DISEÑOS DE LECHADAS DE CEMENTO SEGÚN API 10A Y API 10BJULIO DAVID GARCIA - JORGE ANDRES SIERRA | TUCKER ENERGY SERVICES

Descripción de los conceptos a tratar

Esta presentación tiene como fin conocer los procedimientos en las cuales se deben realizar diseños de lechada de cemento basados las normativas API 10A Y 10B, en las que se establecen las practicas recomendadas para pruebas de cementos para pozo y las especificaciones de los cementos y materiales a usar.

Tiempo de bombeabilidad – Cemento clase G. Resistencia a la compresión. A 100 ºF y 440 ºF. Agua libre. Porcentaje que permite la norma Determinación de densidad. Cono de mezcla.

API 10A

Descripción de los conceptos a tratar

Esta presentación tiene como fin conocer los procedimientos en las cuales se deben realizar diseños de lechada de cemento basados las normativas API 10A Y 10B, en las que se establecen las practicas recomendadas para pruebas de cementos para pozo y las especificaciones de los cementos y materiales a usar.

Tiempo de bombeabilidad – Cemento clase G. Resistencia a la compresión. A 100 ºF y 440 ºF. Reología. Viscosidad Plástica, Yield Point. Ley de Bingham y Ley de Potencia. Perdida de filtrado. Determinación de densidad

API 10B

NORMA API 10AEspecificación para cementos y materiales para cementación de

pozos

Tiempo de Bombeabilidad

La determinación del tiempo de bombeabilidad determina durante cuanto tiempo la lechada permanece en estado fluido, (y por consiguiente bombeable) bajo una serie de condiciones dadas en el laboratorio. (Presión y temperatura). El aparato que se usa para determinar el tiempo de bombeabilidad es el consistómetro, que puede ser atmosférico o presurizable.

El consistometro es un dispositivo usado para medir el tiempo de espaciamiento de una lechada de cemento bajo temperatura y presión.

Consistómetro atmosférico.

Cemento a utilizar

Cemento clase G. Cemento básico para emplearse desde la superficie hasta 2240 m. (8.000 pies), se pueden modificar con aceleradores o retardadores de fragüe, en un amplio rango de condiciones de presión y temperatura. Se fabrica en moderada y alta resistencia a los sulfatos.

Resistencia a la compresión.

Se distingue por ser un ensayo destructivo. Los resultados pueden ser utilizados para : Determinar el tiempo de fraguado antes del cañoneo Comparar extendedores, agente densificantes, materiales de

perdida de circulación u otros aditivos los cuales pueden afectar el desarrollo de la resistencia.

Determinar el grado de la resistencia a la retrogresión.

Resistencia a la compresión.

En cuanto los moldes y la maquina de prueba para las pruebas de resistencia a la compresión deben cumplir los requisitos de ASTM C 109, excepto que los moldes pueden ser separables en mas de dos partes. Los moldes deben ser verificados en sus tolerancias y la maquina de prueba debe ser calibrada dentro de maso menos 1% del rango de la carga a ser medida, por lo menos una vez cada dos años.

Base de los moldes cúbicos y cubiertas

Generalmente es usado, el vidrio y placas de laton o acero inoxidable teniendo en cuenta un espesor minimo de 6 mm (114 pulgadas). La tapa puede ser ranurada sobre la superficie que toca la parte superior del cemento. Baño de curado a presión

atmosféricaEs un recipiente para curar los especímenes a presión atmosférica y temperaturas de 150 °F o menos, teniendo un agitador o un sistema de circulación

Baño curado presurizadoUn recipiente adecuado para curar los especímenes a temperaturas igual menores a 320 °F y a presiones que puedan ser controladas en 3000 psi y 50 psi. El recipiente debe ser capaz de cumplir la especificación para el numero de cedula apropiada.

Baño de enfriamiento Las dimensiones del baño de enfriamiento deben ser tales que el espécimen a ser enfriado de la temperatura de curado pueda ser completamente sumergido en agua mantenida a 80 °F – 5°F

Criterios de aceptación de la resistencia a la compresión.

La resistencia a la compresión de todo los especímenes de prueba aceptados, hechos de la misma muestra y probados en el mismo periodo, deben ser registrados y promediados a los mas cercanos 69 kPa (10 Psi). Por lo menos dos tercios de los especímenes individuales originales y el promedio de todos los especímenes probados deben cumplir o exceder la resistencia a la compresión mínima especificada en la siguiente tabla.

Requisitos de especificaciones para la resistencia a la compresión

Determinación de agua libre

El agua libre es una medida de la tendencia del fluido a separarse de la lechada antes del fraguado. En pozos inclinados el agua libre puede coalescer para formar canales continuos sobre la parte superior del pozo, lo cual crea una especie de canal por donde pueda migrar el fluido (gas).

En pozos verticales el agua libre evita que la lechada de cemento sea homogénea, por lo que la cantidad de agua es menos a la evaluada , esto trae como consecuencia que las formaciones de la lechadas cambien sus propiedades con respecto a las iniciales . Por esta razón se recomienda usar lechadas de cemento que no desarrollen agua libre.

Porcentaje permitido según Norma 10A

Teniendo en cuanta la gravedad especifica de la lechada para un cemento clase H es de 1.98 con un porcentaje de agua de 38 %. Para una lechada de cemento clase G su gravedad especifica de 1.90 con un porcentaje de agua de 44 %.

EL PORCENTAJE PERMITIDO DE FLUIDO LIBRE (%FF) PARA CEMENTOS CLASE G Y H NO DEBE EXCEDER DE 5.90%

Con el consistómetro de presión atmosférica o presurizado deben ser usados para mezclar y acondicionar la lechada de cemento para la determinación del contenido de fluido libre.

El porcentaje permitido por la norma se tiene en cuenta basándose en el calculo del porcentaje de fluido libre con la siguiente formula.

%FF Es el contenido de fluido libre de la lechada en porcentaje.

Vff Es el volumen de fluido libre en mililitros.

ρ Es la gravedad especifica expresada en gr/cc

Determinación de Densidad Para determinación de la densidad se utiliza un equipo llamado balanza

de lodos. En el laboratorio se pondrá especial cuidado en eliminar todo el aire contenido en la muestra de cemento. En esta prueba, la densidad de la lechada es medida luego de ser removido todo el aire presente en ella mediante una balanza presurizada. Dependiendo de los aditivos usados para preparar la lechada, esta podría contener una gran cantidad de aire interno cuando es mezclada. Si este aire no es removido, la balanza con la que se mide la densidad podría arrojar datos erróneos.

Dispositivos de mezclado

Deben de ser del tamaño de un litro (o cuarto de galón), botonera inferior y aspa tipo mezclador.

Uso de licuadoras de mezclado de uso común.

El aspa y el recipiente de mezclado deben ser hechos de materiales resistentes a la corrosión.

El ensamble de la licuadora debe ser construido de tal manera que el aspa pueda quitarse para pesar y cambiar.

El aspa de la licuadora debe ser pesada antes de usar y reemplazarla con una nueva cuando el 10% de perdida de masa ha ocurrido.

Ejemplos de licuadoras típicas de mezclado de cemento.

Temperatura del agua y el cemento.

La temperatura del agua de la mezcla en el recipiente deber ser 73 ºF + - 2 ºF y la del cemento debe ser 73 ºF dentro de los 60 segundos antes de mezclar.

Agua de la mezcla. Agua destilada o des ionisada debe ser usada para la prueba. El agua de

la mezcla debe ser pesada directamente en un recipiente para mezclar. No debe ser agregada mas agua para compensar la evaporación, el humedecido, etc.

Cantidad de mezclado.

Mezclado del cemento y agua

El recipiente para mezclar la cantidad requerida de agua de la mezcla, debe ser colocada en la base del mezclador, encender el motor y mantenerlo a 4000 r/min + - 200 r/min (66.7 r/s + - 3.3 r/s) mientras que la muestra de cemento es agregada en un proporción uniforme en no mas de 15 segundos. Después de que todo el cemento ha sido agregado el agua de la mezcla, la tapa debe ser colocada en el recipiente para mezclar y el mezclado debe continuar a 12000 r/min + - 500r/min(200 r/s + - 8.3 r/s) por 35 s + - 1s.

La mezcla se realiza de la siguiente manera: • Por 15 segundos a 4000 rpm se mezclan los aditivos. • Y luego por 35 segundos a 12000 rpm toda la lechada

NORMA API 10BPRACTICAS RECOMENDADAS DE

LABORATORIO PARA REALIZACION DE LECHADAS DE CEMENTO.

Reología.Para saber en que consiste el proceso de reología hay que tener en cuenta las siguientes leyes.

Ley de Bingham. Ley de potencia.

La ley o modelo plástico de Bingham es utilizada ampliamente en la industria de los fluidos de perforación para describir las características del flujo de muchos tipos de lodos. Puede describirse matemáticamente de la siguiente manera: Los fluidos que obedecen a este modelo se denominan fluidos plásticos de Bingham y exhiben un comportamiento lineal de esfuerzo cortante y velocidad de corte después de alcanzar un umbral inicial de esfuerzo cortante. La viscosidad plástica (PV) es la pendiente de la línea y el umbral de fluencia plástica (YP) es el esfuerzo de umbral.

Viscosidad Plástica.

Es la viscosidad que resulta de la fricción mecánica entre: Sólidos Sólidos y líquidos Líquido y líquidos Esta viscosidad depende de la concentración, tamaño y forma de los sólidos presentes en el fluido, y se controla con equipos mecánicos de Control de Sólidos. Este control es indispensable para mejorar el comportamiento reológico y sobre todo para obtener altas tasas de penetración (ROP). Una baja viscosidad plástica aunada a un alto punto cedente permite una limpieza efectiva del hoyo con alta tasa de penetración

Punto de cedencia.

Es una medida de la fuerza de atracción entre las partículas, bajo condiciones dinámicas o de flujo. Es la fuerza que ayuda a mantener el fluido una vez que entra en movimiento. El punto cedente está relacionado con la capacidad de limpieza del fluido en condiciones dinámicas, y generalmente sufre incremento por la acción de los contaminantes solubles como el carbonato, calcio, y por los sólidos reactivos de formación.

La ley de potencia es un fluido cuya viscosidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte.

Por medio de la prueba de reología se describe el comportamiento de la lechada en movimiento a través de la tubería y otros ductos. Para describir las propiedades reologicas de las lechadas de cemento se utilizan el modelo de plástico de Bingham o el modelo de la ley de las Potencia.

El viscosímetro de Fann, es un aparato de tipo rotacional, movido por un motor sincronizado a dos velocidades diferentes que permite obtener velocidades rotacionales de 600, 300, 200, 100, 6 y 3 RPM.

Un cilindro exterior o rotor, gira a una velocidad constante para cada ajuste de RPM, que es trasmitido a la lechada de cemento que lo rodea y ésta, a su vez, produce un cierto torque en un cilindro interior a bob sobre el que actúa un resorte. La torsión que adquiere el resorte puede relacionársela con la viscosidad de la lechada y medirla de esta manera. Las lecturas obtenidas se emplean para la determinación de las

propiedades reologicas (N’ y K’) que son de fundamental importancia para el cálculo de caudales críticos y determinación del régimen de desplazamiento. (Turbulento, Laminar o Tapón) de las cementaciones.

N’= Índice de comportamiento K’= Índice de consistencia.

Determinación de la perdida de filtrado.

Filtrado de baja presión: Se aplican 100 psi y se va leyendo la cantidad de líquido que cae en el cilindro graduado a los 1/4, ½, 1, 2, y 5 minutos de iniciada la prueba, y luego a intervalos de 5 minutos cada uno. Si la muestra se deshidrata totalmente antes de media hora, se registra el tiempo que tardó en hacerlo. El filtrado se reporta en cc/30 minutos a 100 psi.

Filtrado de alta presión: La presión aplicada ahora será de 1000 Psi y las lecturas se efectuarán de la misma manera. Si la muestra se deshidrata antes de los 3 minutos se extrapola para reportar cc/30 minutos. Así durante el ensayo para la determinación del filtrado se asume que hay más lechada presente que lo que realmente tenemos en el recipiente que por otro lado es lo que sucede en el pozo.

El filtro prensa de alta presión, incorpora también un baño a una temperatura controlable a fin de simular las condiciones reales; la temperatura a la cual se hizo la prueba, deberá estar registrada en el reporte. Es debido a ésta ventaja que el filtro de alta presión se utiliza más que el de baja, y los resultados obtenidos son expresados como cc de filtrado cada 30 minutos a 1000 psi.

Gracias.