Cementos

Ingeniería de CementacionesIngeniería de Cementaciones
1
Ingeniería de
Cementaciones
INDICE
página
CONCEPTOS GENERALES 4
Introducción 4
I. CEMENTACIONES 4
Clasificación de las cementaciones 4
Descripción de la cementación primaria 4
Descripción de la cementación forzada 5
Descripción de los tapones de cemento 5
II. CEMENTO PORTLAND 5
Definición 5
Fabricación 6
Principales compuestos del cemento y sus funciones 6
Clasificación API y ASTM de los cementos 6
Propiedades físicas de los cementos 8
Categorías de los aditivos y sus funciones 9
Lechadas de cemento 11
III. CEMENTACIÓN PRIMARIA 20
Cómo obtener la información del pozo 20
Cementación de las diferentes tuberías de revestimiento 21
IV. DISEÑO DE LABORATORIO Y RECOMENDACIONES GENERALES 22
Diseño de laboratorio 22
Tubería conductora 22
Tubería superficial 22
Tubería intermedia 24
Tubería de explotación 24

2
Información de gabinete 27
Información de laboratorio 27
V. DISEÑO DE GABINETE 27
Procedimientos de diseño de gabinete 29
Obtención de datos 29
Cálculo de cemento, agua y aditivos 31
Cálculo del requerimiento de materiales 31
Procedimientos operativos 40
Ejemplos 44
VI. NUEVAS TECNOLOGÍAS EN CEMENTACIÓN PRIMARIA 50
Tecnología de lechada de baja densidad con alta resistencia compresiva 50
VII. CEMENTACIÓN DE POZOS DIRECCIONALES Y HORIZONTALES 56
Introducción 56
Clasificación de pozos horizontales 56
Resumen 64
VIII. TAPONES DE CEMENTO 64
Descripción 64
Objetivos 64
Tipos de tapón 65
Técnicas de colocación 68
Consideraciones de diseño 69
IX. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA COLOCACIÓN DEL TAPÓN 71
Dump bailer 71
Ejemplos 73
X. CEMENTACIÓN FORZADA 78
Introducción 78
XI. HERRAMIENTAS AUXILIARES PARA LA CEMENTACIÓN FORZADA 81
Teorías de aplicación sobre problemas reales 82
Problemas especiales en cementaciones forzadas 93

3
XII. ACCESORIOS PARA TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO 97
Tipos de accesorios 97
Cementación en etapas múltiples 104
XIII. ACCESORIOS PARA TUBERÍAS CORTAS (Liner) 106
Empacadores para tuberías cortas con unidad de sellos molible 110
Colgadores para tuberías cortas 112
XIV. DESARROLLO HISTÓRICO DE LAS UNIDADES CEMENTADORAS 114
Unidades cementadoras 114
Unidades transportadoras de cemento a granel 119
Almacenaje y dosificación de cemento 120
Diseño de una planta dosificadora de cemento 121
Salud y seguridad en el manejo de aditivos 122
Instalaciones 123
XV. CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE: 123
Cementaciones primarias 123
Cementaciones a presión 124
Tapones por circulación 124
PREGUNTAS Y RESPUESTAS 125
GLOSARIO 128
BIBLIOGRAFÍA 129

Ingeniería de
Cementaciones
Conceptos generales
En este capítulo se describen las principales opera-
ciones de cementación que se efectúan en los po-
zos petroleros, las tecnologías, los equipos y mate-
riales empleados.
I. CEMENTACIONES
Son las operaciones con cemento que se efectúan
con fines específicos en los pozos petroleros.
Clasificación de las cementaciones
Se clasifican de acuerdo con los objetivos que se
persiguen en:
Cementación primaria
Cementación forzada
Tapones de cemento
Descripción de la cementación primaria
La cementación primaria es el proceso que consiste
en colocar cemento en el espacio anular, entre la
tubería de revestimiento y la formación expuesta del
agujero, asegurando un sello completo y permanente
(ver figura 1).
Objetivos de las cementaciones primarias
1. Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo
que contienen gas, aceite y agua.
2. Soportar el peso de la propia tubería de revesti-
miento.
3. Reducir el proceso corrosivo de la tubería de re-
vestimiento con los fluidos del pozo y con los flui-
dos inyectados de estimulación.
4. Evitar derrumbes de la pared de formaciones no
consolidadas.
El reto principal es obtener sellos hidráulicos efec-
tivos en las zonas que manejan fluidos a presión.
Para lograrlo es indispensable mejorar el despla-
zamiento del lodo de perforación del tramo de
espacio anular que se va a cementar consiguien-
do así una buena adherencia sobre las caras de la
formación y de la tubería de revestimiento, sin ca-
nalizaciones en la capa de cemento y con un lle-
nado completo.
Cemento Completamente
fraguado sin canalización
de gas
Cemento adherido a
laformación
Cemento adherido a
la tubería
Zona de Interés
Figura 1 Cementación primaria.
129
1. Nelson, E.B. Well Cementing, 1983 16. Cementing I halliburton energier services.
2. Dowell Engineering Manual, 1995 17. Cementing II halliburton energier services.
3. DEC Cementing School Papers, 1997 18. Cementing for engineers.
4. G. Birch, Guidelines for Setting Abandonment 19. Displacement mechanigs studies halliburton
and Kick-Off Plugs, 1999 energier services.
5. Miller. Joe. Dowell's Plug Placement
Tool presentation
6. DOFSE, Kellyville Training Center, 1987
7. OTC, Kellyville Training Center, 1998
8. Adam T. Bourgoyne Jr. Applied Drilling
Engineering SPE Textbook Series,
Vol.2. 1991.
9. Preston L. Moore.- Drilling Practices Manual.-
Second Edition 1986
10. Energy Halliburton Cementing Manual
11. API SPEC 10, 10A Y 10B.
12. Marcel y André Reimbert; Construcción
de Silos.- Traducción del francés por
Manuel Velázquez Velázquez
13. Lloyd E. Browell, Edwin H.Young;
Process Equipment Design;
Vessel Design.- Editorial Library Congress Catalog
Carol
Number: 59-5882. Printed in the United States of
America.
14. Dwight K Smith. Series SPE;
Cementing Monograph Vol. 4, SPE, 1990.
15. World wide cementing practices firts sirst
edition enero 1991. API
BIBLIOGRAFIA
4

5
Se ha vuelto práctica común que para cumplir con
el segundo y tercer objetivos, el cemento debe de-
sarrollar un esfuerzo compresivo mínimo de 500 psi
(35 kg/cm2) dentro de las primeras 8 horas. Este va-
lor es producto de la práctica.
Descripción de la cementación forzada
Es el proceso que consiste en inyectar cemento a
presión a través de disparos o ranuras en la tube-
ría de revestimiento al espacio anular. Ésta es una
medida correctiva a una cementación primaria de-
fectuosa.
• Objetivos de las cementaciones forzadas
1. Mejorar el sello hidráulico entre dos zonas que
manejan fluidos.
2. Corregir la cementación primaria en la boca de
una tubería corta, o en la zapata de una tubería
cementada, que manifieste ausencia de cemento en
la prueba de goteo. Esta prueba consiste en la apli-
cación al agujero descubierto, inmediatamente des-
pués de perforar la zapata, de una presión hidráulica
equivalente a la carga hidrostática, que ejercerá el
fluido de control con el que se perforará la siguiente
etapa. Esto se realiza durante 15 a 30 minutos, sin
abatimiento de la presión aplicada.
3. Eliminar la intrusión de agua al intervalo productor.
4. Reducir la relación gas-aceite.
5. Sellar un intervalo explotado.
6. Sellar parcialmente un intervalo que se seleccio-
nó incorrectamente.
7. Corregir una canalización en la cementación pri-
maria.
8. Corregir una anomalía en la tubería de revesti-
miento.
Descripción de los tapones de cemento
Los tapones comprenden un cierto volumen de
lechada de cemento, colocado en el agujero o en
el interior de la tubería de revestimiento.
Objetivos de los tapones de cemento
1. Desviar la trayectoria del pozo arriba de un pesca-
do o para iniciar la perforación direccional.
2. Taponar una zona del pozo o taponar el pozo.
3. Resolver un problema de pérdida de circulación
en la etapa de perforación.
4. Proporcionar un amarre en la prueba del pozo.
II. CEMENTO PORTLAND
Definición
El cemento es una mezcla compleja de caliza (u
otros materiales con alto contenido de carbonato
de calcio), sílice, fierro y arcilla, molidos y calci-
nados, que al entrar en contacto con el agua for-
ma un cuerpo sólido. Esta mezcla de ingredientes
se muele, se calcina en hornos horizontales con
corriente de aire y se convierte en clinker, el cual
contiene todos los componentes del cemento,
excepto el sulfato de calcio, que se le agrega como
ingrediente final.
Los componentes que forman el cemento son óxi-
dos superiores de oxidación lenta. Esto significa que
terminan su grado de oxidación al estar en contacto
con el aire al enfriarse.
De todos los cementos, el Portland es el más im-
portante en cuanto a términos de calidad. Es el
material idóneo para las operaciones de cemen-
tación de pozos.
Algunos cementos Portland son de fabricación espe-
cial, debido a que las condiciones de los pozos difie-
ren significativamente entre sí al variar su profundi-
dad. En la solución de algunos problemas específicos
de pozos se utilizan cementos de menor uso.
El cemento Portland es, además, el ejemplo típico de
un cemento hidráulico: fragua y desarrolla resisten-
cias a la compresión como resultado de la hidratación,
la cual involucra reacciones químicas entre el agua y
los componentes presentes en el cemento.
El fraguado y endurecimiento no solamente ocurre
si la mezcla de cemento y agua se deja estática al
aire, también se presenta si la mezcla se coloca en
agua. El desarrollo de resistencia es predecible, uni-
forme y relativamente rápido.
El cemento fraguado tiene baja permeabilidad y es
insoluble en agua, de tal forma que expuesto a ésta
no se destruyen sus propiedades.
Tales atributos son esenciales para que un cemento
obtenga y mantenga el aislamiento entre las zonas
del subsuelo.
128
AES Área exterior de sellos Pdif Presión diferencial
AiTR Área interior de TR ProtT Protección a la tubería
CAD Capacidad del agujero descubierto ProtF Protección a la formación
CEA Capacidad del espacio anular Cc Carga máxima al colapso del cargador
CICe Cima de cemento FCc Factor de capacidad del colgador al colapso
CTC Capacidad del TC Q Gasto
CTP Capacidad de TP R Rendimiento del saco de cemento
CTp Capacidad de Tp PV Peso volumétrico
CTR Capacidad de TR DTR Desplazamiento de TR
Dag Diámetro del agujero RTRC Resistencia de TR al colapso
Dc Diámetro de la camisa Cpi Carga máxima de TR sin desgarrarse
De Diámetro exterior W Peso de tubería
Di Diámetro interior Vzc Volumen de lechada dentro de TR entre zapata
y cople
DT Diámetro de tubería RTRpi Resistencia de TR a la presión interna
Dv Diámetro del vástago RTRT Resistencia de TR a la tensión
Ef Eficiencia WS Peso de sarta de tubería
ETP Elongación de TP Sc Saco de cemento
ETR Elongación de TR TC Tubería conductor
FC Fuerza que actúa sobre el cople TR Tubería de revestimiento
FF Factor de flotación TP Tubería de perforación
Ffp Factor de fricción del lodo Tp Tubería de producción
Fs Factor de seguridad DTP Desplazamiento de TP
Ge Gravedad específica t TR Tramos de TR
Gf Gradiente de fractura Vag Volumen de agua
GTP Grado de TP t TP Tramos de TP
GTR Grado de TR Vc Volumen de cemento
H Profundidad VLc Volumen de lechada de cemento
hzc Longitud entre zapata y cople Vcr Volumen de cemento requerido
L Longitud Vd Volumen de desplazamiento
LTP Longitud de TP Vit Velocidad de introducción de la tubería
LTR Longitud de TR LV Longitud del vástago
Uac Densidad del acero LTp Longitud de Tp
Uc Densidad del cemento WT Peso teórico de la tubería
Ufc Densidad del fluido de control FCpi Factor de capacidad del colgador a la presión
interna
T Tiempo WF Peso físico de la tubería
GLOSARIO

6
Fabricación
Los materiales crudos se muelen y mezclan vigoro-
samente, así se obtiene una mezcla homogénea en
las proporciones requeridas, para lograrlo existen
dos procesos: seco y húmedo (figura 2, proceso de
fabricación del cemento Portland).
Proceso seco
Se preparan las materias primas y se pasan a un
molino para homogeneizar el tamaño de las partícu-
las y su cantidad. Se pasan por un separador de aire
y se les lleva a silos mezcladores para su almacena-
miento antes de pasarse al horno rotatorio.
Proceso húmedo
A diferencia del anterior, este proceso efectúa una
mezcla de las materias primas con agua para man-
tener en forma más homogénea la mezcla. También
se les pasa por un molino para uniformar el tamaño
de partícula y, posteriormente, se pasa a unos con-
tenedores que mantienen en movimiento la mezcla
antes de pasarla al horno rotatorio.
Esta mezcla de materia cruda seca o húmeda, según
el proceso de fabricación, se alimenta en la parte
más elevada del horno rotatorio inclinado, a un gas-
to uniforme, y viaja lentamente por gravedad a la
parte inferior del mismo.
El horno se calienta con gas a temperaturas de 1430
a 1540°C.
Estas temperaturas originan reacciones químicas
entre los ingredientes de la mezcla cruda, resultan-
do un material llamado clinker.
El clinker se deja enfriar a temperatura ambiente con
corriente de aire, en un área inmediata al horno, cons-
truida bajo diseño para controlar la velocidad de en-
friamiento. Una vez frío, se almacena y se muele pos-
teriormente en molinos de bolas, para darle el tama-
ño deseado a las partículas.
El clinker se alimenta al molino de cemento conjun-
tamente con una dosificación de sulfato de calcio
dihidratado, con lo que se obtiene el producto ter-
minado de cemento Portland, figura 2.
Principales compuestos del cemento y sus funciones
1. Silicato tricálcico (3CaO.SiO2
) habitualmente co-
nocido como C3
S.
Es el componente más abundante en la mayoría de
los cementos y, además, el factor principal para pro-
ducirlaconsistenciatempranaoinmediata(1a28días).
Generalmente, los cementos de alta consistencia in-
mediata contienen en mayor concentración este com-
puesto; más que el Portland común y los retardados.
2. Silicato dicálcico (2CaO.SiO2
) habitualmente co-
nocido como C2
S.
Compuesto de hidratación lenta que proporciona la
ganancia gradual de resistencia. Ocurre en un pe-
riodo largo: después de 28 días.
3. Aluminato tricálcico (3Ca
O.Al2
O3
) habitualmente
conocido como C3
A.
Tiene influencia en el tiempo de espesamiento de la
lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ata-
que químico de los sulfatos sobre los cementos. Esta
susceptibilidad se clasifica en moderada y alta resis-
tencia al ataque químico, cuando contienen este
compuesto en 8 y 3% respectivamente.
4. Alúmino ferrito tetracálcico (4Ca
O.Al2
O3
.Fe2
O3
) ha-
bitualmente conocido como C4
AF.
Este compuesto es de bajo calor de hidratación y no
influye en el fraguado inicial.
Clasificación API Y ASTM de los cementos
Las Normas API se refieren a clase de cemento; las
Normas ASTM a tipo de cemento.
1. Cemento clase A o tipo I
Está diseñado para emplearse a 1830 m de profun-
didad como máximo, con temperatura de 77°C, y
donde no se requieran propiedades especiales.
2. Cemento clase B o tipo II
Diseñado para emplearse hasta a 1830 m de
profundidad, con temperatura de hasta 77°C, y en
donde se requiere moderada resistencia a los sulfatos.
127
cada por la longitud entre cople y zapata de la TR
por cementar.
7.Indique en qué consiste el diseño de gabinete de
una cementación primaria y cómo se pueden conju-
gar las características reológicas de los fluidos con
el estado mecánico del pozo.
El diseño de gabinete consiste en conjugar las ca-
racterísticas reológicas de los fluidos que intervie-
nen en la operación de cementación con las condi-
ciones mecánicas del pozo, mediante un programa
computarizado que brinda la oportunidad de anali-
zar varias alternativas: simula mediante cálculos los
esfuerzos a que se someterá el pozo durante la ope-
ración de cementación y vigila, en todo momento,
que la presión de fondo de cementación no sea igual
o superior a la presión de fracturamiento de la for-
mación, ni menor a la presión de poro.
8. Indique los pasos que se deben seguir para el
cálculo de un tapón balanceado de cemento.
Efectuar registros de calibración y temperatura del
agujero.
Definir de acuerdo al registro de calibración la zona
de colocación y diámetro promedio.
Calcular el volumen de lechada necesaria para cu-
brir la longitud del tapón que se pretenda tener en
el pozo.
Determinar la altura de la lechada dentro y fuera de
la tubería de perforación, dividiendo el volumen de
lechada calculada entre la suma de las capacidades
dentro de la tubería de perforación y del espacio anu-
lar entre la tubería de perforación y el agujero.
Determinar la altura dentro y fuera de los frentes
lavador y espaciador en forma similar al de la
lechada.
Calcular el volumen de desplazamiento, multiplican-
do la capacidad del interior de la sarta por la distan-
cia de la cima determinada en el paso anterior a la
superficie, con base en las alturas determinadas en
los dos pasos anteriores
9. Mencione las técnicas empleadas para llevar a
cabo una cementación a presión.
Cementación a presión con bombeo continuo o con
bombeo intermitente.
Cementación a presión con rompimiento de forma-
ción e inyección de la lechada en el interior de la
fractura provocada.
Cementación a presión sin romper formación, for-
mando depósitos de cemento con base en la cons-
trucción de enjarre de baja permeabilidad en las zo-
nas de inyección.
ble: uno, para programar y ejecutar los parámetros
principales de cementación durante la operación, y
el otro para monitoreo y control del desarrollo de la
operación misma.
La técnica elegida se selecciona de acuerdo con el
El sistema de cómputo debe ser doble: uno, para
objetivo de la operación. programar y ejecutar los
parámetros principales de cementación durante la
operación. y el otro para
10. Indique las características que debe tener el
monitoreo y control del desarrollo de la opera-
ción sistema de mezclado de cemento para obte-
ner un trabajo de calidad.
Debe hacerse con un mezclador de alta energía. Se
imprime un esfuerzo cortante alto y prolongado,
basado en recircular la mezcla con control de densi-
dad automatizado programable, con capacidad sufi-
ciente 25 bl para operaciones con volúmenes gran-
des de lechada.

7
Horno Rotatorio
Materias primas calcinadas a 2700 o
F Entrada de
combustible
Enfriador del clinker
con aire
Clinker y yeso convergen
al molino
Yeso
Clinker
Al horno
Materiales almacenados
separadamente
)LJXUD )DEULFDFLyQ GHO HPHQWR 3RUWODQG
Molino de bolas
yes
o
Materiales
proporcionados
Separador
de aire
Colector de
polvos
Bomba de
cemento
Silos de
Almacenaje
Líneas de carga de cemento a
unidades transportadoras
Ensacadora
yeso
Molino
Alimentadores de
materias primas
Separador de aire
A la bomba
neumática
Partículas mayores
Cámara de aire
caliente
Silos de mezclado en
seco
Silo de almacenaje de materia
mezclada
Colector de polvo
Al horno
Caliza
Fino
Fig. No. 8.4.01 Proceso de Fabricación del Cemento PortlandFigura 2 Proceso de fabricación del cemento Portland.
126
3. Indique los principales compuestos mineralógicos
del cemento y sus funciones.
Silicato Tricálcico C3
S
Es el componente de mayor proporción en la mayo-
ría de los cementos y el factor principal que produce
la consistencia temprana o inmediata (1 a 28 días).
Los cementos de alta consistencia inmediata, gene-
ralmente lo contienen en mayor concentración que
el Portland común y que los retardados.
Silicato Dicálcico C2
S
Compuesto de hidratación lenta que proporciona la
ganancia gradual de resistencia, la cual ocurre en
un periodo largo: después de 28 días.
Aluminato Tricálcico C3
A
Tiene influencia en el tiempo de espesamiento de la
lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ata-
que químico de los sulfatos sobre los cementos. Se
clasifican en moderada y alta resistencia al ataque
químico, cuando lo contienen en 8 y 3% respectiva-
mente.
Aluminio Ferrito Tetracálcico C4
AF
Este compuesto es de bajo calor de hidratación y no
influye en el fraguado inicial.
4. Indique las clases de cemento petrolero de ma-
yor aplicación en el ámbito mundial, en función
de su versatilidad de aplicación.
Cementos Clase G Y H.
Comúnmente conocidos como cementos petroleros,
son básicos para emplearse desde la superficie has-
ta 2240 m tal como se fabrican. Pueden modificarse
con aceleradores y retardadores para usarlos en un
amplio rango de condiciones de presión y tempera-
tura.
5. Indique las categorías en que se agrupan para
su estudio los distintos aditivos.
Los aditivos químicos de cementación se agrupan
en ocho categorías para su estudio y aplicación:
Aceleradores
Reducen el tiempo de fraguado de los sistemas de
cemento e incrementan la velocidad de desarrollo
de resistencia compresiva.
Retardadores
Prolongan el tiempo de fraguado de los sistemas de
cemento.
Extendedores
Bajan la densidad de los sistemas de cemento y/o
reducen la cantidad de cemento por unidad de volu-
men del producto fraguado.
Densificantes
Incrementan la densidad de los sistemas del ce-
mento.
Dispersantes
Reducen la viscosidad de las lechadas de cemento.
Controladores de filtrado
Controlan la pérdida de la fase acuosa de los siste-
mas de cemento, frente a zonas permeables.
Controlador de pérdida de circulación
Controlan la pérdida de cemento hacia zonas débi-
les de la formación o fracturas.
Aditivos especiales
Es la miscelánea de aditivos complementarios para
la cementación, tales como antiespumantes,
controladores de la regresión de la resistencia
compresiva, etcétera.
6. Indique cómo se calcula el volumen de lechada
de cemento que se requiere emplear en una
cementación primaria, con tubería corrida hasta
la superficie.
Se multiplica la capacidad del espacio anular entre
el agujero y la tubería de revestimiento por cemen-
tar y entre ésta y la última tubería cementada, por la
longitud que se va a cubrir en cada caso, más la ca-
pacidad de la tubería que se va a cementar multipli-

8
3. Cemento clase C o tipo III
Está diseñado para emplearse hasta 1830 m de pro-
fundidad como máximo, con temperatura de 77°C,
donde se requiere alta resistencia a la compresión
temprana; se fabrica en moderada y alta resistencia
a los sulfatos
4. Cemento clase D
Este cemento se emplea de 1830 hasta 3050 m de
profundidad con temperatura de hasta 110°C y pre-
sión moderada. Se fabrica en moderada y alta re-
sistencia a los sulfatos.
5. Cemento clase E
Este cemento se usa de 1830 hasta 4270 m de profun-
didad con temperatura de 143°C y alta presión. Se fa-
brica en moderada y alta resistencia a los sulfatos.
6. Cemento clase F
Este cemento se usa de 3050 hasta 4880 m de pro-
fundidad con temperatura de 160°C, en donde exis-
ta alta presión. Se fabrica en moderada y alta resis-
tencia a los sulfatos.
7. Cementos clase G Y H
Comúnmenteconocidoscomocementospetroleros,son
básicosparaemplearsedesdelasuperficiehasta2240m
tal como se fabrican. Pueden modificarse con
aceleradores y retardadores para usarlos en un amplio
rango de condiciones de presión y temperatura.
En cuanto a su composición química son similares
al cemento API Clase B. Están fabricados con espe-
cificaciones más rigurosas tanto físicas como quí-
micas, por ello son productos más uniformes.
8. Cemento clase J
Se quedó en fase de experimentación y fue diseña-
do para usarse a temperatura estática de 351°F
(177°C) de 3660 a 4880 metros de profundidad, sin
necesidad del empleo de harina sílica, que evite la
regresión de la resistencia a la compresión.
Propiedades físicas de los cementos
Los cementos de clasificación API (Instituto Ameri-
cano del Petróleo) tienen propiedades físicas espe-
cíficas para cada clase de cemento, mismas que bá-
sicamente definen sus características.
Lasprincipalespropiedadesfísicasdeloscementosson:
Ge = Gravedad específica
Denota el peso por unidad de volumen, sin tomar
en consideración otros materiales, tales como el aire
o el agua; es decir, el peso de los granos de cemen-
to específicamente; sus unidades son gr/cm3
, kg/lt
y ton/m3
.
PV= Peso volumétrico
Denota el volumen por unidad de masa. Se toma en
consideración el aire contenido entre los granos de
cemento; sus unidades son gr/cm3
, kg/lt y ton/m3
.
Blaine. Fineza de los granos de cemento
Indica el tamaño de los granos del cemento. Su mayor
influencia se da sobre el requerimiento de agua para la
preparacióndelalechada.Estacaracterísticaesunfactor
determinante, pero no único, para la clasificación de los
cementos.Susunidadessoncm2
/gr,m2
/kgRepresentael
área expuesta al contacto con el agua y se determina
como una función de permeabilidad al aire.
Distribución del tamaño de partícula
Indicala eficienciaconlaquesellevóacabolaselección,
lamoliendayelrestodelprocesodefabricaciónsobre la
homogeneización de los materiales crudos molidos.
Tamaño promedio de partículas
Es el tamaño de grano que ocupa el 50% de un peso
determinado de cemento, dentro de la gama de ta-
maños de grano que integran el cemento.
Requerimiento de agua normal
Es el agua necesaria para la lechada con cemento solo.
Debe dar 11 Uc a los 20 minutos de agitarse en el
consistómetrodepresiónatmosféricaatemperaturaam-
biente; se expresa en por ciento por peso de cemento.
Requerimiento de agua mínima
Denota el agua necesaria para la lechada de cemen-
125
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
1. Describa los objetivos de las siguientes opera-
ciones:
Cementación primaria
Cementación a presión
Tapón de cemento
Los principales objetivos de la cementación prima-
ria son:
Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo
que contienen gas, aceite y agua.
Soportar el peso de la propia tubería de revesti-
miento.
Reducir el proceso corrosivo de la tubería de reves-
timiento, por los fluidos del pozo y los inyectados al
estimularlo.
Los objetivos de las cementaciones forzadas son:
Mejorar el sello hidráulico entre dos zonas que ma-
nejan fluidos.
Corregirla cementaciónprimariaenlabocadeunatube-
ría corta o en la zapata de una tubería cementada, que
manifiesta ausencia de cemento en la prueba de goteo
Eliminar la intrusión de agua al intervalo productor.
Reducir la relación gas aceite.
Sellar un intervalo explotado.
Sellar parcialmente un intervalo que se seleccionó
incorrectamente.
Corregir una canalización en la cementación
primaria.
Corregir una anomalía en la tubería de revestimiento.
Los objetivos de los tapones de cemento son:
Desviar la trayectoria del pozo, arriba de un pesca-
do o para iniciar la perforación direccional.
Taponar una zona del pozo o taponar el pozo.
Resolver un problema de pérdida de circulación en
la etapa de perforación.
Hacer un amarre en la prueba del pozo.
2. Indique los procesos de fabricación del cemento
Portland.
Proceso Seco
Se preparan las materias primas y se pasan a un
molino para homogeneizar el tamaño de las partí-
culas y su cantidad, pasando por un separador de
aire y se llevan a silos mezcladores para su almace-
namiento antes de alimentarse al horno rotatorio.
Proceso Húmedo
Este proceso efectúa una mezcla de las materias pri-
mas con agua para mantener en forma más homogé-
nea los materiales, haciendola pasar también por un
molino para uniformar el tamaño de partícula y poste-
riormente se pasa la mezcla a unos contenedores que
la mantienen en movimiento antes de pasar al horno
rotatorio.
Esta mezcla de materia cruda, seca o húmeda, se-
gún el proceso de fabricación, se alimenta por la parte
más elevada, al horno rotatorio inclinado, con un
gasto uniforme, y viaja lentamente por gravedad a
la parte inferior del mismo.
Para cemento petrolero, el horno se calienta con gas
a temperaturas de 1430 a 1540°C.
Estas temperaturas originan reacciones químicas en-
tre los ingredientes de la mezcla cruda, resultando
un material llamado clínker.
El clínker se deja enfriar a temperatura ambiente con
corriente de aire, en un área inmediata al horno, cons-
truida bajo diseño para controlar la velocidad de en-
friamiento. Una vez frío se almacena y se muele pos-
teriormente en molinos de bolas, dándole el tamaño
deseado a las partículas.
El clínker alimenta al molino de cemento conjunta-
mente con una dosificación de sulfato de calcio
dihidratado, con lo que se obtiene el producto ter-
minado de cemento Portland.

9
to. Debe dar 30 Uc a los 20 minutos de agitarse en
el consistómetro de presión atmosférica a tempera-
tura ambiente; se expresa en por ciento por peso
de cemento.
Densidad de la lechada
Es el peso de la mezcla del cemento con agua y está
en función de la relación de agua por emplear. Sus
unidades son gr/cm3
, kg/lt y ton/m3
.
Ángulo de talud natural del cemento
Es el ángulo que forma el material granulado cuan-
do se deposita en una superficie plana horizontal;
sirve para el diseño de la planta dosificadora de ce-
mento y para recipientes a presión.
Categorías de los aditivos y sus funciones
Aceleradores
Son productos químicos que reducen el tiempo de
fraguado de los sistemas de cemento. Incrementan
la velocidad de desarrollo de resistencia compresiva.
Retardadores
Son productos químicos que prolongan el tiempo
de fraguado de los sistemas de cemento.
Extendedores
Son materiales que bajan la densidad de los siste-
mas de cemento y/o reducen la cantidad de cemen-
to por unidad de volumen del producto fraguado.
Densificantes
Son materiales que incrementan la densidad de los
sistemas del cemento.
Dispersantes
Son productos químicos que reducen la viscosidad
de las lechadas de cemento.
Controladores de filtrado
Son materiales que controlan la pérdida de la fase
acuosa de los sistemas de cemento, frente a zonas
permeables.
Controlador de pérdida de circulación
Son materiales que controlan la pérdida de cemen-
to hacia zonas débiles de la formación o fracturas.
Aditivos especiales
Es la miscelánea de aditivos complementarios para
la cementación, tales como antiespumantes,
controladores de la regresión de la resistencia
compresiva, etcétera.
clases de Aceleradores
Estos aditivos químicos acortan el tiempo de bom-
beo e incrementan el desarrollo de resistencia
compresiva; disminuyendo el tiempo equipo de per-
foración.
Los aceleradores de mayor aplicación son:
• Cloruro de calcio (CaCl2
)
Esta sal se dosifica del 2 al 4 % por peso de cemen-
to, dependiendo del tiempo de bombeo que se de-
sea obtener. Es el producto que exhibe mayor con-
trol en el tiempo bombeable .
• Cloruro de sodio (NaCl)
Actúa como acelerador en concentraciones de has-
ta un 10 % por peso de agua, entre el 10 y 18 %
produce un tiempo de bombeo similar al obtenido
con agua dulce. A concentraciones mayores del 18
% causa retardamiento. La típica concentración de
acelerador es del 2 al 5 % por peso de agua.
• Sulfato de calcio (CaSO4
)
Es un material que por sí mismo posee característi-
cas cementantes y tiene fuerte influencia en expan-
dir el cemento fraguado; como acelerador se dosifica
basándose en el tiempo que se desea y la tempera-
tura a la cual va a trabajar. Su concentración varía
del 50 al 100% por peso del cemento.
Retardadores del fraguado del cemento
Son aditivos químicos que incrementan el tiem-
po de fraguado inicial y brindan la posibilidad de
trabajar el cemento en un amplio rango de tem-
peratura y presión.
124
de los centros de investigación marcan un porcen-
taje de adherencia mínimo del 90 % para obtener
buenos resultados de sello; sin embargo, las expe-
riencias de campo marcan un 80 % mínimo para
dar por buena la cementación
Cementaciones a presión
La evaluación de este tipo de operaciones se hace de
acuerdo con su objetivo; es decir, si ésta se efectúo
para corregir una canalización en una cementación
primaria, se evaluará mediante la aplicación de un só-
nico de cementación y /o la aplicación de presión en
las zonas disparadas verificando que exista buen se-
llo en los orificios de los disparos y en la zona de falta
de adherencia manifestada por el registro.
Para el caso de abandono de intervalos, primera-
mente se debe alcanzar una presión final y poste-
riormente se efectúa una prueba de admisión para
asegurarse de su efectividad por un lapso de 15 a
30 minutos con la presión que se espere del siguien-
te intervalo a explotar o una prueba de aligeramien-
to de columna para verificar que no se tengan apor-
taciones de fluidos de la formación
Tapones por circulación
La evaluación de los tapones de cemento que se
colocan por circulación variará de acuerdo con el
objetivo que se persiga con el tapón:
Para desviar pozo el tapón debe soportar de 3 a 4
ton de peso en condiciones estáticas, además al re-
bajar para afinar el punto de desviación debe tener
una consistencia tal que manifieste una velocidad
de penetración mínima de 2 minutos por metro, con
un peso máximo sobre barrena de 3 ton y una pre-
sión de bombeo de 120 a 140 kg/cm
2
.
La longitud del tapón tenderá a ser de 150 m máxi-
mo, empleando frentes de limpieza y separador con
un volumen igual o mayor que el del cemento.
La cima del cemento podrá variar en +/- 20 m de la
profundidad de diseño.
Los tapones temporales y de apoyo se probarán con
5 ton de peso estático únicamente.
Los tapones de abandono y obturamiento de inter-
valos, con temperatura mayor de 100°C se diseñarán
con arena sílica y no deben presentar canalización
y flujo a través del tapón, debiéndose probar con
presión hidráulica y peso, cuyos valores depende-
rán de su profundidad de colocación y condiciones
del pozo.

10
Como la aceleración, los mecanismos para retardar
el fraguado del cemento Portland son aún materia
de controversia. Así han surgido varias teorías que
intentan explicar el proceso retardante. Éstas son:
de la adsorción, la precipitación, la nucleación y la
complejidad. Consideran dos factores: la naturaleza
química del retardador y la fase del cemento (silicato
o aluminato) sobre la cual actúa el retardador.
Los retardadores másconocidossonloslignosulfonatos
de calcio y los cromolignosulfonatos de calcio, así como
otrosquesonmezclasquímicas. Unostrabajanatempe-
raturas bajas y otros a temperaturas altas. Su dosifica-
ción es de 0.1 a 2.5% por peso de cemento.
Los retardadores más empleados son:
• Lignosulfonatos
Se componen de sales de ácidos lignosulfónicos de
sodio y calcio. Son polímeros derivados de la pulpa
de la madera. Usualmente son compuestos no refi-
nados y contienen varias cantidades de compues-
tos sacaroides con un peso promedio molecular que
varía de 20,000 a 30,000.
Debido a que los lignosulfonatos purificados pier-
den mucho poder retardante, la acción retardante
de esos aditivos se atribuye a la presencia de
carbohidratos de bajo peso molecular.
Los retardadores de lignosulfonatos son efectivos
con todos los cementos Portland y se dosifican de
0.1 a 1.5 % por peso de cemento.
Son efectivos hasta 250 °F (122 °C) de temperatura de
circulación en el fondo del pozo (BHCT) y hasta 600 °F
(315 °C) cuando se mezclan con borato de sodio.
Hasta el momento se ha comprobado que los
retardadores de lignosulfonatos afectan principal-
mente la cinética de la hidratación de C3
S; sin em-
bargo, sus efectos sobre la hidratación del C3
A no
son significativos.
• Ácidos hidroxilcarboxílicos
Los ácidos hidroxilcarboxílicos contienen grupos
hidroxílicos (OH) y carboxílicos (CHn) en su estruc-
tura molecular. Son retardadores poderosos y se apli-
can en un rango de temperatura de 200 °F (93 °C) a
300 °F (149 °C).
Otro ácido hidroxilcarboxílico con un fuerte efecto
retardante, es el ácido cítrico. Éste también es efec-
tivo como dispersante de cemento y normalmente
se usa en concentraciones de 0.1 a 0.3% por peso
de cemento.
Los ácidos de hidroxilcarboxílico de manera similar
que los lignosulfonatos actúan más eficientemente
con cementos de bajo contenido de C3
A.
• Compuestos sacáridos
Los sacáridos son excelentes retardadores del ce-
mento Portland.
Se usan ocasionalmente en la cementación de po-
zos, por ser muy sensibles a pequeñas variaciones
en sus concentraciones.
• Derivados de la celulosa
Los polímeros de la celulosa son polisacáridos deri-
vados de la madera o de otros vegetales. Son esta-
bles a las condiciones alcalinas de la lechada de ce-
mento.
El retardador celulósico más común es el
carboximetil hidroxietil celulosa (CMHEC). Es efecti-
vo a temperaturas superiores de 250 °F (120 °C).
También la CMHEC se usa como agente de control
de pérdida de fluido; además, incrementa signifi-
cativamente la viscosidad de la lechada.
• Organofosfonatos
Seaplicanatemperaturasdecirculacióntanaltascomo
400 °F (204 °C). Presentan insensibilidad a variaciones
sutiles en la composición del cemento, y tienden a
bajar la viscosidad de lechadas densificadas.
Reductores de fricción (dispersantes)
Son productos que ayudan a obtener con gastos
bajos de bombeo el régimen turbulento. Reducen la
fricción entre granos, y entre éstos y las paredes.
De acuerdo con varias investigaciones realizadas en
diferentes países se ha demostrado que la mayor
eficiencia en la limpieza del lodo del espacio anular
se logra en régimen turbulento; es decir, cuando la
lechada de cemento y los colchones de limpieza se
123
Instalaciones
La planta de almacenamiento debe contar con
señalamientos de localización de cada uno de los
productos químicos ahí almacenado. En estas se-
ñales se encuentra la información básica del pro-
ducto: nombre, tipo de riesgo al manejarlo, tipo de
equipo que se debe portar al manejarlo. Otra prácti-
ca segura es designar áreas especiales con bordes
o represas en donde se almacenen productos líqui-
dos para prevenir, en caso de algún derrame, ma-
yor daño al ambiente, y facilitar la recuperación de
los mismos.
En lo que corresponde al sistema neumático utiliza-
do para la mezcla del cemento y aditivos, cada uno
de los componentes del sistema: compresores, lí-
neas y silos, deben contar con válvulas de desfo-
gue que prevengan de cualquier percance que pu-
diese ocurrir al sobre represionar al sistema. Asi-
mismo, el sistema debe estar provisto con un co-
lector de finos, el cual recolecta y almacena la gran
mayoría de los finos (polvos) generados por la do-
sificación y que de otra forma se descargarían a la
atmósfera.
También, entre el equipo básico de seguridad de la
planta se deben incluir lavaojos y lavamanos colo-
cados en lugares estratégicos de fácil acceso a las
personas que se encuentran laborando.
Observaciones
Evite golpear los silos presurizados, pues pueden oca-
sionar un accidente. En caso de ser indispensable,
golpear suavemente utilizando un martillo de caucho.
Nunca debe cerrarse o abrir una válvula sin conoci-
miento pleno del estado de la operación que se está
realizando, figura 90.
XV. CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE:
Cementaciones primarias
El método de evaluación de la cementación primaria
debe ser seleccionado de acuerdo con el objetivo:
Así, cuando se desea verificar si se tiene buen sello
en la zona de la zapata, se procede a efectuar una
prueba de goteo. Se aplica al agujero descubierto
inmediatamente después de perforar la zapata, una
presión hidráulica equivalente a la carga hidrostática
que ejercerá el fluido de control con el que se per-
forarála próxima etapa, durante 15 a 30 minutos, sin
abatimiento de la presión aplicada.
Cuando se desea verificar si hay buen sello en la boca
de una tubería corta, se hace una prueba hidrostática
sobre la capa de cemento; se aplica una presión hi-
dráulica calculada, que no sea mayor a la resistencia a
la compresión del cemento, a las condiciones de fon-
do. Se toma en consideración la carga hidrostática ejer-
cida por el fluido de terminación, más la presión hi-
dráulica aplicada con bomba, por un tiempo determi-
nado; generalmente son de 15 a 30 minutos con pre-
sión sostenida, sin bombeo adicional.
Para evaluar la adherencia en todo el tramo cemen-
tado es necesario efectuar un registro sónico de
cementación, empleando la tecnología de ultraso-
nido con cualquiera de las herramientas ultrasóni-
cas y, en caso de que este registro denote mala ca-
lidad de la cementación en las zonas de interés, se
efectuarán operaciones de re-cementación a través
de disparos efectuados en las partes que denoten
falta de sello del cemento por mala adherencia o
por existencia de canalizaciones. Generalmente es
aceptada una adherencia mínima del 80 % para dar
por bueno un trabajo de cementación, aunque los
estudios efectuados en los laboratorios de reología
Figura 90 Mezcla manual de lechada de cemento.

11
desplazan a una velocidad tal que corresponda a un
número de Reynolds de 3000 a 4000 o mayor, en fun-
ción de sus características reológicas: n' = índice de
comportamiento de flujo y k' = índice de consistencia.
Generalmente, son sales de ácidos grasos y se
dosifican del 0.2 al 2.5% por peso de cemento.
Lechadas de cemento
Las lechadas de cemento son suspensiones altamen-
te concentradas de partículas sólidas en agua.
El contenido de sólidos de una lechada de cemento
puede llegar hasta un 70%.
La reología de la lechada de cemento está relacio-
nada con la del líquido de soporte, la fracción
volumétrica de los sólidos (volumen de partículas/
volumen total) y la interacción entre las partículas.
En una lechada de cemento, el fluido intersticial es
una solución acuosa de varias clases de iones y adi-
tivos orgánicos. Por lo tanto, la reología de la lechada
difiere de la reología del agua.
Los sólidos en una lechada están en función directa
a su densidad.
Las interacciones de las partícu-
las dependen principalmente de
la distribución de las cargas su-
perficiales. Los dispersantes del
cemento, también conocidos
como superplastificadores, ajus-
tan las cargas superficiales de las
partículas para obtener las propie-
dades reológicas deseadas de la
lechada (figura 3)
Ionización superficial de las par-
tículas del cemento en un medio
acuoso
La hidrólisis de algunos compues-
tos orgánicos e inorgánicos condu-
cen a su ionización y, por consi-
guiente, a cargas superficiales. Éste
es el caso de la sílice que forma la
mayor parte de los elementos del
cemento, y cuya fórmula es:
-Si - OH + OH- -Si - O- + H2
O
Los iones libres de calcio en la solución reacciona-
rán con los grupos cargados negativamente sobre
la superficie de los granos. Un ion de calcio puede
unirse a dos grupos, Si-O- los cuales pueden estar
en un mismo grano o en dos granos diferentes.
El puenteo entre dos granos se debe a que el área
superficial del cemento es grande y compiten por
los iones de calcio entre los sitios de adsorción. Una
parte de los granos del cemento puede estar carga-
da positivamente, debido a la adsorción de calcio,
mientras que otra parte está cargada negativamen-
te; como resultado, ocurren las interacciones entre
las porciones cargadas positivamente.
• Viscoplasticidad de las lechadas de cemento y me-
canismo de dispersión
Cuando se mezcla cemento en polvo y agua se for-
ma una estructura de gel en toda la lechada, que
impide flujos con esfuerzo cortante menor al esfuer-
zo de corte dado por el valor de cedencia. Esto es
resultado de la interacción electrostática entre las
partículas. A esfuerzos de corte menores al valor de
cedencia, la lechada se comporta como un sólido.
Esto puede originar algunas deformaciones finitas,
Figura 3 Interacción de partículas.
122
Cuenta con una línea de llenado del silo que entra
por su base cónica y corre paralelo a su eje
longitudinal, el extremo superior de la línea termina
en un codo de 90°.
Inmediatamente arriba de la brida del casquete fi-
nal lleva una línea de descarga para suministro de
cemento.
Olla de pesar y mezclar. Esta olla tiene una forma
similar a la descrita para el silo vertical, con la
diferencia de su tamaño y capacidad. Este reci-
piente normalmente maneja por pesada entre 5 a
7.5 ton de mezcla y, a diferencia del silo, el siste-
ma de inyección de aire es a través de un múlti-
ple con toberas y válvulas de contra presión y
una línea directa de suministro de presión, so-
portada directamente del tanque de servicio con
una válvula de contrapresión insertada que evita
el regreso del aire con cemento al compresor.
Olla de aditivos. Es similar a la olla de mezclar,
pero más pequeña pues únicamente tiene una
capacidad de 2 ton de cemento. Su función es
efectuar una primera mezcla de los aditivos con
una parte del cemento que integrará la pesada.
Una vez hecha la mezcla se bombea a la olla de
pesar donde se complementa el resto de cemen-
to de la pesada.
El resto de recipientes son similares a
los descritos.
• Compresores de aire. Normalmen-
te la planta dosificadora de cemento
a granel cuenta con un par de
compresores de aire, con capacidad
de 300 a 600 pies cúbicos de gasto
por minuto y una presión de servicio
regulada de 30 a 40 psi. Este sistema
neumático se encarga del manejo del
cemento en la planta en general.
Salud y seguridad en el manejo de
aditivos
La naturaleza de los materiales mane-
jados por la planta de cemento da lu-
gar a ciertas consideraciones especia-
les, para la disminución de riesgos y
prevención de accidentes en el área
de trabajo:
Todas las personas que se encuentren realizando
las actividades diversas que se llevan a cabo en la
planta, como son: cargado de bultos, vaciado de
bultos, pesado de químicos, manejo del panel, etc.
deberán portar, sin excepción:
1.- Lentes de seguridad. Protegen los ojos del con-
tacto con los polvos de los productos químicos
que pudieran haberse volatilizado hacia la at-
mósfera.
2.- Mascarilla contra polvos. Previene la inhalación
de estos polvos.
3.- Overol. Proporciona una protección integral al
cuerpo de cualquier contacto cutáneo con los pro-
ductos químicos.
4.- Casco. Resguarda la cabeza de golpes.
5.-Protectores auditivos.
6.-Guantes. Protegen las manos del contacto con el
cemento y productos químicos, además de gol-
pes o cortaduras.
7.-Zapatos antiderrapantes con casquillo metálico.
Figura 89 Tanques presurizables de cemento a granel.

12
de compresión o, eventualmente, de deslizamiento,
pero no fluye.
Arriba del valor de cedencia, la lechada se comporta
como un líquido comprendido en el modelo
Bingham, con viscosidad plástica bien definida.
Como se puede ver en la figura 4, experimentalmen-
te, las curvas de esfuerzo cortante y velocidad de
corte son aproximadamente lineales; la pendiente
de la línea es la viscosidad plástica y su ordenada al
origen es el valor de cedencia.
Sin embargo, la viscosidad aparente, representa-
da por la relación entre el esfuerzo de corte/veloci-
dad de corte, no es una constante; en su lugar ésta
disminuye con el incremento del esfuerzo de corte.
Una vez que el valor de cedencia es rebasado, la
lechada ya no se comporta como unidad: se rompe
en partes y agregados de partículas que se mueven
entre unas y otras. Estos agregados contienen agua
intersticial, lo que da como resultado que el volu-
men efectivo de la fase dispersa sea mayor que el
volumen de los granos de cemento.
El volumen de la fase dispersa es el factor clave para
determinar la reología de la dispersión. Por ejemplo,
en el primer orden de análisis éste conduce a la rela-
ción de Einstein.
m = mo(1 + 2.5 fs)
La viscosidad de una dispersión (m), hecha con un
fluido base de viscosidad (mo), depende solamente
de la fracción de volumen (fs) ocupado por la fase
dispersa.
En modelos más sofisticados, para dispersiones con-
centradas, la fracción de volumen de la fase disper-
sa determina el parámetro.
Un grupo hidrolizado silícico o alumínico sobre la
superficie de los granos del cemento (-Si- -O-- +
Ca+) lleva cargas negativas, las cuales pueden
adsorberse sobre los iones de calcio.
Las partículas de cemento se tornan
uniformemente con cargas negativas.
Este efecto puede observarse midien-
do el potencial Z, que es una función
de las cargas electrostáticas de las par-
tículas de una suspensión de cemento
diluido.
En el caso de polímeros no iónicos y
para algunas extensiones con polielec-
trolitos, la repulsión de las partículas
puede asegurarse mediante mecanis-
mos diferentes a la repulsión electros-
tática.
Las contribuciones entrópicas y entálpi-
cas pueden impedir el enlace desorde-
nado de los polímeros, evitando así el
contacto cerrado entre dos partículas cubiertas por
una capa de polímero adsorbido.
Composición química de los dispersantes del
cemento
Los sulfonatos son los dispersantes más comunes
del cemento.
Generalmente, los materiales preferidos para la
cementación tienen de 5 a 50 grupos de sulfonatos
adheridos a un gran polímero ramificado.
Los polímeros ramificados son los más deseables
debido a su rango de concentración, con lo cual
pueden puentear dos partículas mucho más pe-
queñas.
El sulfonato de polinaftalina (PNS o NSFC) es un pro-
ducto condensado del sulfonato b -naftalina y
formaldehído-. Tiene una alta variabilidad en el gra-
do de ramificación y de su peso molecular.
Velocidad de corte (r.p.m.)
Velocidaddecorte(Lecturasdel
Cemento disperso
.
Velocidaddecorte(Lecturasdeldisco)
cemento solo
121
Sistema dosificador de aditivos líquidos
Sin embargo, en localizaciones marinas existen res-
tricciones de espacio que limitan la cantidad de pro-
ductos químicos almacenados a granel, así como
condiciones de humedad severas que afectan el
desempeño de los aditivos en polvo.
En estas circunstancias, se prefiere el uso de un sis-
tema de dosificación con aditivos líquidos.
En instalaciones marinas, este sistema se encuen-
tra fijo en las plataformas y está diseñado para con-
trolar automáticamente la dosificación de aditivos
líquidos para las lechadas de cemento a través de
un controlador electrónico. Este sistema consta de
un conjunto de bombas acopladas a motores eléc-
tricos a prueba de explosión de 5 HP, cuyos elemen-
tos expuestos a fluidos han sido seleccionados de
materiales resistentes a la corrosión provocada por
los mismos.
Está disponible con una o cuatro bombas con gas-
tos variables de 25 y 50 gpm. Este sistema tam-
bién involucra al sistema de medición continua
que consta de tres o cuatro bombas electrónicas
capaces de dosificar cualquier aditivo líquido al
de la mezcla. Cada bomba tiene controles de ve-
locidad variables para suministrar la cantidad
exacta de aditivo.
El sistema es gobernado a través de un registrador
de parámetros, que controla el gasto de cada bom-
ba de aditivo y permite efectuar cambios sobre la
marcha, sin afectar el gasto de las demás.
Cada bomba puede montarse con un tanque de
aditivos con succión y descarga independiente, lo
que facilita su remoción y mantenimiento.
Diseño de una planta dosificadora de cemento
Entre las consideraciones más importantes para el
diseño e instalación de una planta de cemento se
tiene:
Volumen de cemento que se va a manejar. Necesi-
dades del cliente, capacidad de procesamiento de
las mezclas, proyección a mediano y largo plazo del
mercado.
Facilidad de acceso a las materias primas y/o aditi-
vos. Contar con proveedores confiables por vía aé-
rea, marítima o terrestre.
Distancia al o los puntos de utilización. Estratégica-
mente ubicado en relación con los puntos de venta
(bases del cliente o campos petroleros)
Comunicaciones. Acceso por caminos por los que
puedan transitar equipo pesado, facilidades para
efectuar y recibir los pedidos urgentes con sus pro-
veedores.
Leyes y reglamentos locales. Cumplir con las
normatividades locales para su establecimiento,
principalmente en materia fiscal.
Condiciones ambientales y de seguridad. Adecua-
da disposición de residuos tóxicos y nocivos.
Una planta dosificadora de cemento tiene como fi-
nalidad manejar el cemento a granel por medio neu-
mático mezclando y homogeneizando los aditivos
que conforman los diferentes diseños obtenidos por
el laboratorio. A su vez estas mezclas son cargadas
por la misma planta a las unidades móviles de trans-
portación que conducen el cemento al pozo.
Las partes principales que integran una planta de
cemento son:
Silos verticales. Su objetivo es almacenar cemen-
to y otros materiales a granel que intervienen en
altas proporciones tales como harina y arena de
sílice. Son recipientes diseñados para operar con
presión neumática baja del orden de 20 a 50 psi y
gastos altos de aire del orden de 200 a 300 pies
cúbicos por minuto. El valor operativo de la plan-
ta está basado, por una parte, en su capacidad
de almacenamiento y, por otra, en la calidad del
mezclado que efectúa. La capacidad de cada silo
dependerá del mercado potencial local y de las
leyes regulatorias de la Secretaría de Comunica-
ciones y Transportes que impactan su moviliza-
ción de un centro petrolero a otro.
Tiene un cuerpo cilíndrico con una base cónica termi-
nada en un casquete bridado y en la junta lleva lonas
de distribución de aire, que recibe de la parte final del
casquete, el extremo opuesto está formado por una
tapa toriesférica para soportar presiones.

13
La representación comercial de este producto es en
forma de polvo o solución acuosa al 40%.
Para una dispersión de lechada de agua dulce, nor-
malmente se requiere de 0.5 al 1.5% por peso de
cemento activo.
Para lechadas que contienen NaCl se requieren con-
centraciones tan altas como el 4% por peso de ce-
mento.
La habilidad de dispersión del PNS es muy variable,
lo cual depende del cemento.
Generalmente, el PNS es el dispersante más utiliza-
do en la cementación de pozos. Aunque los
lignosulfonatos frecuentemente son los más emplea-
dos como dispersantes en las formulaciones de
lodos de perforación, pero también son efectivos en
las lechadas de cemento.
El PNS y los lignosulfonatos actúan simultáneamen-
te como retardadores, por lo cual no pueden usarse
a bajas temperaturas. Otros derivados de la lignina,
tal como las ligninas del ácido carboxílico, son más
efectivos como dispersantes del cemento que las
ligninas del ácido sulfónico, aunque éstas también
retardan el fraguado.
Los derivados de la lignina se obtienen de subpro-
ductos de la industria del papel, son baratos y tien-
den a ser químicamente indefinidos.
Otros dispersantes efectivos del cemento son los
sulfonatos de poliestireno, pero debido a su alto cos-
to, se emplean poco.
Los poliacrilatos y los copolímeros, tales como el
sulfonato de estireno o anhídrido maléico, también tie-
nen buenas propiedades fluidizantes. Se usan conjun-
tamente con compuestos inorgánicos tales como los
álcalis metálicos o sales de amonio, carbonatos,
bicarbonatos, oxalatos, silicatos, aluminatos y boratos.
Los polisacáridos hidroxilatados de bajo peso
molecular tienen propiedades dispersantes cuando
están formados por hidrólisis del almidón, celulosa
o hemicelulosa. Otros polímeros no iónicos como
los derivados de la celulosa, polímeros de óxido de
etileno, alcohol polivínilico y polialcohol, también tie-
nen propiedades dispersantes pero ellos retardan el
fraguado.
Algunos productos químicos como los ácidos
hidroxilcarboxílicos, también tienen propiedades
dispersantes pero son fuertes retardadores del fra-
guado. Un ejemplo de éstos es el ácido cítrico el cual
se usa a menudo en sistemas de cemento salado.
Reología de las lechadas dispersas
La lechada con suficiente dispersante tiene como
valor de cedencia cero y se comporta como un flui-
do newtoniano; de aquí se puede inferir que el valor
de la cedencia varía de acuerdo con la concentra-
ción del dispersante.
Con PNS el valor de cedencia empieza a incremen-
tarse con la concentración de dispersante y decrece
escalonadamente a cero.
Cuando existen concentraciones bajas de dispersante
hay un exceso de sitios cargados positivamente.
El máximo valor de cedencia refleja el punto de máxi-
ma interacción de las partículas cuando existe un
balance exacto entre los sitios cargados positiva y
negativamente.
En concentraciones de dispersante más altas, las
superficies de los granos son completamente cubier-
tas por cargas negativas; consecuentemente, el va-
lor de cedencia es cero debido a la repulsión
electrostática.
El efecto de los dispersantes sobre la viscosidad
de las lechadas de cemento es diferente del ob-
servado con el valor de cedencia; aunque la
interacción electrostática entre las partículas del
cemento se incrementa inicialmente con la con-
centración de dispersante, el tamaño de las partí-
culas agregadas empieza a decrecer inmediata-
mente. En consecuencia, el volumen de agua
inmovilizada decrece y la viscosidad de la lechada
también decrece continuamente con la concen-
tración de dispersante (figura 5).
Asentamiento de las partículas y agua libre
Como efectos laterales de la adición de dispersantes,
la lechada puede mostrar sedimentación, tener un
gradiente de densidad uniforme de la cima al fondo
de un contenedor, mostrar agua libre, o bien, tener
una capa de fluido sin carga de partículas sólidas
sobre la parte superior de la lechada. Es posible que
120
Sistema de aireación dual o combinado
En algunos casos se combinan los sistemas de ai-
reación por lonas y por toberas, para obtener un
rápido aumento de presión y una consiguiente des-
carga en menor tiempo. En muchos casos los sis-
temas de aireación por lonas han sido convertidos
en sistemas duales a los que se les hacen adapta-
ciones con tubería roscada, que evitan los proble-
mas que podrían derivarse de cortar o soldar el silo.
Almacenaje y dosificación de cemento
Como se mencionó anteriormente, el manejo del
cemento a granel es una práctica muy extendida en
el mundo entero debido a que facilita el mezclado,
transporte y dosificación de grandes cantidades de
este material.
Normalmente este cemento se almacena en silos ver-
ticales u horizontales herméticos y pueden estar bajo
cubierta o en intemperie a prueba de humedad.
Existen varios sistemas para la dosificación y mez-
clado del cemento a granel, entre otros: el sistema
de aireación y presurización, el sistema de vacío y
el sistema de dosificación de aditivos líquidos.
Sistema de aireación-presurización
El sistema de aireación-presurización sigue el prin-
cipio descrito para el transporte de cemento a gra-
nel (en el apartado muestra la distribución típica de
una planta de cemento con sistema de aireación-
presurización automatizada).
Las bondades de este sistema se manifiestan en el
manejo de grandes volúmenes de cemento, su
transporte al punto de utilización y su facilidad de
descarga.
En la planta de cemento, el manejo de materiales
a granel tiene, entre muchas otras, las siguientes
ventajas:
El cemento y/o aditivos están resguardados de las
condiciones climáticas mientras es almacenado,
transportado y descargado.
Los aditivos son uniformemente homogeneizados
al mezclarse bajo un procedimiento largamente pro-
bado.
La mezcla se efectúa en forma más rápida y uni-
forme.
La preparación de grandes volúmenes de cemento
para una operación es más práctica.
Aunque existe gran variedad de diseños para plan-
tas de cemento, adecuados a las necesidades es-
pecíficas de cada zona, una planta estacionaria
para el manejo neumático de materiales a granel
consta, básicamente, de una serie de tanques para
almacenamiento, pesado y mezclado de cemen-
to.
• Silos de almacenamiento. Tanques verticales con
sección transversal cónica en la parte inferior, lo
que les permite operar para su descarga, hacia
la báscula de cemento, con el principio de ali-
mentación gravitacional.
• Báscula de cemento. Báscula presurizada, de sec-
ción transversal cónica, dentro de la cual los ma-
teriales son cargados neumáticamente. El mez-
clado de cemento y aditivos y la aireación inicial
ocurren dentro de este tanque.
• Silo de mezclado. En este tanque se hace
homogenea la mezcla del cemento y aditivos,
permitiendo, además, transferir neumática-
mente, al menos dos veces, los materiales de
un tanque a otro, antes de pasarlos al tanque
de almacenamiento para su posterior cargado
al silo móvil.
• Silo para suministro de aditivos. Como su nombre
lo indica, a través de este tanque son incorporados
al cemento los aditivos que se van a utilizar.
• Sistema de vacío. De forma muy similar funcio-
na el sistema de dosificación por vacío. Esta in-
geniosa modificación del sistema anterior utiliza
un compresor que hace la función de bomba de
vacío sobre el silo báscula, para que éste sea lle-
nado con el cemento o los aditivos almacena-
dos en otros silos. Una vez que se ha llenado el
silo báscula a la capacidad deseada, se invierte
la operación del compresor a través de un arre-
glo de válvulas electroneumáticas que lo devuel-
ven a su condición de compresor para
represionar y transportar el producto desde la
báscula hasta el punto de uso o almacenaje.

14
en la parte superior se tenga agua libre y exista una
lechada homogénea en el fondo; también es posi-
ble que ocurra la sedimentación sin desprendimien-
to de agua libre.
Agua libre
Cuando las partículas del cemento están en suspen-
sión no se encuentran completamente dispersas, e
interactúan a través de fuerzas electrostáticas que
forman una estructura floculada que soporta el peso
de una partícula dada. Si el espacio anular en el pozo
es suficientemente estrecho, el peso de las partícu-
las se transmite a las paredes y la lechada se sopor-
ta a sí misma.
Es raro que lo descrito ocurra, consecuentemente el
peso de las partículas del cemento se transmite al
fondo a través del gel y ocurre la deformación de la
estructura. El agua es forzada a salir de la porción
más baja de la lechada y se acomoda en las capas
superiores que sufren el menor esfuerzo.
La habilidad de las capas superiores para acomodar
el agua adicional es limitada; así, una capa de agua
puede formarse en la cima de la lechada, como se
muestra en la figura 6.
Sedimentación
Los dispersantes suprimen las interacciones entre
las partículas del cemento por la neutralización de
los sitios cargados positivamente. Cuando el proce-
so se termina, las partículas se repelen entre sí a tra-
vés de interacciones de doble capa. El rango de ac-
ción de estas fuerzas es muy corto debido a la alta
ionización del medio, de tal forma que las fuerzas
repulsivas permiten el empacamiento uniforme de
las partículas. En una lechada completamente dis-
persada, las partículas se encuentran libres para
moverse y libres para caer en el campo gravitacional
y así colectarse en el fondo del contenedor. En la
realidad esta situación ideal nunca ocurre; en su lu-
gar se establece un gradiente de densidad.
El fenómeno descrito se explica a través de tres pro-
puestas, las cuales comprenden el concepto de
polidispersión de las partículas y que, sin importar
su tamaño, se comporten de manera diferente.
Las tres propuestas son:
1. Las partículas más pequeñas aún no se han
asentado.
2. Las partículas más pequeñas estan prevenidas del
asentamiento por movimiento browniano.
3. El gel floculado no sea lo suficientemente fuerte
para soportar las partículas más grandes.
Prevención del agua libre y la sedimentación de la
lechada
Cuando el pozo está altamente desviado y horizon-
tal no acepta columnas de cemento heterogéneas,
pues se requiere suficiente fuerza mecánica del ce-
mento fraguado y un aislamiento más apropiado de
las zonas.
Un estudio minucioso con una gráfica del agua libre
y valores de cedencia contra la concentración del
dispersante revela que, con un rango entre 0.2 y 0.3%
por peso de cemento, la lechada es lo suficiente-
mente fluida y estable.
Figura 5 Sistemas floculado y disperso.
Figura 6 Agua libre, sedimentación y segregación.
Sistema Floculado Sistema DispersoSistema floculado Sistema disperso
119
El operador puede programar directamente en el
Unipro II la densidad y el gasto de mezcla requerido
para la lechada en el recirculador y durante el desa-
rrollo de la preparación puede ajustar el gasto de
mezcla sin que esto afecte a la densidad.
Cuando son necesarias dos o más lechadas, pue-
den llamarse los parámetros previamente cargados
en el Unipro II y el ADC inicia automáticamente la
nueva mezcla.
Mezclador de alta energía de mezclado
Es un mezclador más avanzado, exacto y controla-
do por computadoras. Esta unidad proporciona
lechadas de la densidad requerida, a cualquier gas-
to de bombeo deseado, para operaciones de cali-
dad controlada en cementaciones de pozos.
El mezclador provee una alta energía de mezclado
manteniendo la densidad de la lechada dentro de
un rango de +/- 0.01 gr./cm3
.
El mezclador mantiene un control excelente de la
densidad sin importar cambios en los gastos de
bombeo: más aún realiza ajustes muy rápidos cuan-
do se cambia de un tipo de lechada a otro.
Un panel de control remoto permite al operador
controlar la unidad con solamente apretar botones
de comandos, la pantalla muestra continuamente la
densidad de la lechada, el peso del silo vertical, la
entrada de cemento (válvula), y la posición de la
válvula de la lechada.
Unidades transportadoras de cemento a granel
Transferencia del cemento.
El uso del cemento a granel fue introducido por
Halliburton en la década de los 40's en Sallem,
Illinois. Actualmente en la mayor parte del mundo
el cemento para pozos petroleros es manejado a
granel.
El manejo del material cementante a granel ha be-
neficiado la economía y la tecnología de la
cementación. Las lechadas complejas o elaboradas
pueden efectuarse primero en seco por medio de
tanques presurizados para luego ser transportadas
y preparadas en la localización. Típicamente estos
sistemas están diseñados para operar a 40 psi como
máximo y ello es suficiente, siempre y cuando se
proporcione un flujo grande y constante de aire para
transportar suspendido el cemento.
Existen varios tamaños y configuraciones de tan-
ques presurizados. Normalmente varían en un ran-
go de 8 pies de diámetro con alturas de hasta 50
pies y pueden ser verticales conificados en su parte
inferior u horizontales.
El principio de funcionamiento es simple, una línea
de aire fluidiza y presuriza el interior del tanque y en
cuanto esta presión es liberada, arrastra consigo el
material en forma continua. El aire que se filtra en-
tre el material aumenta el volumen de éste en aproxi-
madamente un 20%, lo cual beneficia grandemente
para el transporte posterior del mismo.
La mayoría de los silos presurizados poseen alguno
de los siguientes sistemas de aireación.
Sistema de aireación por medio de lonas
En este sistema de aireación, el aire a presión es
introducido por la parte inferior del silo, concreta-
mente en la zona del cono trunco en los silos verti-
cales. El aire entra por medio de mangueras de ai-
reación, directamente al fondo de un bastidor, en el
que se crea una cámara de presión que hace vibrar
las lonas y forzar al aire a filtrarse hacia arriba.
La función de la cámara de presión y las lonas es la
de uniformar la corriente inyectada y hacer que el
aire sea mejor distribuido, de otro modo, parte del
material no sería movido, y se correría el riesgo de
formar puentes.
Sistema de aireación por medio de toberas (jets)
A diferencia del sistema anterior, la inyección del
aire al interior del silo involucra ahora boquillas (to-
bera) de inyección. Su finalidad es dispersar cho-
rros continuos de aire directamente en el interior
del silo hasta que aumente la presión al valor re-
querido. En forma general, un múltiplo de aire de 4
pg se introduce por la parte superior del silo y de él
se ramifican conexiones de 1 pg, en las que van ins-
taladas boquillas de inyección, la disposición de
éstas semejan raíces distribuidas en dos niveles y
en ángulos de 45° y 90°, respectivamente, medidos
sobre un plano horizontal.

15
En el campo, el control de la concentración del aditi-
vo en un rango tan estrecho es difícil. Así, los agen-
tes antiprecipitación son a menudo adicionados para
ampliar el rango de concentración dentro del cual
bajan los valores de cedencia y puede originarse
agua libre.
Los agentes antiprecipitación son materiales que res-
tauran parte del valor de cedencia, a un nivel compa-
tible con las condiciones de bombeo y la presión de
fricción, donde la formación del pozo puede soportar.
La bentonita se puede emplear para reducir el asen-
tamiento de la lechada. Ésta absorbe grandes canti-
dades de agua, y así la lechada se mantiene homo-
génea.
Varios polímeros solubles en agua reducen la sedi-
mentación mediante el incremento de la viscosidad
del agua intersticial. Los materiales usados más co-
múnmente son derivados celulósicos, tal como el
hidroxietil celulosa.
El agua de mar y los silicatos pueden mejorar la es-
tabilidad de la lechada; además algunas sales metá-
licas tales como NaCl2
y MgCl2
construyen débiles,
pero extensas estructuras de hidroxilos a través del
volumen de la lechada.
La eficiencia de los aditivos antiprecipitación se pue-
de evaluar midiendo el gradiente de densidad en una
columna de cemento fraguado.
Para hacerlo, se coloca con la lechada en una pro-
beta y se deja fraguar. De la cima, parte media y del
fondo de la columna se extraen obleas de cemento
fraguado.
La diferencia en peso entre las obleas da un índice
del grado de sedimentación de la lechada.
Reductores del filtrado
El control de filtrado es un factor de vital importan-
cia en la cementación de tuberías de revestimiento
y en las cementaciones forzadas para colocar el ce-
mento en el lugar deseado, sin que sufra deshidra-
tación fuerte al pasar por zonas permeables o bien
al estar forzando la lechada.
Generalmente, los reductores de filtrado son pro-
ductos derivados de celulosa y se dosifican del 0.3%
al 1.5%, por peso de cemento. El valor de filtrado
estipulado por el API varía de acuerdo con el tipo de
operación y es como sigue:
• Cementación de T.R. = no mayor de 200 cm3
• Tubería corta = no mayor de 50 cm3
• Cementación forzada = de 30 a 50 cm3
El valor del filtrado API se mide en cm3
a 30 minutos
bajo una presión diferencial de 1000 psi.
Cuando una lechada de cemento se coloca a través
de una formación permeable bajo presión ocurre el
proceso de filtración. La fase acuosa de la lechada
escapa al interior de la formación y deja las partícu-
las sólidas detrás. Este proceso se conoce común-
mente como filtrado.
Si el filtrado no se controla puede afectar seriamen-
te el trabajo que se esté realizando. A medida que la
fase acuosa decrece, la densidad de la lechada se
incrementa. Como resultado, el comportamiento de
la lechada diverge del diseño original (reología, tiem-
po de espesamiento). Si es mucho el fluido filtrado a
la formación, la lechada no se puede bombear.
El API marca un filtrado para las lechadas de ce-
mento solo, del orden de 1500 cm3
/30 min. En la
mayoría de las operaciones se requiere mantener
un valor de filtrado menor de 50 cm3
/30 min para
un trabajo adecuado de la lechada, por ello se
emplean materiales conocidos como agentes de
control de filtrado, los cuales están incluidos en
el diseño de la lechada.
Actualmente, los mecanismos exactos mediante los
cuales operan los agentes de control de filtrado no
son completamente conocidos aunque se supone que
existen varios procesos. Una vez iniciado el filtrado a
través de la formación, un enjarre de los sólidos del
cemento es depositado sobre la cara de la formación.
Los agentes de filtrado disminuyen la velocidad de fil-
tración reduciendo la permeabilidad del enjarre y/o
incrementando la viscosidad de la fase acuosa.
Existen dos clases principales de aditivos para el con-
trol de filtrado:
Materiales sólidos con partículas finamente divididos.
Polímeros solubles en agua.
118
El equipo de premezclado consiste en tinas de
homogeneización de hasta 100 bl de capacidad.
La preparación se lleva a cabo midiendo en su in-
terior el agua requerida para la mezcla y vertien-
do gradualmente el cemento sobre ésta por me-
dio de una descarga neumática; la mezcla se
homogeneiza por agitación y circulación, lo que
da como resultado una lechada de cemento ho-
mogénea y de densidad exacta. Se descarga a la
unidad de bombeo para ser enviada directamen-
te al pozo, y así se reducen los probables paros y
variaciones en el gasto.
Unidad con sistema de mezclado por recirculación
( RCM ).
El mezclador de cemento por recirculación (RCM),
ofrece una gran combinación de capacidades:
a) Pueden mezclarse lechadas de cemento de has-
ta 2.64 gr/cm3
.
b) Para trabajos críticos como cementación de tu-
berías cortas, tapones o cementaciones forzadas,
se logra un control exacto en la densidad.
c) Es muy útil para mezclado de lechadas con volú-
menes bajos del orden de 8 bl o menos.
d) Puede reducirse el gasto de mezcla hasta 0.5 bl/
min durante la operación.
e) Mejora las propiedades de la lechada debido a
una mayor energía de mezclado.
f) Trabaja en circuito cerrado evitando la genera-
ción de polvo.
La principal característica de RCM es el sistema de
recirculación a través de una bomba centrífuga y un
depósito con capacidad de 8 a 25 bl, divididos en dos
secciones y equipados con agitadores de turbinas.
El agua y el cemento seco son vertidos al primer
compartimento del deposito con gastos controla-
dos mientras se agitan y circulan. La densidad se
registra por medio de un densómetro y las variacio-
nes en peso se corrigen por ajuste manual de la can-
tidad de agua y/o cemento. Una vez que se ha llena-
do el primer compartimento, la lechada rebosa una
mampara antes de iniciar a llenar el segundo com-
partimento. Esto ayuda a liberar el aire atrapado en
la lechada, de modo que la lectura de la densidad
no se vea afectada, figura 88.
Unidad con sistema de control auto-automático de
densidad ( Adc )
Las características y beneficios del control automá-
tico de densidad (ADC)Unipro II son:
Mejora el control de la densidad.
Capacidad de mezclado en múltiples etapas.
Cambios instantáneos en el gasto sin afectar la den-
sidad de la lechada.
Cambios instantáneos en la densidad de lechada sin
afectar el gasto.
Operación simple.
El corazón del sistema de control automático de la
densidad (ADC) es el densómetro radioactivo mon-
tado en la línea de recirculación del sistema RCM.
Con el monitoreo continuo de la densidad de la
lechada en el recirculador, el sistema ADC respon-
de abriendo o cerrando las válvulas de estrangula-
ción de agua o cemento. El gasto del agua de mez-
cla es contabilizado por medio de un medidor de
turbina acoplado a la misma línea de recirculación.
Los datos adquiridos por estos medidores son mos-
trados y gobernados a través del Unipro II en la con-
sola del operador.
Estos controles se basan en señales electrónicas en
lugar de hidráulicas, lo que da una velocidad de res-
puesta ultra rápida que mantiene las variaciones en
peso de la lechada en el orden de 0.1 gr/cm3
.
Figura 88.
ENTRADA DE
CEMENTO
DENSOMETRO
TINA CON
CAPACIDAD
DE 8 BL
BOMBA DE AGUABOMBA DE RECIRCULACION
MEIDOR DE
FLUJO AGUA

16
La naturaleza química y física de cada tipo de mate-
rial y sus mecanismos hipotéticos se explican a con-
tinuación.
Materiales pulverizados
El primer agente de control de filtrado empleado
para lechadas de cemento fue la bentonita, en 1949.
Debido al tamaño pequeño de sus plaquetas, la
bentonita puede entrar al enjarre y alojarse entre
las partículas de cemento, como resultado la per-
meabilidad del enjarre decrece. Además, para de-
terminar el filtrado se usan sistemas particulares
tales como el polvo de carbonato, asfaltos, resinas
termoplásticas, etc.
El látex es un excelente agente de control de filtra-
do. Forma redes entre sus moléculas por ser
polímeros emulsionados. Usualmente se suministra
como una suspensión lechosa, de partículas esféri-
cas pequeñas del polímero (generalmente entre 200
y 500 um de diámetro). La mayoría de las dispersio-
nes de látex contienen aproximadamente 50% de
sólidos. Como la bentonita, contiene partículas tan
pequeñas que pueden taponar físicamente los po-
ros en el enjarre del cemento.
Las redes más comunes para cementos petroleros
son las de cloruro de vinilo, acetato de polivinilo y
más recientemente el butadieno del estireno. Los
primeros dos materiales están limitados a tempera-
turas menores de 122 °F (50 °C). El látex de butadieno
del estireno ha sido aplicado a temperaturas hasta
de 350 °F (176 °C).
Polímeros solubles en agua
A principios de 1940, los polímeros solubles en agua
se emplearon como agentes de filtración en la per-
foración.
Actualmente, estos materiales se usan extensiva-
mente como agentes de control de filtrado en
lechadas de cemento para pozos. Generalmente,
operan simultáneamente incrementando la viscosi-
dad de la fase acuosa y disminuyendo la permeabi-
lidad del enjarre.
La viscosidad de una solución de polímeros depende
de su concentración y peso molecular. Por ejemplo,
una solución al 2% de hidroxietil celulosa de bajo peso
molecular puede tener una viscosidad de 500 cp, pero
la viscosidad de una solución igualmente concentra-
da de HCE de alto peso molecular puede ser tan alta
como 50,000 cp. La alta viscosidad debiera elevar la
velocidad de filtración; sin embargo, esta estrategia
por sí sola no puede ser confiable para proporcionar
un control de filtrado, debido a que el mezclado de la
lechada sería imposible.
La reducción de la permeabilidad del enjarre es el
parámetro más importante observado en el control
del filtrado. Cuando una lechada con suficiente agen-
te de control proporciona una velocidad de filtrado
API de 25 cm3
/30 min, el enjarre resultante es aproxi-
madamente 1000 veces menos permeable que el ob-
tenido con una lechada de cemento solo; consideran-
do que el incremento de viscosidad del agua intersticial
es cinco veces mayor, como se muestra en la tabla 1:
El tamaño de los poros en el enjarre del cemento
puede evaluarse empleando un porosímetro de mer-
curio. La distribución de tamaño típico muestra el
diámetro medio que es de 1 mm.
El radio de giro típico de una molécula de polímero
es menor de 1000 A° (0.1mm); de tal manera que
los conjuntos de moléculas deberán ser suficiente-
mente grandes como para obstruir u obturar un poro
en el enjarre.
Los polímeros solubles en agua pueden formar agre-
gados coloidales adheridos débilmente en la solución,
los cuales son suficientemente estables para el
acuñamiento y la constricción del enjarre. Tales
polímeros pueden también adsorberse sobre la su-
perficie de los granos del cemento y, de esta manera,
reducir el tamaño de los poros. Probablemente, una
superposicióndeestosdosfenómenos,adsorciónmás
ADITIVO PERM.
Enj.(md)
VISC.
FILT.
REL.
EFIC.
FILT.
(cm3
/30 min)
S/A 5100 1 1 1600
A – 0.35% 924 2.24 0.280 450
A – 0.60% 140 4.48 0.077 173
A – 0.80% 6.1 3.70 0.018 45
A – 1.00% 4.9 3.32 0.017 20
B – 0.30% 770 3.10 0.217 300
B – 0.80% 5.1 4.80 0.014 26
B – 1.30% 1.3 2.30 0.011 12
C – 0.08 GPS 1825 1.01 0.596 240
C – 0.20 GPS 21 1.05 0.058 43
C – 0.40 GPS 15 2.05 0.038 14
Tabla 1
117
La práctica del mezclado continuo ha traído como
consecuencia la posibilidad de que no ocurran va-
riaciones de densidad en las lechadas de cemen-
to durante las operaciones críticas, tales como las
de las tuberías de revestimiento de explotación.
De hecho, en algunos casos para este tipo de ope-
raciones se ha retornado a la tecnología del
premezclado.
La práctica del premezclado es la clave para una
cementación exitosa, los componentes líquidos y
sólidos de la lechada, deben ser combinados en el
pozo para obtener las propiedades establecidas en
el laboratorio. Las dos metodologías más destaca-
das para el proceso de mezclado son pre-mezclado
y mezclado continuo.
Pre-mezclado
En este proceso se mezcla el total de los ingredien-
tes (cemento, agua y aditivos) en un tanque que
cuenta con mecanismos de agitación continua, los
cuales imparten energía de mezclado adicional y
homogeneización de la lechada antes de bombear-
la al pozo.
Mezclado continuo
En este proceso se mezclan los aditivos de la lechada
conforme se están bombeando al pozo. Los méto-
dos tradicionales de mezclado continuo son mez-
clados con jets, slurry chief y tornado.
Mezclador con Jets
Consiste básicamente de un recipiente cónico, una
tina de mezclado, línea de descarga y líneas de ali-
mentación de agua. En esta teoría de mezclado, el
cemento y los aditivos secos alimentados por gra-
vedad son succionados desde un recipiente cónico
hasta un recipiente de mezclado, por el efecto de
vacío creado por el agua, que es bombeado a tra-
vés de jets (efecto Venturi). Esta lechada pasa por un
cuello de ganso que descarga en una tina de mezcla,
para ser succionada por una bomba centrífuga y en-
viada a las bombas de desplazamiento positivo y és-
tas, a su vez, bombean la lechada dentro del pozo.
Slurry chief
Este sistema es una versión modificada del ante-
rior, pero con una cuchilla operada hidráulicamente
para controlar la entrada de cemento en el recipien-
te de mezclado que permite un control más exacto
del suministro de cemento, y una bomba centrífuga
que recircula la lechada por los jets a través de una
línea adicional. Esto ayuda al ajuste de la densidad
y a su vez imparte más energía de mezclado a la
lechada.
Mezclador de tornado
Este sistema utiliza una baja energía con el efecto
de agitación con flujo tangencial para mezclar sóli-
dos y líquidos. El proceso se realiza cuando el agua
se alimenta circunferencialmente en un tubo verti-
cal creando un flujo helicoidal hacia el recipiente de
mezclado. El cemento y los aditivos secos son ali-
mentados a través de pequeños tubos concéntricos
desde un silo introduciéndose en las paredes de la
tubería interior mezclándose con el agua. Más aba-
jo, otra tubería concéntrica alimenta la lechada reci-
clada en el recipiente de mezclado. Toda la lechada
pasa a través de una bomba centrífuga para pro-
porcionar mejor mezclado y mayor energía de mez-
cla durante la recirculación y a su vez alimenta la
succión de las bombas tríplex.
Actualmente las unidades de bombeo pueden es-
tar montadas en plataformas, patín o barcos; pue-
den estar actuadas por motores eléctricos o de
combustión interna y tener controles manuales o
automáticos.
Comúnmente las unidades cementadoras de hoy
están equipadas con dos bombas de desplazamiento
positivo capaces de bombear en conjunto de 0.25 a
17 bpm., en función del diámetro del émbolo y de
las líneas conectadas al pozo.
A su vez, las bombas de desplazamiento positivo
pueden ser dúplex de doble efecto o tríplex de sim-
ple efecto. Cualesquiera de ellas es satisfactoria con
las limitaciones propias del diseño; sin embargo
para servicio pesado las bombas tríplex proporcio-
nan una descarga más suave y pueden manejar más
potencia y presión. También se puede contar con
bombas quintúplex cuya cavitación es menor aun
sin el amortiguador.
La incorporación de un sistema de recirculación
automática y de un control automático de densidad,
mejora la energía de mezclado y beneficia notable-
mente la preparación de la lechada.

17
agregación, es el mecanismo real de acción de los
agentes de filtración poliméricos.
Las lechadas de cemento que contienen polímeros
solubles en agua deben ser bien dispersadas para
obtener óptimo control de la filtración. Los polímeros
aromáticos sulfonados o sales son casi siempre adi-
cionados en conjunto con estos materiales.
Como se explicó, los dispersantes mejoran el acomo-
do o empacamiento de los granos del cemento (y tal
vez los agregados de polímero) en el enjarre. Por otro
lado, los dispersantes reducen la permeabilidad del
enjarre del cemento y pueden proporcionar algún gra-
do de control de la filtración en sí mismos.
Derivados de la celulosa
El primer polímero usado como aditivo de control
de filtrado fue una proteína (polipeptina) extraída de
frijol de soya. Recientemente, la etilendiamina
carboximetil celulosa y otros derivados de la celu-
losa fueron introducidos. A finales de los años 50 la
carboximetil hidroxietil celulosa (CMHEC) fue intro-
ducida como un aditivo de la filtración para las
lechadas de cemento y aún es ampliamente usado.
Recientemente, la ejecución de la CMHEC se ha me-
jorado. Se han ajustado el grado de sustitución (DS)
de 0.1 a 0.7 (carboximetil) y la proporción mol (MS) de
óxido de etileno a anhidro glucosa aproximadamente
de 0.7 a 2.5. El agente más común para el control de
filtrado celulósico es la hidroxietil celulosa (HEC), con
un grado de sustitución entre 0.25 y 2.5.
Todos los aditivos celulósicos de filtrado tienen cier-
tas desventajas, pues como suelen ser efectivos
viscosificantes del agua, pueden incrementar la difi-
cultad del mezclado de la lechada y causar viscosi-
dad indeseable en la lechada del cemento.
A temperaturas menores de 150 °F (65 °C), los aditi-
vos de filtrados celulósicos son retardadores eficien-
tes; se debe tener cuidado para evitar el sobre re-
tardamiento de la lechada. También la eficiencia de
los polímeros celulósicos decrece a medida que se
incrementa la temperatura. Los agentes de control
de filtrado celulósico no se usan a temperaturas de
circulación arriba de 200 °F (93 °C).
Polímeros sintéticos no iónicos
El polivinil pirolidón (PVP) puede emplearse con
formaldehído de naftalen sulfonato condensado como
dispersante. También se usa para mejorar el control
de filtrado cuando se le adiciona CMHEC o HEC.
Las mezclas complejas que contienen polivinil
pirolidón, anhídrido maléico - N - vinil pirolidón
copolímero y poli (aril vinil benzil) cloruro de amonio
que es un policatión, son efectivos aditivos de con-
trol de filtrado. Además, el N - vinil pirolidón puede
ser copolimerizado con estiren sulfonato para for-
mar un producto con propiedades satisfactorias de
control de filtrado.
El alcohol polivinílico (PVAL) se usa frecuentemente
como aditivo de control de filtrado.
Este material es efectivo para aplicaciones a bajas
temperaturas, aproximadamente de 100°F (38°C) y
menores, debido a que no tiene efecto retardante a
temperaturas mayores y es compatible con los
aceleradores tales como el cloruro de calcio.
Polímeros sintéticos aniónicos
Los grupos más importantes de aditivos de filtra-
ción de polímeros aniónicos están compuestos de
polímeros cortos, derivados de la acril amina (AAm).
La poli acrilamina es no iónica y no se usa sola en
lechadas de cemento.
Los copolímeros de acrilamina muy a menudo des-
critos en literatura de patente, contienen un
monómero sulfonado: 2-acrilamida-2-ácido metil
propano sulfónico (AMPS).
Para producir agentes de control de filtrado la AMPS
ha sido copolimerizada con los materiales siguientes:
· Acrilamida
· N,N-dimetilacrilamida (NNDMA)
Los terpolímeros de la AMPS se usan como se
describe:
· AMPS + AAm + ácido itacónico (IA)
· AMPS + AA + N-metil-N-vinil acetamida (NMVA)
· AAm + vinil sulfonato + NMVA
· AA(AAm) + NMVA + AMPS
La AMPS también puede ser parte de un copolímero
o un terpolímero solos o injertados a la columna ver-
tebral de una lignina, asociado con acrilo nitrilo,
116
Potencia hidráulica
Dependiendo del fabricante y el modelo, la máxima
potencia varía entre 200 y 500 hhp.
Controles e instrumentos
Antes de empezar un trabajo algunos mecanismos de
control sobre el equipo de cementación son seleccio-
nados o fijados en posición de acuerdo con la com-
posición y densidad de la lechada, así como el gasto
de inyección deseado. Durante el trabajo, el ajuste
final es hecho con cualquier de los mezcladores de
cemento o válvula de control de inyección de agua,
dependiendo del tipo de equipo. El ajuste de la velo-
cidad de la bomba de inyección al pozo puede tam-
bién ser necesario para mantener un nivel constante
en el tanque o tanques de lechada, o mantener la pre-
sión de bombeo dentro de limites fijados (por ejem-
plo en los trabajos de cementación a presión).
Los trabajos de cementación requieren la medición
de varios parámetros, entre éstos:
• Agua de mezcla. Los volúmenes de agua son medi-
dos en los tanques de desplazamiento, o por
medidores de flujo de pulsaciónelectromagnética.
• Cemento o mezclas de cemento en seco y
lechada. El volumen de lechada mezclada y ce-
mento seco son determinados mediante la com-
binación de agua de mezcla y la densidad de la
lechada. Se monitorea continuamente la densidad
de lechada que se prepara para lograr el valor de-
seado, por medición física o por dispositivos elec-
trónicos de medición y graficación continua.
• Gasto. El gasto de lechada es medido en el conta-
dor de velocidad del cigüeñal de la bomba de in-
yectar al pozo o por medio de un medidor de flu-
jo usado para un registro continuo de los
parámetros del trabajo que se está haciendo.
• Presión. La presión de bombeo es leída en un
manómetro o en un registrador gráfico, un
transductor de presión electrónico es usado si se re-
gistranvariosparámetrosmedianteunaunidadcentral.
• Densidad de la lechada. La densidad de la lechada
tradicionalmente es medida manualmente me-
diante una balanza presurizada. Sistemas más
sofisticados vienen convirtiéndose en más econó-
micos (por ejemplo, una balanza de medición de
peso continuo en tubo en U y densómetros radio-
activos conectados a una unidad central de registro).
• Reología de la lechada. La medición de tales
parámetros no son realmente ejecutados de ma-
nera rutinaria en el pozo. Esto se sujeta al diseño
de laboratorio, tomando en consideración única-
mente los porcentajes de los aditivos
• Resistencia compresiva. Esta medición está suje-
ta exclusivamente a condiciones de laboratorio,
las muestras de la lechada son tomadas normal-
mente para ejecutarse en un laboratorio central
como pruebas posteriores al trabajo.
Actualmente en muy pocas partes del mundo se
trabaja con mediciones físicas de la densidad y
con sólo el manómetro que nos indique la presión
de bombeo al pozo. Las unidades cementadoras
cuentan con dos computadoras a bordo, en una de
ellas se programan los valores de los parámetros a
los cuales se sujetará la operación de cementación
y gobernará dichos parámetros, de tal forma que
no permitirá el envío de lechada del recirculador al
pozo mientras no se ajuste a la densidad programa-
da, por otro lado, no permitirá mayor presión de la
máxima programada en la superficie, contándose
en la segunda computadora con graficadores de
todos los parámetros y un registro en memoria que
conservará toda la información relativa a la opera-
ción, que puede ser reproducida cuantas veces sea
necesario, con la finalidad de esclarecer posibles
problemas operativos.
Figura 87 Densómetro por gravedad.

18
FLA
%
PPC
PNS
% ppc
ILMENITA
lb/saco
PESO
LECHADA
lb/gal
TEMP
(°F)
FILT.
Cm3
0.1 0.5 - 16.2 290 20
0.1 0.5 - 16.2 315 30
0.13 0.5 - 16.2 337 18
0.15 1.0 - 16.8 299 8
0.15 1.5 - 19.0 380 34
0.15 1.5 - 20.0 370 40
0.18 1.0 5 17.4 342 30
0.18 1.0 30 18.2 370 90
0.18 1.0 25 18.0 400 78
0.2 1.2 95 19.2 436 16
0.25 1.5 70 19.0 380 10
0.25 1.5 70 19.0 380 11
NNDMA o AA. Estos polímeros complejos trabajan
eficientemente como agentes de control de filtrado
en lechadas saladas.
Los polivinil aromáticos sulfonados, tal como el
poliestireno sulfonado (SPS) y el polivinil tolueno
sulfonado (SPVT), han sido identificados como bue-
nosagentesdecontroldefiltrado.UnamezcladeSPVT,
PNS y un copolímero sulfonado de estireno y anhídrido
maléico es efectivo en sistemas de cemento salado.
Polímeros Catiónicos
La polietilenamina es un ejemplo de un polialquil
poliamina, mismo que ha sido ampliamente usado
como aditivo de filtración.
El rango del peso molecular dentro del cual la
polietilenamina es efectiva: de 10,000 a un millón.
Su estructura es probable que esté ampliamente
ramificada; de tal forma que los tres tipos de grupo
aminas (primarias, secundarias y terciarias) deberán
estar presentes en la cadena.
El dispersante PNS debe estar presente con la
polietilenamina para obtener un control de filtrado
significativo. Entre los dos polímeros se forma una
asociación insoluble para crear partículas, las cua-
les proporcionan el control de filtrado.
La ventaja principal de la polietilenamina como un
agente de filtrado es su efectividad a altas tempera-
turas. Proporciona un excelente control de filtrado
a temperaturas de circulación tan altas como
436°F(225°C), como se muestra en la tabla 2:
Las pruebas de filtrado se han corrido a presiones
diferenciales de 500 psi (750 psi con 250 psi de
contrapresión).
Una notable desventaja de la polietilenamina es su
tendencia a promover la sedimentación de la
lechada. Aunque la sedimentación es previsible, el
diseño de la lechada puede dificultarse.
La polialilamina ha sido reportada por Roark como
un efectivo agente de control de filtrado. En lugar de
ser parte de la columna vertebral, el grupo amina es
derivado de ésta.
Este material puede ser ligeramente cruzado para
disminuir la sedimentación de la lechada. La tabla
siguiente muestra el control de filtrado ejecutado con
la polialilamina de dos pesos moleculares.
En esta tabla se muestra la comparación del filtrado
de dos pesos moleculares diferentes. Con polímeros
polialilamina, adicionados al 2% ppc con 0.66% de
lignosulfonato, las pruebas de filtrado se ejecutaron
a 150 °F (66 °C) usando cemento clase G.
Diversos radicales de amonio cuaternario o
monómeros sulfonados pueden ser copolimerizados
con varios materiales para obtener efectivos agentes
de control de filtrado.
A continuación se describen varios productos de
este tipo:
· Cloruro alquil amonio o cloruro sulfónico
· Cloruro dimetil dialil amonio
· Cloruro metacrilamida propil trimetil amonio
El alquil amonio y los cloruros sulfónicos son
copolimerizados con vinilbenzeno para obtener
poliaril-vinilbenzeno alquilamonio o cloruros
sulfónicos. El DMDAAC es copolimerizado con áci-
do acrílico (AA) o ácido metacrílico. El MATAC es
copolimerizado con sulfonato de estireno (SS) o
acrilamida (AAm), tales materiales son polímeros
amfolíticos cargados negativamente y positivamen-
te a pH tan altos como la fase acuosa de una lechada
de cemento Portland.
Tabla 2
PESO MOLECULAR FILTRADO API cm3
/30 min
10.000
150.000
121
142
115
las propiedades de la lechada se ven afectadas, no
sólo por la proporción entre cemento, agua y aditi-
vos, sino también por el esfuerzo cortante que ocu-
rre durante el mezclado.
La operación apropiada de la unidad de mezclado
debe resolver los problemas de proporción entre la
mezcla de cemento y el agua de mezcla: la propor-
ción correcta le dará a la lechada la densidad espe-
rada y otras propiedades del diseño. La verificación
continua de la densidad de la lechada es esencial;
sin embargo, algunas fluctuaciones de la densidad
durante el mezclado son inevitables. Tiempos pro-
longados de mezclado y grandes volúmenes de
lechada provocan lechadas más homogéneas.
Finalmente, la lechada debe ser hecha con la canti-
dad apropiada de esfuerzo cortante, la cual es una
función de la energía de mezclado y tiempo de mez-
clado. Dado que la bomba centrifuga es un meca-
nismo cortante ideal, es recomendable incremen-
tar el volumen de lechada que se recircula.
Los recirculadores mezcladores están disponibles
en una gran variedad de configuraciones, monta-
dos en patines fijos, camiones y trailers, con máqui-
na diesel o eléctrica, con diferentes dimensiones.
Las cementadoras tienen ciertas características co-
munes en sus sistemas de mezclado.
Un tanque de surgencia que ayuda a mantener una
alimentación uniforme de la mezcla seca del cemen-
to, con un rango de capacidad de 1.5 a 4.0 m3
. Un
recirculador con mezclador de toberas de alta energía.
Uno o dos tanques de homogeneización con rango
de capacidad de 6.3 a 50 bl. Las dimensiones de las
unidades más grandes están limitadas por su
transportabilidad.
Dos bombas centrífugas de recirculación (o sola-
mente una en las unidades más pequeñas), con un
gasto máximo de desplazamiento de hasta 25 bls/
min. (4 m3
/min.) Ambas bombas pueden efectuar
cualquiera de las dos actividades, recircular la
lechada para mejorar el esfuerzo cortante y
homogeneizarla o alimentar la lechada a la bomba
de alta presión para enviarla al pozo.
Un par de agitadores de paletas, actuadas hidráulica o
eléctricamente, para mantener la homogeneidad.
Un múltiple suficientemente versátil para usarse en
una variedad de combinaciones.
En algunos casos particulares, como trabajos chi-
cos, o cuando las proporciones de aditivos y la den-
sidad de la lechada son muy críticas, el volumen
total de lechada necesaria para terminar el trabajo
(incluyendo el exceso usual), es preparado antes de
ser bombeado al pozo. Los aditivos líquidos no son
adicionados de forma medida y controlada
computarizada, en su lugar son vertidos directa-
mente dentro del tanque, o adicionados a través del
mezclador de tobera.
Bombas de alta presión
Todas las bombas de alta presión son del tipo
reciprocante con tres tapones (tríplex) o cinco ta-
pones (quintúplex) y las válvulas de succión y des-
carga son accionados por un resorte de carga. La
transformación del movimiento rotacional de la
flecha de mando, correspondiente al movimiento
reciprocante, de los tapones (pistones), es gene-
ralmente consumado por un cigüeñal conectado
a un sistema de bastón de mando o algunas ve-
ces por una placa motriz, conectado al sistema
de bastón de mando. Estas bombas incluyen un
reductor de relación de velocidad fijada interna-
mente. Dependiendo del fabricante y del modelo
la longitud de los tapones puede variar de 5 a 10
pg (12.5 a 25 cm).
La eficiencia global de las bombas no es mayor
del 85 al 90 %. Si es presurizada adecuadamente,
la eficiencia volumétrica puede adquirir el 98 %
con agua a un 80 % de máxima velocidad. La cons-
trucción es particularmente robusta, permitiendo
a la bomba el manejo de lechadas más pesadas y
abrasivas.
Convertibilidad
En función del fabricante, el tamaño de una bomba
puede ser alterado mediante el cambio del ensam-
ble de la terminal hidráulica o los tapones y siste-
mas de empaques que usan adaptadores para la
unión de la parte hidráulica con el cuerpo de la bom-
ba. La alteración en las medidas cambia la presión
y rango de flujo sin modificar la máxima potencia
disponible. Los tapones hidráulicos usados en
cementación usualmente tienen un diámetro en-
tre 3 y 6 pg.

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