarbonation of limestone which is achieved by heating limestone in a kiln to at least its dissociation temperature of ~1000°C, making lime also one of the most energy intensive of all chemicals. At its dissociation temperature, calcium carbonate dissociates into quicklime and carbon dioxide (CO2 gas). Quicklime can be further hydrated to form hydrated lime or calcium hydroxide [Ca(OH)2].

v. sin·tered, sin·ter·ing, sin·ters v. tr. To cause (metallic powder, for example) to form a coherent mass by heating without melting.

andy.jordan:Quicklime or calcium oxide (CaO) is produced by the decarbonation of limestone which is achieved by heating limestone in a kiln to at least its dissociation temperature of ~1000°C, making lime also one of the most energy intensive of all chemicals. At its dissociation temperature, calcium carbonate dissociates into quicklime and carbon dioxide (CO2 gas). Quicklime can be further hydrated to form hydrated lime or calcium hydroxide [Ca(OH)2].

v. sin·tered, sin·ter·ing, sin·ters v. tr. To cause (metallic powder, for example) to form a coherent mass by heating without melting.

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Portland Cement Association, 1969

Materiales en secoal horno

Coletor de polvos

Fan

Los materiales mezclados a granel son horneados hasta una fusión parcial a 1500°C

Horno rotativo Clinker

Aire

Combustibles deCarbón, Oil o gas

Clinker

Clinker

Yeso

Los materiales se alamacenan separadamente

El clinker y el yeso son agregados parauna molienda final y almacenaje

Proceso de horneado

Enfriamiento

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Cemento PortlandPrincipales componentes

Los cementos API son cementos portland, que es un tipo de cemento. Los cementos portland también son llamados cementos hidráulicos porque fraguan bajo agua.

C3S Silicato tricálcico

C2S Silicato dicálcico

C3A Aluminato tricálcico

C4AF Ferroaluminato tetracálcico

Oxidos de hierro (adicional)

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C3S Silicato tricálcico es el mayor componente del cemento portland (50%)

contribuye al fragüe y rápido desarrollo de resistencia

C2S Silicato dicálcico 20 - 25% del clinker

hidratación más lenta que el C3S

contribuye a leve resistencia a largo tiempo

Componentes delClinker

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C3A Aluminato tricálcico generalmente 0 - 8% regula la resistencia al ataque de los sulfatos promueve la hidratación rápida controla el tiempo de fragüe, reología y resistencia temprana del

cemento Si está presente en < 3% se considera un cemento de alta

resistencia a los sulfatos

C4AF Ferroaluminato tetracálcico está en la fase intersticial, baja reactividad promueve el bajo calor de hidratación

Componentes delClinker - cont.

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Oxidos de hierro (adicional) con incremento de C4AF

con reducción de C3A

Componentes delClinker - cont.

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American Petroleum Institute

WEATHERING

CaOMgO

C3S

C2S

C3A

C4AF

Cemento portland no-hidratado Cristales de los componentes

American Petroleum Institute

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Vista microscópica de una sección del clinker del cemento portland

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Planta de molienda - materia prima

DustCollectors

Materiales

Clin

ker

Gyp

sum

Portland Cement Association, 1969

Finos

A los transportes a granel (bulk) o plantas de almacenaje

Silos de almacenaje de cemento

Partículas de mayor

tamaño

Separadorde aire

Molino de mezcla

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Clasificación de los cementosandy.jordan:

Blaine fineness

1. n. [Drilling

Fluids]

ID: 11093

The particle size or fineness of a cement in cm2/g or m2/kg, usually determined from air permeability tests using a device known as a Blaine permeameter. Fineness affects the hydration rate (setting) and the requirements for the amounts of water, retarder and dispersant.

andy.jordan:

Blaine fineness

1. n. [Drilling

Fluids]

ID: 11093

The particle size or fineness of a cement in cm2/g or m2/kg, usually determined from air permeability tests using a device known as a Blaine permeameter. Fineness affects the hydration rate (setting) and the requirements for the amounts of water, retarder and dispersant.

Resist. Tipo Tipo MgO SO3 C3A FinezaSulfatos API ASTM % % %

O A I 6.0 3.0 N/A 1600 C III 6.0 4.5 15.0 2200

MSR B II 6.0 3.0 8.0 1600 G II 6.0 3.0 8.0 1800 H II 6.0 3.0 8.0 1600

HSR B N/A 6.0 3.0 3.0 1600 C N/A 6.0 3.0 3.0 2200 G N/A 6.0 3.0 3.0 1800 H N/A 6.0 3.0 3.0 1600

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Cementos Portland

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

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Clase A

Especificación normal del API Densidad 15.7 ppg

Agua de mezcla, 46% 5.19 gal/sk

Rendimiento 1.17 ft3/sk

Aplicaciones Para casing de superficie y pozos poco profundos

Diseñado para aplicarse hasta 6000 ft.

Similar al ASTME 150, Tipo I (Construcción)

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ASTM Tipo I

Información general Cemento para la construcción ASTM Similar al API Clase A

Rangos de densidades 15.2 a 15.6 ppg

Aplicaciones Para casing de superficie y pozos poco

profundos (shallow) Diseñado para usar hasta 6,000 ft, pero con

precauciones Reemplazo económico del API Clase A Alta contenido de C3A (OSR) No está en la lista de control de calidad del API

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Clase B

Especificaciones API Densidad 15.7 ppg Agua de mezcla 46%, 5.19 gal/sk Rendimiento 1.17 cf/sk

Otra información Usado para cementación de casing de superficie (guía)

o pozos poco profundos Desarrollado para ser usado hasta 6,000 ft con

precaución Similar al ASTME 150, Type II (construcción) De moderada a alta resistencia a los sulfatos

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Clase C

Especificación normal del API Densidad 14.8 ppg Agua de mezcla, 56% 6.3 gal/sk

Rendimiento 1.32 ft3/sk Aplicaciones

Para casing de superficie y pozos poco profundos Ordinaria y alta resistencia a los sulfatos Diseñado para ser aplicado hasta 6000 ft. Similar al ASTME 150, Tipo III para la construcción

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ASTM - Tipo III

Información general Cemento ASTM para la construcción Similar al API Clase C

Rangos de densidades 14.4 a 14.8 ppg

Aplicaciones Para casing de superficie o pozos poco profundos Para ser aplicado hasta 6,000 ft, con precaución Reemplazo económico del API Clase C Alto contenido de C3A (OSR) No está chequeado en calidad por el API

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Clase G

Especificación normal del API Densidad 15.8 ppg Agua de mezcla, 44% 4.96 gal/sk Rendimiento 1.14 ft3/sk

Aplicaciones Cemento multipropósito De mayor fineza que el Clase H Diseñado para ser usado en todas las

profundidades con aditivos Es la clase de cemento más utilizada en el mundo

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Especificación normal del API Densidad 16.5 ppg Agua de mezcla, 38% 4.28 gal/sk Rendimiento 1.05 ft3/sk

Otra información Cemento multipropósito Usualmente mezclado a 15.6 o 15.7 ppg Diseñado para todas las profundidades con

aditivos Densidad mínima sin aditivos - 15.5 ppg

Clase H

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CEMENTOS ESPECIALES & MEZCLAS DE CEMENTOS

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Sistemas de Cemento Ultrafino

Un cemento de partículas muy finas, de propiedades únicas en rápido desarrollo de la resistencia y baja densidad

Puede ayudar a sellar zonas en las cementaciones squeeze en áreas con problemas tales como: zonas ladronas, zonas de agua, zonas de gas, para pérdidas o roturas de casing y en gravel packs

Baja permeabilidad, desarrolla temprana (rápida) resistencia a la compresión

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Cementos de baja Densidad “Light Weight Cements”

Los cementos manufacturas de baja densidad se fabrican de igual forma que los cementos API, con una importante excepción: En algún punto del proceso de fabricación

se agrega un material en granos de baja densidad a la mezcla de materia prima

Esto produce un cemento del tipo portland con una gravedad específica de 2.8 comparado con los cementos API que tienen una gravedad específica de 3.14

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Características físicas Estables a altas temperaturas

Hasta 3500 F sin el agregado de sílice

Rangos de densidades de 11.5 a 13.7 No se necesitan extendedores, sólo mezclarlo con

agua para la densidad deseada Buenas propiedades de lechadas Excelente resistencia a la compresión Resistentes a los sulfatos Compatibles con los aditivos para cementos API

Cementos de baja Densidad “Light Weight Cements” - (cont.)

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Multi-Dense

Descripción Fabricado con Lite Wate más un cemento API

(usualmente A o H), mezclados a granel en el saco de cemento

Relaciones más comunes 1:1, 1:2 or 2:1

Aplicaciones (Efectos primarios de la lechada) Amplio rango de densidades - - 12.7 a 15.0 ppg

Excelentes propiedades de resistencia a la compresión

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Efectos secundarios Muy compatible con todos los aditivos para

cementos Lechadas de fácil mezclado

Notas especiales Las relaciones siempre están escritas de la

siguiente forma: “TLW:Cemento Portland” Pueden modificarse para cubrir todas las

condiciones de pozo

Multi-Dense - Cont.

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Cold Set

Descripción Mezclas con cemento Clase G, Yeso y

Cloruro de calcio Tres sistemas:

Cold Set I a 15.3 ppg Cold Set II a 14.95 ppg Cold Set III a 12.2 ppg

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Lechadas BFS(Blast Furnace Slag)

Un sub-producto no metálico obtenido de los hornos en el proceso de fabricación de acero, utilizado para convertir el lodo de perforación en un cemento Con propiedades de adherencia y resistencia a la

compresión excelentes No es aplicable en todos los pozos. Es una

alternativa valiosa para minimizar los costos de perforación, agua y cementaciones en algunas áreas.

No se requiere mezclado en seco, las lechadas slag-mud se mezclan y bombean utilizando los equipos estándares.

Alta resistencia a los sulfatos y aguas corrosivas.

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Slagment

Una mezcla de BFS y cemento ASTM Tipo I Usado en áreas donde se disponen fuentes de

BFS económicas Provee una alternativa al cemento portland donde

la calidad del cemento portland es un problema Puede utilizarse en lugar de los cementos API

Clases G o H. Se disponen lechadas con propiedades similares a

las obtenidas con un cemento portland

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Foamed Cement

Puede formularse y utilizarse donde se requiere una adecuada resistencia a la compresión con lechadas de cemento de baja densidad Usado en cementaciones a través de zonas

débiles donde no se obtienen lechadas extendidas (livianas) de determinada densidad y resistencia a la compresión

Para minimizar la pérdida de lechadas en casos donde se ha presentado una pérdida de circulación previamente

La estabilidad de espuma de lechada se logra adicionando un surfactante o un estabilizador de espuma