Influencia del contenido del material arcilloso calcinado del yacimiento Pontezuela en propiedades reológicas y mecánicas de lechadas de cemento Portland

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniería Civil. Trabajo de Diploma Influencia del contenido del material arcilloso calcinado del yacimiento Pontezuela en propiedades reológicas y mecánicas de lechadas de cemento Portland. Autor: Ariel Santana Fernández Tutor: Lic. Juan Alberto Ribalta Quesada. Santa Clara 2016.

(2) I. Exergo. Ser el hombre más rico del cementerio no me importa… Ir a la cama diciendo que hemos hecho algo maravilloso es lo que importa. Steve Jobs..

(3) II. Agradecimientos. Agradezco ante todo a mi familia pues sin el apoyo de todos no hubiese podido llegar aquí. A mis amigos que estuvieron conmigo en todo momento. A mi tutor Juan Ribalta Quesada por su apoyo incondicional A Robelio, pues sin él, el ensayo del cono de Marsh no hubiese salido ni la mezcladora hubiese funcionado A Yosvany por estar cuando lo necesité A Mollineda por ayudarme a calcinar la arcilla A Maria Luisa de la empresa de cemento de Siguaney que me ayudo en la molienda de los materiales y a conseguir el carro para traérmelos. Y todas la personas que confiaron en mi para que esta tesis se entragara en tiempo y yo pudiera graduarme con todos mis compañeros. Gracias a todos..

(4) Resumen. III. Resumen En este trabajo se determinó la influencia del contenido y el por ciento de sustitución de la arcilla calcinada de Pontezuela en lechadas de cemento para pozos de petróleo en las propiedades reológicas y mecánicas. Se realizaron ensayos de reología y resistencia mecánica en lechadas de cemento con 0 %, 10%, 20% y 30 % de sustitución de arcilla calcinada del yacimiento Pontezuela. Se observó que a medida que aumentaba el porciento de sustitución de cemento por arcilla calcinada hubo un aumento del punto de cedencia y de la viscosidad plástica. El ensayo de resistencia a compresión mostró un aumento en la misma a medida que aumentaban los por cientos de sustitución de arcilla calcinada en la lechada. El valor más bajo se alcanzó en 0 % de sustitución y el valor más alto de resistencia mecánica se registró con un grado de sustitución de un 20 % de arcilla calcinada de Pontezuela.. ..

(5) IV. Abstract. Abstract. In this work we determined the influence of the content and percent replacement of calcined clay of Pontezuela in cement slurries for oil wells according to the rheology and mechanical properties. Rheology tests and mechanical strength were made in cements slurries with 0%, 10%, 20% and 30% of calcined clay from Pontezuela. It was observed that with increasing the percentage of cement replacement by calcined clay increased yield point and plastic viscocity. The compressive strength test showed that it did increase depending on the percentages of substitution of calcined clay in the slurry. The lowest value was reached in the 0% of replacement and the highest value of mechanical strength was reached while using 30% of calcined clay of Pontezuela..

(6) V. Índice. Índice Resumen .................................................................................................................................................... III Abstract. .....................................................................................................................................................IV GLOSARIO ..................................................................................................................................................... 6 Introducción ................................................................................................................................................. 2 Capítulo I: Fundamentos teóricos acerca del uso de adiciones puzolánicas en lechadas de cemento Portland para cementar pozos de petróleo. .......................................................................... 6 1 Cemento Portland............................................................................................................................... 6 1.1 Generalidades. ............................................................................................................................ 6 1.2 Cementos utilizados en la cementación de pozos de petróleo. ........................................... 8 1.3 Hidratación del cemento Portland. ......................................................................................... 10 1.4 Efectos de la temperatura en la hidratación del cemento Portland. .................................. 12 1.5- Aditivos minerales para la cementación primaria. .............................................................. 14 1.5.1- Puzolanas. ............................................................................................................................. 16 2- Cementación de pozos de petróleo.............................................................................................. 21 3- Propiedades reológicas de lechadas de cemento Portland. .................................................... 23 3.1 Reología. Generalidades. ........................................................................................................ 23 3.2 Métodos para determinar las propiedades reológicas. Cono de Marsh ........................... 31 Capítulo II: Evaluación de propiedades mecánicas y reológicas de lechadas de cemento Portland con arcilla calcinada de Pontezuela como aditivo extendedor. ........................................ 38 2.1 Materiales y métodos ............................................................................................................... 38 Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados. ............................................................................ 45 3.1 Análisis de los resultados de las reologías de las lechadas de cemento. ........................ 45 3.2. Análisis de los resultados de la resistencia a compresión. ............................................... 47 Conclusiones generales ..................................................................................................................... 49 Recomendaciones. .............................................................................................................................. 50 Bibliografía. ........................................................................................................................................... 51 Anexo 1 ................................................................................................................................................. 55 Anexo 2 ................................................................................................................................................. 56 Anexo 3 ................................................................................................................................................. 57 Anexo 4 ................................................................................................................................................. 58.

(7) VI. Glosario.. GLOSARIO Notación simplificada. Composición. Nomenclatura. A. Al2O3. Óxido de aluminio. S. SiO2. Dióxido de silicio. C. CaO. Óxido de calcio. M. MgO. Óxido de magnesio. F. Fe2O3. Óxido de hierro(III). $. SO3. Trióxido de azufre. H. H2O. Agua. Abreviatura. Composición. Nomenclatura. C3S. 3CaO·SiO2. Fase alita. C2S. 2CaO·SiO2. Fase belita. C3A. 3CaO·Al2O3. Fase aluminato. C4AF. 4CaO·Al2O3·Fe2O3. Fase ferrita. CH. Ca(OH)2. Hidróxido de calcio o. CSH. variable. Silicatos de calcio hidratados. 3C3A∙3C$∙32H. 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O. Ettringita (AFt) Monosulfoaluminato. 3C3A∙C$∙12H. 3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O. Acrónimos: CP: Cemento Portland MCS: Materiales Cementicios Suplementarios API: American Petroleum Institute. ISO: International Organization for Standardization ASTM: American Society for Testing Materials. tricálcico o (Afm).

(8) 2. Introducción. Introducción El petróleo actualmente domina todos los mercados. Entre el 80 y 95 % de todo el transporte funciona con productos petrolíferos, además entre el 50 y 75 % de todo el petróleo se usa para el transporte, el 99 % de todos los lubricantes se hacen con productos petrolíferos, el 95 % de todos los bienes en las tiendas llegan allí utilizando petróleo. Como resultado el petróleo se ha convertido en la fuente más importante de energía primaria del planeta y representa el 36,4% de toda la energía (Vitoria-Gasteiz 2008). El planeta consume actualmente 1000 millones de barriles cada 12 días y eso equivale a 30 000 millones de barriles al año. Un barril de petróleo equivale a 159 litros y se consume cada día 84 millones de barriles; o lo que es igual, 12 000 millones de litros diarios. Hace menos de 50 años las 3/4 partes de la energía del mundo procedían aún del carbón; a partir de entonces el petróleo toma un fuerte impulso para superar al carbón como fuente de energía, exactamente, en 1967. Actualmente, representa él solo el 35% de todo el presupuesto energético mundial (Vitoria-Gasteiz 2008). La Industria Petrolera Cubana es una industria emergente que se fortalece día a día elevando su nivel científico tecnológico y operativo. Existen posibilidades reales de incrementar moderadamente los niveles de producción de petróleo y gas en los próximos años, pero un aumento sustancial sólo será posible en el sector cubano en el Golfo de México, lo que requiere ingentes esfuerzos y grandes inversiones (Marrero 2008). Para extraer el petróleo que se encuentra acumulado en los yacimientos del subsuelo es necesaria la perforación y construcción, de manera eficiente, rentable y segura, de pozos verticales, horizontales o direccionales para conectar el yacimiento con la superficie. Para la construcción de un pozo se emplea una torre de perforación que hace girar una línea o sarta con una broca en su extremo inferior. Luego de completada la barrenación, se introduce una camisa o revestidor de acero de diámetro ligeramente inferior al del hoyo de la perforación, pudiéndose llegar a mayores profundidades con una broca más pequeña. Inmediatamente después que el revestidor ha sido bajado hasta el fondo se debe colocar una lechada de cemento constituida usualmente por cemento Portland, agua y varios aditivos. La cementación primaria es el proceso de colocar cemento en el espacio anular entre el revestidor y las formaciones rocosas expuestas a la perforación (Nelson y Guillot 2006). Luego se deja fraguar y endurecer la lechada de cemento, formando una barrera permanente e impermeable al movimiento de fluidos detrás del revestidor..

(9) 3. Introducción. La cementación de pozos es una de las operaciones más importantes y cruciales realizadas en un pozo de petróleo. El objetivo principal de la cementación de pozos es servir como una barrera primaria aislando completamente el revestidor de la superficie excavada. También mantiene el revestidor en su lugar, evita la corrosión y proporciona un aislamiento zonal los cuales son claves para la seguridad en la extracción de hidrocarburos y la prevención de la contaminación (Mangadlao, Cao y Advincula 2015). El proceso de cementación se realiza con la finalidad de prolongar la vida útil del pozo y obtener mayores niveles en la producción, ya que con éste se busca aislar el revestidor de la formación para evitar que se generen filtraciones de agua que traen como consecuencia disminución en la producción. Este proceso es uno de los más importantes en la construcción de pozos para la industria petrolera. De éste depende, en muchos casos, que la vida productiva del pozo se alargue y, por consiguiente, un aumento en los beneficios económicos (Shahriar 2011) La cementación primaria representa del 5 al 8 % del costo total de la construcción del pozo (Nelson y Guillot 2006). Si la cementación primaria falla se incrementarían los costos operacionales, la terminación y producción se verían afectadas, existiendo el riesgo de pérdida del pozo y la posibilidad de incrementar el número de rehabilitaciones en los pozos, lo cual demuestra que la calidad de la cementación es más importante que el costo del proceso. Además de las fallas técnicas que pueden presentarse, otra de las causas que provocan los fracasos en la cementación primaria es la falta de control sobre las propiedades de las lechadas de cemento, ya que esto puede afectar el tiempo de bombeabilidad, la resistencia a la compresión del cemento fraguado y las propiedades de flujo (Nelson y Guillot 2006). Las lechadas empleadas para la cementación de pozos de petróleo tienen que mantener una fluidez adecuada durante varias horas, considerando que estas tienen que viajar miles de metros por las tuberías de bombeo; deben poseer una densidad tal que se evite la migración de gases y vapor mientras se mantengan fluidas, ser térmicamente estables cuando se exponen a temperaturas superiores a los 150ºC una vez cementado el pozo y mantener el aislamiento zonal durante toda su vida. Además deberán ser capaces de soportar el ataque de los ácidos, el lavado y la carbonatación (E.B. Nelson, Baret, J.F., and Michaux, M. 1990) Por sus propiedades el cemento Portland es el cemento más empleado como parte componente de las lechadas en los pozos de petróleo. Además del cemento Portland y el agua los aditivos constituyen un ingrediente fundamental de las lechadas de cemento. Entre los aditivos más empleados son los extendedores, los cuales son de gran importancia durante la cementación primaria ya que dentro de sus funciones está disminuir la densidad del cemento,.

(10) 4. Introducción. reducir la cantidad de cemento por unidad de volumen de producto determinado o ambos(Nelson y Guillot 2006).. Definición del problema de la investigación Los extendedores más comunes son productos naturales o subproductos de algunos procesos industriales. Entre los más usados internacionalmente son la bentonita, las cenizas volantes y el humo de sílice. En países en vías de desarrollo hay una escasa disponibilidad de estos subproductos, el uso de arcillas calcinadas con un alto contenido de caolín y la zeolita, los cuales son materiales abundantes, han ganado importancia como alternativa para suplir este déficit (Habert G 2008; Habert G 2009). En nuestro país contamos con yacimientos de zeolita para su explotación. El uso de este mineral en Cuba como aditivo extendedor está limitado a un 5 % en masa ya que su incremento produce problemas de separación de fluido libre, por tanto se hace necesario encontrar otros aditivos minerales cubanos que permitan aumentar el por ciento de adición sin afectar negativamente las propiedades de las lechadas de cemento Portland. En el CIDEM se ha estado estudiando el empleo de arcillas de moderado contenido de caolín calcinadas como adiciones puzolánicas en la fabricación de cementos. Estudios preliminares han demostrado que el empleo de estos materiales arcillosos calcinados, específicamente el obtenido del yacimiento Pontezuela, pueden ser utilizados como aditivos extendedores para la fabricación de lechadas para la cementación de pozos de petróleo. Sin embargo por la elevada finura de estos materiales se ha comprobado que a sustituciones mayores de 20% de cemento Portland por arcilla calcinadas afectan negativamente sus propiedades reológicas, obteniéndose valores del punto de cedencia superiores a los requeridos desde el punto de vista técnico. Nuestro país tiene grandes yacimientos de este tipo de arcillas, por lo que confiere potencialidad para ser empleado, una vez activadas adecuadamente, como aditivo extendedor en la fabricación de lechadas para la cementación de pozos de petróleo. Por todo lo anteriormente planteado se hace necesario definir el problema científico hacia: ¿Cómo influye el porciento de sustitución de la arcilla calcinada del yacimiento Pontezuela en las propiedades reológicas y mecánicas de lechadas de cemento Portland? Objetivo General: Determinar la influencia del por ciento de sustitución de la arcilla calcinada de Pontezuela en las propiedades reológicas y mecánicas de lechadas de un cemento Portland producido a escala de planta piloto a partir de clinker de la fábrica de cemento Sigüaney y yeso de la salina Bidos..

(11) 5. Introducción.. Objetivos específicos: 1. Determinar la influencia del por ciento de sustitución en la arcilla calcinada de Pontezuela en las propiedades reológicas de lechadas de cemento Portland. 2 Determinar la influencia del por ciento de sustitución en la arcilla calcinada de Pontezuela en la resistencia a compresión de lechadas de cemento Portland endurecidas. Campo de Acción: Aditivos extendedores en lechadas de cemento Portland para cementación de pozos de petróleo..

(12) 6. Capítulo 1. Capítulo I: Fundamentos teóricos acerca del uso de adiciones puzolánicas en lechadas de cemento Portland para cementar pozos de petróleo. 1 Cemento Portland. 1.1 Generalidades. El cemento Portland es hoy día uno de los materiales de construcción más empleados a escala global (Martirena 2003). La producción mundial de cemento actualmente ha llegado a 2,8 millones de toneladas y se espera que aumente a unos 4 millones de toneladas por año. Mayor crecimiento se prevé en países como China e India, así como en regiones como el Oriente Medio y el Norte de África (Schneider et al. 2011).. El cemento Portland se produce calcinando una mezcla de piedra caliza y arcilla u otros materiales de composición similar y suficiente reactividad a una temperatura de aproximadamente 1 450º C. Este es producido por la pulverización de clinker. El clinker es el material calcinado que sale del horno rotatorio en una fábrica de cemento. El clinker se compone principalmente de silicatos de calcio hidráulicos, aluminatos de calcio y aluminoferritas de calcio. Una o más formas de sulfato de calcio (por lo general de yeso) se mezclan con el clinker para hacer el producto acabado. Los materiales utilizados en la fabricación de clinker de cemento Portland deben contener cantidades adecuadas de calcio, sílice, alúmina y compuestos de hierro. Durante la fabricación se realizan análisis químicos frecuentes de todos los materiales para asegurar la uniformidad y alta calidad. Las propiedades del cemento Portland se determinan por la composición mineralógica del clinker (Nelson y Guillot 2006).. La tabla 1 muestra la composición química promedio del clinker. Esta se describe como la suma de cuatro componentes, CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3, que es por regla general mayor que 95% (Kurdowski 2014).. Tabla1: Composición química promedio del clinker de cemento Portland..

(13) 7. Capítulo 1. Óxidos. Proporción de Clinker. CaO. 60-69 %. SiO2. 18-24 %. Al2O3. 4-8 %. Fe2O3. 31-8 %. MgO. 1-5 %. La alita es el componente más importante del clinker de cemento Portland del cual constituye entre el 50 y 70%.Es silicato tricálcico (Ca3SiO5) modificado en composición y estructura cristalina por sustituciones iónicas. Esta fase influye decisivamente en la rapidez del fraguado del cemento y sus productos de hidratación son los principales responsables de la resistencia mecánica y otras propiedades del cemento Portland fraguado en edades de hasta 28 días (Taylor 1997). La belita constituye entre el 15 y 30% de clinker de CP. Es silicato dicálcico (Ca2SiO4) modificado por sustituciones iónicas y normalmente presente en su totalidad o en gran parte como el polimorfo ß. Reacciona lentamente con el agua contribuyendo poco a la resistencia mecánica durante los primeros 28 días, pero sustancialmente a un mayor aumento en la resistencia que se produce en las etapas finales. En un año las resistencias que se pueden obtener a partir de la alita y la belita pura son aproximadamente las mismas en condiciones comparables (Taylor 1997).. El aluminato constituye entre el 5 y 10 % del clinker de CP. Es aluminato tricálcico (Ca3Al2O6), sustancialmente modificado en la composición y a veces también en la estructura por sustituciones iónicas. Reacciona rápidamente con agua y puede causar un fraguado rápido a menos que se adicione un agente retardador, comúnmente se le añade yeso (Taylor 1997).. La. ferrita. constituye. entre. el. 5. y. 15%. del. clinker. de. CP.. La. aluminoferritatetracálcica (Ca4AlFeO5), es sustancialmente modificada en la composición por la relación Al / Fe y sustituciones iónicas. La velocidad a la que reacciona con el agua parece ser algo variable, quizás debido a diferencias en.

(14) 8. Capítulo 1. la composición u otras características, pero en general es alto inicialmente y baja o muy baja a mayores edades (Taylor 1997). La tabla 2 muestra las fases mineralógicas que componen el clinker de cemento Portland y su proporción aproximada (López 2011).. Tabla 2: Fases mineralógicas que componen el clinker de cemento Portland.. Proporción en el Nombre. Composición. clinker de cemento Portland. Silicato tricálcico o C3S (alita) Silicato dicálcico o C2S (belita) Aluminato tricálcico o C3A. 3CaO·SiO3(Ca3SiO5). 50-70 %. 2CaO·SiO2 (Ca2SiO4). 15-25 %. 3CaO·Al2O3 (Ca3Al2O6). 5-15 %. Ferrito-aluminato. 4CaO·Al2O3·Fe2O3(Ca4Al2. tetracálcico o C4AF. Fe2O10). 5-15 %. 1.2 Cementos utilizados en la cementación de pozos de petróleo. Las condiciones a las que están expuestos los cementos Portland en un pozo difieren significativamente de las que se encuentran en condiciones ambientales durante las operaciones de construcción; como resultado es necesario adicionar aditivos ala lechada para la cementación pozos. Los requisitos para los cementos Portland son más rigurosas que las de los cementos de construcción (Nelson y Guillot 2006).. La norma British Standards Institute (2009) plantea diferentes clases de cemento Portland para cementar pozos de petróleo: A, B, C, D, G, H y clasificados en ordinarios (O), moderada resistencia a los sulfatos (MRS) y alta resistencia a los sulfatos (ARS)..

(15) 9. Capítulo 1. Las clases A y B están indicadas para usarse en pozos desde la superficie hasta 1830 m de profundidad cuando no se requieran propiedades especiales. El cemento Clase A está disponible sólo en el grado ordinario (O). El cemento Clase B está disponible en los grados de moderada (MRS) o alta (ARS) resistencia a los sulfatos. La clase C está indicado para ser empleado en pozos desde la superficie hasta 1830 m de profundidad. Es molido más finamente y tiene un contenido de C3S mayor, ambas características contribuyen a que tenga una mayor resistencia mecánica a edades tempranas. Esta clase de cemento está disponible en los grados Ordinario (O), de Moderada (MRS) o de Alta (ASR) resistencia a los sulfatos.. Las clases G y H son los llamados cementos básicos. Estas clases están indicadas para profundidades desde la superficie hasta 2440 m. Químicamente son similares al cemento Clase B pero su fabricación es realizada bajo especificaciones químicas y físicas más rigurosas, lo que con lleva a un producto más uniforme. En su producción no contiene aceleradores, retardadores o agentes de control de viscosidad diferentes al yeso el cual normalmente se muele con el clinker (no más de 5 %). Ambos están disponibles en los grados MRS y ASR.. Las clases de cemento G y H son usualmente utilizadas para pozos profundos con altos valores de temperatura y presión (Lafarge 2009). Estas clases de cementos para pozos de petróleo son las más utilizadas. La composición química de ellos son similares, la diferencia radica en su área superficial (Shahriar 2011).. En la industria de la perforación de pozos de petróleo la clase G y H de cemento son bien conocidos para los pozos profundos. Por lo tanto con la adición de una amplia cantidad de aditivos tales como retardantes y dispersantes pueden cambiar su tiempo de fraguado a grandes profundidades donde la presión y la temperatura son factores importantes (Barnes 1989)..

(16) 10. Capítulo 1. Las clase D, E Y F también son conocidos como cementos retardados. La mayor parte de estos cementos son retardados con un compuesto orgánico, mientras que otros por medio de composición química y molienda. Estos cementos son más costosos y no son usados comúnmente a menos que se requieran sus propiedades especiales (British Standards Institute 2009; Zeng et al. 2012). Los cementos usados para la cementación de pozos de petróleo encuentran una amplia aplicación en la exploración y producción de hidrocarburos fósiles. Ellos satisfacen los requerimientos de materiales que forman lechadas de baja viscosidad y que se mantienen bombeables durante largos períodos de tiempo.. 1.3 Hidratación del cemento Portland. La hidratación del cemento Portland es una consecuencia de la superposición de las reacciones químicas entre los componentes de clinker, sulfato de calcio y agua, lo que conduce al espesamiento de la lechada de cemento y posterior endurecimiento. Aunque la hidratación del C3S a menudo se utiliza como un modelo para la hidratación del cemento Portland, se debe tener en cuenta que muchos parámetros adicionales están involucrados (Nelson y Guillot 2006).. Cuando el CP es mezclado con agua ocurren una serie de reacciones químicas responsables del endurecimiento de la pasta que son designadas genéricamente como reacciones de hidratación y, los compuestos químicos resultantes de estas reacciones, como productos de hidratación o hidratos (Díaz 2010). La hidratación delC3S impuro, también llamado Alita, conduce a la formación de Ca(OH)2, también denominado portlandita (CH), y de silicatos de calcio hidratados con una estructura amorfa y de estequiometria variable, que son denotados de manera genérica como CSH (Díaz 2010). C3S + 5.3H → C1.7SH4 + 1.3CH. Esta reacción no describe la estequiometria de manera exacta, ya que el gel CS-H no tiene una composición definida, sino que es un material pobremente.

(17) 11. Capítulo 1. cristalino de composición variable, mientras que la portlandita es un compuesto cristalino y de composición fija (López 2011).. El C2S o Belita reacciona de manera similar al C3S para formar también CSH y CH, aunque la velocidad de la reacción y el desarrollo microestructural se produce a una rapidez veinte veces menor.. C2S + 4.3H → C1.7SH4 + 0.3CH. La fase CSH comprende más o menos el 65% de cemento Portland completamente hidratado en condiciones ambientales y se considera el aglutinante principal del cemento endurecido. En contraste el hidróxido de calcio es altamente cristalino y se produce en forma de placas hexagonales. Su concentración en el cemento endurecido es por lo general entre 15% y 20%. Después de una hidratación inicial rápida pero breve cuando se añade al agua, las fases silicato experimentan un período de baja reactividad, llamado "período de inducción" (Nelson y Guillot 2006).. Aunque la cantidad de C3A en un cemento es pequeña en comparación con la de los silicatos, su hidratación es de gran interés debido a su alta reactividad con el agua dando lugar a un endurecimiento casi instantáneo de la pasta (fraguado flash). Para evitar este fraguado instantáneo es necesario incorporar un regulador de fraguado (CaSO4·2H2O, yeso) al clinker del cemento. El aluminato tricálcico es, por tanto, el componente que ejerce una mayor influencia en los primeros momentos del proceso de hidratación, así como en la reología de pastas. Su hidratación es diferente según haya o no presencia de sulfatos (Díaz 2010).. En presencia de agua y yeso la fase aluminato del CP (C3A) reacciona para formar ettringita.. C3A + 3C$H2 + 26H → (C3A·3C$·H32).

(18) 12. Capítulo 1. La fase aluminato, especialmente C3A, es la más reactiva en cortos períodos de hidratación, además tienen una influencia significativa en las propiedades reológicas de la pasta de cemento y desarrollo de la resistencia a edades tempranas del cemento fraguado.. Cuando el sulfato es agotado, la reacción entre el C3A y las fases AFt en presencia de agua generan monosulfoluminatos de calcio.. (C3A·3C$·H32) + 2C3A + 4H → (3C3A.C$.H12). Numerosos tipos de fases AFm pueden formarse cuando los iones que estas contienen son liberados a la solución de poros de la pasta hidratada y son clasificados en dependencia del anión que contienen (C4AHX, C4AC0,5Hx, C4ACHx, C4A$Hx Y C4ASHx) (Díaz 2010).. La fase ferrita (C4AF) reacciona de manera similar al C3A pero más lentamente con la formación de hidratos donde el Fe3+ se encuentra sustituyendo parcialmente al Al3+en la estructura.. Las ecuaciones de reacción planteadas han sido idealizadas pues la composición variable de los productos de hidratación y su tendencia a modificar su constitución en dependencia de la solución de poros impiden asignarles una estequiometria fija (Díaz 2010).. 1.4 Efectos de la temperatura en la hidratación del cemento Portland. La temperatura es uno de los principales factores que afectan a la hidratación del cemento Portland. La velocidad de hidratación del cemento y la naturaleza, estabilidad y morfología de los productos de hidratación son dependientes en gran medida de este parámetro (Nelson y Guillot 2006). Las temperaturas elevadas aceleran la hidratación del cemento..

(19) 13. Capítulo 1. Si durante el proceso de cementación de pozos de petróleo existen altos valores de temperatura, la velocidad de hidratación se incrementa y la duración de los periodos de inducción y endurecimiento del cemento disminuyen, provocando pérdida de fluidez de las lechadas de cemento y como consecuencia menor tiempo de bombeabilidad.. Hasta 40°C los productos de hidratación son los mismos que los que se producen en condiciones ambientales. Ciertos cambios se producen en la microestructura y morfología de la fase CSH a temperaturas más altas. El material se vuelve más fibroso y se observa un mayor grado de polimerización de los grupos silicato. A temperaturas de curado superiores a 110 ° C la fase CSH ya no es estable y se forman finalmente los hidratos de silicato de calcio cristalinos, lo cual usualmente trae como consecuencia una disminución de la resistencia a compresión y un aumento de la permeabilidad del cemento fraguado. Este fenómeno se conoce como “retrogresión de la resistencia”. El gel C -S-H a menudo se convierte en la modificación alfa del silicato dicálcico hidratado (α-C-S-H)”, este compuesto es altamente cristalino y mucho más denso que el gel C-S-H; como resultado se produce una contracción que deteriora la integridad del cemento fraguado. La pérdida de resistencia que se produce no es suficiente para afectar la estabilidad del revestidor, el problema real se encuentra en el grave aumento de la permeabilidad, lo que ocasiona que no se mantenga el adecuado aislamiento zonal en la estructura del pozo. Una forma de prevenir este fenómeno es reduciendo la relación CaO/SiO2, lo que se puede lograr añadiendo SiO2 finamente molido a los cementos utilizados para la cementación de los pozos de petróleo (Kurdowski 2014).. El comportamiento de los sulfoaluminatos de calcio también depende de la temperatura de curado. Por encima de 60°C la ettringita ya no es estable y se descompone para formar monosulfoaluminato de calcio y yeso. Sin embargo algunos investigadores han documentado mayores límites de estabilidad de la ettringita, hasta los 110. o. C, y que el mosulfoaluminato de calcio se mantiene. estable hasta los 190 o C (Nelson y Guillot 2006)..

(20) 14. Capítulo 1. 1.5- Aditivos minerales para la cementación primaria. El cemento Portland para la cementación de pozos está diseñado habitualmente para soportar temperaturas que van desde bajo cero en las zonas de permafrost a 350°C en recuperación térmica y pozos geotérmicos. Los cementos para pozos se encuentran con el rango de presión ambiente en pozos poco profundos y a más de 200 MPa en pozos profundos. Además de temperaturas y presiones severas, los cementos para pozos a menudo deben ser diseñados para lidiar con formaciones débiles o porosas, líquidos corrosivos y fluidos de la formación sobre– presurizados, por tanto los aditivos en el cemento hacen posible acomodar una gama amplia de condiciones modificando el comportamiento de la lechada (Nelson y Guillot 2006).. Hoy en día hay más de 100 aditivos que se utilizan en los cementos para pozos de petróleos, entre ellos se encuentran los aceleradores que son sustancias químicas que reducen el tiempo de fraguado de un sistema de cemento y aumentan la tasa de desarrollo de resistencia a la compresión, los retardadores los cuales son productos químicos que retardan el tiempo de fraguado de un sistema de cemento, los extendedores que son materiales que reducen la densidad de un sistema de cemento, reducen la cantidad de cemento por unidad de volumen o ambos, los dispersantes que de igual forma son productos químicos que reducen la viscosidad de una lechada de cemento (Nelson y Guillot 2006).. Los extendedores en las adiciones de cemento se utilizan habitualmente para llevar a cabo las siguientes funciones:. Reducir la densidad de la lechada: Una reducción de la densidad de la lechada reduce la presión hidrostática durante la cementación. Esto ayuda a prevenir la pérdida de circulación inducida debido a la ruptura de las formaciones débiles. Además el número de etapas requeridas para cementar un pozo puede ser reducido..

(21) 15. Capítulo 1. Aumentar el rendimiento de la lechada: se encarga de reducir la cantidad de cemento requerida para producir un volumen dado de producto. Esto resulta en una mayor economía (Nelson y Guillot 2006).. Los extendedores se pueden clasificar en tres categorías, dependiendo del mecanismo de reducción de la densidad y/o aumento del rendimiento. A menudo más de un tipo de extendedor se utiliza en la misma lechada.. Extendedores de agua: arcillas y diversos agentes que aumentan la viscosidad que le permiten la adición de más agua para lograr mayor cantidad de lechada. Tales extendedores son encargados de mantener una suspensión homogénea y prevenir el desarrollo de fluido libre en exceso.. Agregados de baja densidad: esta variada categoría se compone de materiales con densidades más bajas que la del cemento Portland. La densidad de la lechada se reduce cuando cantidades significativas de tales extendedores están presentes.. Extendedores gaseosos: nitrógeno o aire pueden ser utilizados para preparar cementos espumados con excepcionalmente bajas densidades y todavía suficiente resistencia a la compresión (Nelson y Guillot 2006).. Entre los aditivos extendedores se encuentran la bentonita la cual controla la pérdida de fluidos, las cenizas volantes que aportan resistencia a fluidos corrosivos, los silicatos de sodio que están disponibles en su forma líquida y sólida que son efectivos a bajas concentraciones e ideales cuando se mezcla con agua de mar. Las microesferas que presentan buena resistencia a compresión, baja permeabilidad y estabilidad térmica, además, el cemento espumado que aporta buena resistencia a la compresión y baja permeabilidad. El extendedor de arcilla más frecuentemente utilizado es la bentonita, también conocido como "gel" (Nelson y Guillot 2006)..

(22) 16. Capítulo 1. 1.5.1- Puzolanas.. El término puzolana se define de acuerdo con la norma ASTM C 618 44 como "materiales silíceos o silíceos y aluminosos, que en sí mismos poseen poco o ningún valor cementante pero que, en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperaturas ordinarias para formar compuestos que poseen propiedades cementantes”.. En este grupo podemos encontrar las puzolanas naturales (generalmente rocas de origen volcánico) y las artificiales, entre las que destacan las cenizas volantes y el humo de sílice. Otras puzolanas artificiales usadas como adiciones activas pueden ser las arcillas activadas o calcinadas y cenizas de residuos agrícolas como las de la cáscara de arroz o de la caña de azúcar (López 2011).. En los últimos años se han publicado muchos estudios sobre la actividad puzolánica del metacaolín. El término metacaolín se refiere a caolín calcinado, lo que resulta en una modificación de una estructura de caolinita metaestable de baja cristalinidad. Fernandez, Martirena y Scrivener (2011) llevaron a cabo un estudio comparativo sobre la actividad puzolánica de los tres minerales: caolinita, illita y montmorillonita. Estos coinciden en que la caolinita es la fase arcillosa más reactiva.. El efecto químico fundamental está dado por la reactividad puzolánica de la adición mineral. La CH aportada durante la hidratación del CP puede representar en una pasta completamente hidratada hasta un 28 % en masa respecto a la masa inicial de CP. La CH no contribuye a la resistencia mecánica y puede ser extraída de la masa del hormigón en sucesivos ciclos de humedecimiento y secado, aumentando la porosidad e incrementando la permeabilidad y la susceptibilidad al ataque de agentes químicos externos como las aguas de ambientes marinos saturadas de cloruros o las aguas subterráneas ricas en sulfatos (Taylor 1997)..

(23) 17. Capítulo 1. Las puzolanas pueden reaccionar con parte de la CH presente en la pasa hidratada, densificando la microestructura de la pasta y refinando la estructura de poros con el consiguiente incremento de la impermeabilidad y la resistencia mecánica(Zhang 2000).Al mismo tiempo como la CH presente en la pasta es susceptible a formar fases con potencial expansivo al reaccionar con agentes externos como los sulfatos, su reducción favorece la resistencia al ataque químico. También se ha reportado la disminución en la aparición de grietas por retracción (Souza 2005). Puede afirmarse que con la sustitución del CP por materiales puzolánicos, se mantienen o mejoran las propiedades físicas y la durabilidad.. Estos resultados han demostrado que los materiales puzolánicos no causan una reducción en la evolución de calor en proporción a la cantidad de cemento sustituido. Los materiales puzolánicos reaccionan con el hidróxido de calcio liberado en la hidratación del cemento Portland aumentando el calor de hidratación debido al efecto exotérmico de la reacción puzolánica. Este hecho se hace más evidente en materiales con alta actividad puzolánica.. Actualmente otras alternativas a estos materiales se están investigando, el uso de las fases arcillosas (caolinita, montmorillonita, illita que se puede activar térmicamente por deshidratación en el intervalo de temperatura de 700 a 800 °C) es uno de ellos. El ejemplo más típico es caolín que tras el calentamiento produce metacaolín (MK). Además la influencia de la temperatura de curado en las constantes de velocidad de reacción y en el comportamiento y la estabilidad de fases de hidratación se han estudiado. El MK muestra un alto nivel de actividad puzolánica, similar al humo de sílice (Frías, Rojas y Cabrera 2000).. Las principales desventajas reportadas para el empleo de puzolanas son las bajas resistencias mecánicas alcanzadas a edades tempranas y la necesidad del empleo de superplastificantes o de relaciones agua/aglomerante mayores que para la pasta que contiene solo CP si se quiere mantener una laborabilidad constante de la mezcla. Para el caso de sistemas con altos volúmenes de substitución por puzolanas muy reactivas también pueden manifestarse.

(24) 18. Capítulo 1. fenómenos asociados al agotamiento de la CH con la consiguiente desestabilización de las fases hidratadas ricas en Ca y, para el caso de hormigones reforzados, la desestabilización de la capa pasiva que protege al acero como consecuencia de la disminución del pH (Martirena 2003; Arikan et al. 2009).. 1.5.2 Arcillas calcinadas como aditivos minerales. 1.5.2.1 Arcillas. Generalidades.. Desde el comienzo del estudio de la arcilla esta ha estado sujeta a muchas definiciones. En 1995, la Asociación Internacional para el Estudio de las Arcillas (AIPEA) y la Sociedad de Minerales Arcillosos (CMS) recomienda la siguiente definición:. El término "arcilla" se refiere a un material de origen natural, compuesto principalmente de minerales de grano fino que tienen generalmente carácter plástico con contenidos de agua adecuados el cual se endurece con secado o calcinado. Aunque por lo general la arcilla contiene filosilicatos puede contener otros materiales que imparten plasticidad y se endurecen cuando se secan o se calcinan (Guggenheim y Martin 1995). La plasticidad se refiere a la capacidad del material para ser moldeado a cualquier forma (Danner 2013).. Las arcillas están ampliamente distribuidas como constituyentes esenciales de los suelos y sedimentos, debido a que son mayoritariamente los productos finales de los distintos procesos de degradación de los aluminosilicatos formados a mayores presiones y temperaturas y que constituyen más del 70% de la corteza terrestre.. Teniendo en cuenta estas consideraciones hay un creciente interés en los suelos arcillosos calcinados. En primer lugar, porque es un material ampliamente accesible y en segundo lugar, porque ya se ha mostrado que bajo condiciones de calcinación específicos estos materiales podrían revelar excelentes propiedades puzolánicas..

(25) 19. Capítulo 1. 1.5.2.2 Minerales arcillosos.. Los minerales arcillosos se forman por la erosión de los silicatos minerales en las rocas como feldespatos, micas, anfíboles y piroxenos. Ellos son considerados como filosilicatos que por lo general se producen en tamaños de partículas de 2 micrómetros o menos (López 2009).. Los minerales de arcilla se pueden dividir en tres clases principales: . Grupo Caolín (caolinita, dickita, nacrita). . Grupo esmectita (montmorillonita, nontronita, beidellite). . Grupo illita (illita, glauconita). Las partículas cristalizadas de caolinita se producen generalmente en forma de placas hexagonales, cuyas dimensiones laterales están en el intervalo de 0,1 a 4 micrómetros y el espesor de 0,05 a 2 micrómetros. La illita por lo general se produce en forma de partículas muy pequeñas en forma de escamas mezcladas con otros minerales arcillosos y no arcillosos. Depósitos de alta pureza de illita son poco frecuentes. La estructura cristalina de la montmorillonita es muy similar a la de illita, excepto que la unión entre capas sucesivas y la carga de equilibrio se hacen por diferentes cationes, tales como Na+ o Ca2+ (López 2009).. En la búsqueda y desarrollo de nuevas fuentes de materiales puzolánicos, existe creciente interés en el empleo de las arcillas activadas. Por su amplia disponibilidad, relativa facilidad de tratamiento y demostradas propiedades puzolánicas una vez que son estructuralmente modificadas, estas representan una atractiva alternativa como fuente de puzolanas. Si bien la distribución granulométrica juega un importante papel en algunas propiedades de las arcillas como su capacidad para formar suspensiones coloidales y manifestar un comportamiento plástico cuando son mezcladas con agua, es su particular estructura en forma de láminas lo que define su comportamiento y reactividad..

(26) 20. Capítulo 1. Los minerales arcillosos no pueden ser empleados como puzolanas en su estado natural. La presencia de estructuras cristalinas estables impide la liberación de sílice y alúmina como especies químicas capaces de participar en la reacción puzolánica. Su estructura en forma de capas propensas al deslizamiento y al agrietamiento y la capacidad para inmovilizar grandes cantidades de moléculas de agua en su superficie son factores que pueden afectar de forma negativa la resistencia mecánica y la reología en un material cementicio, mientras que su alta capacidad de absorción de iones puede modificar la composición química de las soluciones acuosas, afectando las propiedades tecnológicas del hormigón (Díaz 2010).. Los minerales arcillosos deben ser adecuadamente activados para ser empleados como puzolanas. La presencia de estructuras estables provoca que las arcillas no tengan tendencia a reaccionar con los componentes presentes en las pastas de CP. Existen varias técnicas para mejorar o generar la actividad puzolánica, las cuales incluyen la calcinación, tratamiento ácido, molienda prolongada y el uso de activadores químicos (Teklay et al. 2015). Los minerales arcillosos activados por calcinación han sido estudiados extensamente como puzolanas en la producción o uso de cementos.. La calcinación de arcillas caoliníticas puras a temperaturas que oscilan entre 550 y 900 ºC producen un compuesto de sílice amorfo (metacaolín-MK), el cual es un aluminosilicato puzolánico muy reactivo (Janotka et al. 2010). A temperatura ambiente el MK reacciona con Ca(OH)2 en presencia de agua produciendo el compuesto cementicio C-S-H y algunos hidratos (Mohamed SM 2007). Las propiedades puzolánicas de MK comercial de alta calidad obtenidos a partir de la calcinación de arcillas caoliníticas puros son ampliamente discutidos en la literatura de cemento (Sabir, Wild y Bai 2001; de Oliveira MP 2006; He C 1996).. Dentro de las arcillas calcinadas, el metacaolín (MK) es el material puzolánico más estudiado y el único que existe en el mercado como un producto comercial. El MK, una puzolana de alta reactividad que se obtiene a partir de la calcinación bajo condiciones controladas de arcillas caoliníticas de alta pureza, ha.

(27) 21. Capítulo 1. demostrado un excelente potencial para, mezclado con el CP, mejorar significativamente la resistencia y la durabilidad.. Ambroise, Maximilien y Pera (1994) determinaron que, para pastas con un 30% de reemplazo del CP por MK, la distribución del tamaño de poros se desplaza hacia valores más pequeños, el contenido de CH en la pasta se reduce y se mantienen los valores de resistencia mecánica.. Las arcillas calcinadas con un alto contenido de caolín pueden presentar una distribución muy diferente en el tamaño de los poros y la superficie específica modificando la cinética y la reactividad del material puzolánico obtenido. Sobre la base de lo expuesto por Frattini y las pruebas de conductividad eléctrica, las arcillas que contienen alto y medio contenido de caolinita y una estructura desordenada aparecen como la adición mineral más reactiva después del tratamiento térmico. Estas arcillas calcinadas tienen una superficie específica grande y un gran volumen de poros en tamaño de radio que van de 20 a 100 nm (Tironi et al. 2012).. 2- Cementación de pozos de petróleo. Las actividades de exploración y perforación en la industria petrolera son de vital importancia para mantener la competitividad dentro del mercado internacional. A través de éstas se establecen las reservas con las cuales se cuenta, la ubicación de los yacimientos y seguidamente la extracción de los hidrocarburos. Por esta razón el proceso de cementación es uno de los que requiere mayor y mejor planificación. De él depende el soporte de la estructura del pozo y por ende mientras mejor se realice, cubriendo detalladamente cada aspecto (materiales utilizados, etapas de construcción, condiciones de operación, etc.), se logrará evitar colapsos y se evitarán posibles pérdidas económicas ya sea por mantenimiento del pozo o por pérdida total del mismo (Mangadlao, Cao y Advincula 2015)..

(28) 22. Capítulo 1. La cementación primaria es el proceso de colocar cemento en el espacio anular entre el revestidor y las formaciones rocosas expuestas a la perforación (Nelson y Guillot 2006).. El objetivo principal de la cementación primaria siempre ha sido proveer aislamiento zonal en los pozos de petróleo, proteger al acero de la corrosión y evitar que el revestidor se dañe producto de las cargas laterales. Para lograr este objetivo un sello hidráulico debe ser obtenido entre el revestidor y el cemento y entre el cemento y las formaciones. La optimización de la producción comienza con una buena terminación y esta depende de la integridad del trabajo de la cementación primaria (Nelson y Guillot 2006).. En los pozos petroleros los valores de presión y temperatura son considerables. Para tener una idea de estas condiciones, las temperaturas de los yacimientos pueden estar entre (115° C– 232 °C). Cuando se realiza una estimulación cíclica con vapor las temperaturas del pozo pueden fluctuar entre 25ºC y 341ºC.. Myers (2005) sostuvo que la resistencia a la compresión no es el parámetro principal en el diseño de lechadas de cemento, son la elasticidad y la resistencia a la tracción del sistema de cemento más importante para el soporte del revestidor y el aislamiento zonal. Sin embargo, un aislamiento zonal efectivo y a largo plazo requiere la consideración de otras propiedades mecánicas tales como la resistencia a la flexión, resistencia al corte y las propiedades elásticas (módulo de Young y el coeficiente de Poisson). Estas propiedades son especialmente importantes en el caso de cementaciones que ha evolucionado como un medio económico para aumentar la productividad del yacimiento y reducir los costes de desarrollo del plan.. Para una cementación exitosa en pozos de petróleo se deben satisfacer dos criterios básicos:.

(29) 23. Capítulo 1 . Debe ser fácilmente bombeable durante un tiempo suficiente para permitir la colocación adecuada de la suspensión en el agujero del pozo sometido a niveles extremos de temperatura y presión. . La lechada de cemento debe desarrollar y mantener una resistencia mecánica suficiente para soportar y proteger la carcasa y debe tener una baja permeabilidad y durabilidad adecuada para asegurar el aislamiento a largo plazo de la formación productora.. La capacidad del flujo de lechadas de cemento y la estabilidad son los principales requisitos para el éxito de una cementación de pozos de petróleo (Kulakofsky 2005), ya que el cemento es el componente más activo de la lechada y por lo general tiene el mayor coste por unidad. Su selección y el uso adecuado son importantes en la obtención de una forma efectiva para la integridad a largo plazo del pozo (Williams 1999).. 3- Propiedades reológicas de lechadas de cemento Portland. 3.1 Reología. Generalidades. La reología es el estudio de la deformación y el flujo de los materiales. Típicamente la reología estudia la deformación de los materiales cuyo comportamiento está entre sólidos y líquidos (materiales viscoelásticos) (Barnes 1989). El estudio de las propiedades reológicas intenta determinar las propiedades de los fluidos, principalmente de la viscosidad, que es necesaria para determinar las relaciones entre la velocidad de flujo (velocidad de cizallamiento) y el gradiente de presión (tensión de cizallamiento) que causa el movimiento de un fluido (Nelson y Guillot 2006).. Los estudios reológicos de las suspensiones de cemento proporcionan una comprensión de cómo se comportan estos materiales en estado fresco y sirven para monitorear el desarrollo de la estructura lo cual determina el desarrollo de las propiedades mecánicas del material endurecido (Vance, Sant y Neithalath 2015)..

(30) 24. Capítulo 1. Para diseñar correctamente, ejecutar y evaluar un trabajo de cementación primaria primero hay que determinar las propiedades reológicas de las lechadas de cemento. La caracterización reológica adecuada es esencial para:. . Evaluar la capacidad de la mezcla y la capacidad de bombeo de la suspensión.. . Optimizar la remoción del lodo y la colocación de la suspensión.. . Determinar la presión de fricción cuando la suspensión fluye en los tubos y anillos.. . Evaluar la capacidad de la suspensión para el transporte de partículas grandes (por ejemplo, algunos materiales de pérdida de circulación y fibras).. . Predecir cómo el perfil del pozo y la temperatura afecta la colocación de la suspensión.. . Predecir la presión anular después de la colocación de la lechada.. El comportamiento reológico de las lechadas de cemento depende de varios factores: . Relación agua-cemento.. . Superficie específica del polvo de cemento y más específicamente el tamaño y la forma de los granos.. . Composición química del cemento y la distribución relativa de los componentes en las superficies de los granos.. . Presencia de aditivos.. . Procedimientos para mezcla y los ensayos.. 3.1.2 Reología de lechadas de cemento para pozos de petróleo. Para caracterizar la reología de una lechada de cemento deben ser estudiados parámetros reológicos tales como el punto de cedencia, la viscosidad aparente, la viscosidad plástica y la dilatación por cizallamiento. El punto de cedencia indica el esfuerzo mínimo necesario para que un material empiece a fluir. Por debajo del punto de cedencia las lechadas de cemento se comportan como un.

(31) 25. Capítulo 1. sólido. La viscosidad aparente es la pendiente de la línea recta que conecta el origen y cualquier punto de la curva de flujo la velocidad de deformación de tensión-esfuerzo cortante, es decir, es la viscosidad a una velocidad de cizallamiento particular (Shahriar 2011).. Las propiedades reológicas de una lechada de cemento para pozos de petróleo determinan la calidad del producto final y ayudan a predecir su rendimiento y las propiedades físicas durante y después del procesamiento. Las medidas reológicas pueden determinar las propiedades de flujo de la lechada de cemento, tales como su viscosidad plástica, límite de elasticidad, propiedades de fricción, la resistencia de gel, etc. (Douglas J.F. 1995).. Las propiedades reológicas de las lechadas de cemento Portland para pozos de petróleo son importantes para asegurar que las lechadas se puedan mezclar en la superficie y se bombeen al pozo con una caída mínima de presión (Shahriar 2011). El régimen de flujo de una pasta de cemento o lechada puede cambiar con el tiempo, la temperatura, el tratamiento previo, la aplicación de cizallamiento, el tipo de aplicación, el tipo de dispersión, las características físicas y químicas de los ingredientes sólidos y líquidos, la adición de agentes tenso-activos y el grado de molienda y mezcla (E.B. Nelson, Baret, J.F., and Michaux, M. 1990).. La concentración y la forma de partículas sólidas tienen un efecto significativo sobre las propiedades reológicas de una lechada de cemento Portland para pozos de petróleo. El punto de cedencia y la viscosidad plástica de las pastas de cemento generalmente aumentan a medida que el cemento se vuelve más fino (Berg 1979) y/o al aumentar la concentración de partículas.. La viscosidad plástica es una medida de la velocidad de aumento de la tensión de cizallamiento con el aumento de la tensión y por tanto es una medida de la capacidad de flujo de un fluido. La viscosidad plástica de suspensiones fluidas se cree que está influenciado principalmente por la fricción entre las partículas y de la superficie de contacto (Vance, Sant y Neithalath 2015)..

(32) Capítulo 1. 3.1.3 Comportamiento de los tipos de flujos. Existen varios tipos de comportamiento de flujo que son generalmente reconocidos. La figura 1 refleja la curva de tensión de cizallamiento contra velocidad de cizallamiento de los fluidos newtonianos y no newtonianos. El más simple es el comportamiento newtoniano con una relación lineal entre la tensión y la velocidad de deformación y la tensión cero a velocidad de deformación cero. Este es el comportamiento de un fluido ideal, análogo al comportamiento tipo Hooke en un sólido. Muchos fluidos muestran un comportamiento plástico (también llamado Bingham) en la que sólo fluyen inicialmente por encima de un cierto nivel de tensión (llamado punto de cedencia) y una vez que el flujo se inicia la relación entre la tensión y la velocidad de deformación es lineal. Otro comportamiento común es el pseudoplástico, en el cual la viscosidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de deformación. En ocasiones los materiales muestran un comportamiento de espesamiento, pero esto no es común para lechadas (Ramachandran y Beaudoin 2001).. Modelo de Bingham. Tensión de cizallamiento. 26. Herschel-Bulkley. Ley de Potencia. Newtoniano. Velocidad de cizallamiento 1/s. Figura 1: Ejemplos de curvas de flujo que se usan para las lechadas de cemento para pozos de petróleo..

(33) Capítulo 1. 3.1.3.1 Fluidos Newtonianos. Generalmente los líquidos se pueden clasificar en dos grupos: newtonianos y no newtonianos. Los fluidos newtonianos cumplen con el modelo representado por la ecuación 4.1, en la que la tensión de corte, (𝝉), es proporcional a la velocidad de cizallamiento, (𝜸) (Shahriar 2011). 𝝁 = 𝝉/𝜸. 4.1. La viscosidad (μ) se llama con más precisión viscosidad aparente aunque hay otras formas de definir la viscosidad (por ejemplo, la viscosidad plástica es la curva que describe la pendiente de la tensión frente a la velocidad de deformación para un material plástico, como se discute a continuación. La viscosidad diferencial es la pendiente de la curva que relaciona el estrés y la velocidad de deformación por lo que es importante identificar el tipo específico de viscosidad cuando se reportan los resultados (Ramachandran y Beaudoin 2001). La pendiente de la línea que aparece en la figura 2 es la viscosidad, μ, del fluido. Esta es una constante que no depende de la condición de flujo sino de la temperatura y la presión (Nelson y Guillot 2006).. Tensión de cizallamiento. 27. Viscosidad. Velocidad de cizallamiento 1/s. Fig.2 Relación tensión/velocidad de cizallamiento en un fluido newtoniano..

(34) 28. Capítulo 1 3.1.3.2 Fluidos no – newtonianos. A diferencia de los fluidos newtonianos, la viscosidad de los fluidos no – newtonianos depende de la velocidad de cizallamiento aplicada y el tiempo durante el cual se aplica la tensión de cizallamiento, es decir, la relación tensión de cizallamiento/cizalla difiere de una línea recta que pasa por el origen (Shahriar 2011).. La presencia de una tensión crítica significa que bajo condiciones estáticas un fluido no – newtoniano se comporta esencialmente como un sólido hasta que la tensión alcanza la fuerza de corte necesaria para superar la fricción interna del material. El modelo plástico de Bingham se introdujo para dar cuenta de esta característica distintiva de los no – newtonianos (Bingham 1922).. Dos parámetros describen el modelo plástico de Bingham:. . 𝜏0 , el cuál es el valor de 𝜏 para 𝛾̇ = 0. . 𝜇𝑝 es la pendiente de la línea recta o sea la viscosidad plástica. 𝜏 = 𝜏0 + 𝜇 𝑝 𝛾. Cuando 𝜏 > 𝜏0. 4.2. 𝛾=0. Cuando 𝜏 < 𝜏0. 4.3. El hecho de que la viscosidad dependa de la velocidad de cizallamiento significa que la muestra analizada no tiene una viscosidad constante. Por lo tanto la viscosidad de un fluido no – newtoniano se determina a una velocidad de cizallamiento dada y se llama viscosidad aparente (Shahriar 2011). La figura 3 muestra la relación tensión/velocidad de cizallamiento para un fluido plástico de Bingham la cual es lineal pero no pasa por el origen..

(35) Capítulo 1. Tensión de cizallamiento. 29. Viscosidad. Punto de cedencia Velocidad de cizallamiento 1/s. Fig. 3 Relación tensión/velocidad de cizallamiento para un fluido plástico de Bingham. Los fluidos de la ley de potencia incluyen fluidos pseudo-plásticos que fluyen inmediatamente cuando se aplica un gradiente de presión. Sin embargo, a diferencia de los líquidos newtonianos, la relación entre la tensión de cizallamiento y velocidad de cizallamiento no es lineal como se muestra en la figura 4. La curva de tensión contra velocidad de cizallamiento pasa por el origen y se describen mediante la siguiente fórmula:. 𝜏 = 𝑘𝛾̇ 𝑛. 4.4. donde,𝜏, k, 𝛾̇ y n representan el esfuerzo cortante, índice de consistencia, la velocidad de cizallamiento y el exponente de la ley de potencia, respectivamente..

(36) Tensión de cizallamiento. Capítulo 1. Velocidad de cizallamiento 1/s. Fig. 4 Relación tensión/velocidad de cizallamiento para un fluido de la ley de potencia con el índice de la ley de potencia n.. Un fluido de Herschel-Bulkley combina la ley de potencia y los comportamientos plásticos de los fluidos de Bingham a través de la siguiente fórmula:. 𝜏 = 𝜏0 + 𝑘𝛾̇ 𝑛. 4.5. donde,𝜏, 𝜏0 , k, 𝛾̇ and n representan el esfuerzo cortante, el límite elástico, índice de consistencia, la velocidad de cizallamiento y el exponente de la ley de potencia respectivamente. El modelo asume que por debajo del punto de cedencia 𝜏0 la suspensión se comporta como un sólido rígido, similar al modelo plástico de Bingham y se muestra en la figura 5.. Tensión de cizallamiento. 30. Punto de cedencia. Velocidad de cizallamiento 1/s. Fig. 5 Relación tensión/velocidad de cizallamiento para un fluido de HerschelBulkley con n <1..

(37) 31. Capítulo 1. Estos modelos reológicos son generalmente expresiones matemáticas (E.B. Nelson 1990; Banfill 2003; Nehdi 1998) de la tensión de cizallamiento o por lo general de la viscosidad como una función de la velocidad de cizallamiento (E.B. Nelson 1990).. Se ha observado que el flujo de las lechadas en pozos de petróleo siguen el modelo plástico de Bingham casi perfectamente (Guillot, 1990). Sin embargo, el modelo plástico de Bingham tiende a sobrestimar el esfuerzo cortante en ambas velocidades de corte, altas y bajas (E.B. Nelson 1990).. Se argumentó que las presiones de fricción de las lechadas de cemento se describen mejor mediante una forma modificada de las ecuaciones teóricas de presión de fricción del modelo plástico de Bingham (Shah 1990).. En conclusión las propiedades reológicas de los materiales a base de cemento determinan la calidad de la matriz de cemento endurecido y ayudan a la predicción de su rendimiento de uso final y sus propiedades físicas durante y después del procesamiento. Las propiedades reológicas se ven afectadas por varios factores tales como el tamaño y la forma de los granos de cemento, la composición química del cemento y la distribución relativa de estos componentes en la superficie de los granos, la presencia y el tipo de aditivos, la compatibilidad entre mezclas de cemento y los aditivos químicos y los procedimientos de ensayo. Por otra parte las interacciones partícula-partícula, la ocurrencia de reacciones químicas, la presencia de campos de flujo no homogéneas y los errores humanos pueden hacer los experimentos reológicas difíciles de reproducir. El punto de cedencia, la viscosidad y el grado de tixotropía son parámetros cruciales que afectan a la reología de los materiales a base de cemento.. 3.2 Métodos para determinar las propiedades reológicas. Cono de Marsh Las propiedades reológicas delas lechadas de cemento se investigan para optimizar la fluidez. La fluidez controla la capacidad de la lechada de penetrar en las fracturas y se puede determinar por medio de pruebas de tubo de flujo,.

(38) 32. Capítulo 1. ensayos del cono de Marsh, ensayos de asentamiento con el mini-cono y con reómetros.. Un número de intentos para encontrar formas sencillas pero precisas para la determinación de la viscosidad de los fluidos no newtonianos y newtonianos se han hecho por Pitt (2000), Nguyen et al. (2006), Roy y Roussel (2005). Estos autores han investigado la posibilidad de utilizar el cono de Marsh como herramienta estándar para la investigación de lechadas (Roy y Roussel 2005). La técnica es llenar a una cierta altura un cono de dimensiones definidas con lechada recién preparada y medir el tiempo para la descarga.. Estos investigadores mostraron que el tiempo de flujo de salida, la cual es proporcional a la viscosidad, puede estar directamente relacionada con la viscosidad newtoniana y el tiempo flujo para pastas de cemento sin punto de cedencia es aproximadamente 15 segundos. También mostraron que para ciertas geometrías del cono y condiciones de prueba el tiempo de flujo es la medida de la "fluidez" que puede estar relacionada con la viscosidad plástica y el límite elástico de lechadas que se comportan como fluidos de Bingham (Mohammed et al. 2014).. La descripción de las propiedades de flujo de lechadas en términos de punto de cedencia y de viscosidad está bien establecidas. La reometría es el método más exacto para determinar la viscosidad mientras que todas las otras técnicas sufren de procesos físico-químicos dependientes del tiempo. Por lo tanto la hidratación del cemento y tixotropía muy temprana tienden a dar los datos de viscosidad demasiado altos en las pruebas de cono de Marsh, especialmente para conos pequeños. Sin embargo comparando los resultados de los datos de dos boquillas diferentes en el cono de Marsh con los obtenidos mediante un reómetro y los datos de la pipeta, estos son relativamente buenos dando al cono de Marsh confiabilidad en cuanto a sus resultados (Mohammed et al. 2014).. La prueba de cono Marsh es una prueba de laborabilidad que se emplea para el establecimiento y control de calidad de las pastas de cemento y morteros..

(39) 33. Capítulo 1. Pertenece a la familia de las pruebas de orificio como el embudo en forma de V. La prueba estándar de cono Marsh varía de un país a otro, pero su principio suele ser el mismo. El tiempo necesario para que una cierta cantidad de material fluya hacia fuera del cono se registra. Este tiempo de flujo medido está relacionado con la llamada fluidez del material ensayado. Cuanto más largo el tiempo de flujo menor es la fluidez. El tiempo de flujo depende del fluido estudiado pero también se ve afectada por la geometría de cono (Roy y Roussel 2005).. La correlación entre el tiempo de flujo y el comportamiento reológico de las pastas de cemento está validada experimentalmente. Este método podría permitir la determinación de los dos parámetros de comportamiento de los resultados de las dos pruebas de conos Marsh diferentes.. El procedimiento consiste en cerrar la boquilla y verter una cierta cantidad de material ensayado en el cono (esta cantidad puede variar desde 0,8 hasta 1,7 L dependiendo de los autores o en la prueba estándar del país: ASTM C939-94a, EN 445 o EN12715). La altura de llenado inicial es H0. Posteriormente se abre el orificio y se pone en marcha un cronómetro y se registra el tiempo para que una cierta cantidad del material ensayado fluya. Esta cantidad es siempre una fracción de la cantidad inicial, 0,4 L por un importe inicial de 0,8 L, 1,0 L de una cantidad inicial de 1,7 L .La altura final de llenado observada es Hf (Roy y Roussel 2005). La Figura 6 muestra las notaciones principales del Cono de Marsh..

(40) 34. Capítulo 1. Figura 6: Notaciones principales del Cono de Marsh.. Las ecuaciones necesarias para resolver el problema de flujo se pueden derivar en el caso de un fluido de Bingham, que es una aproximación común y simple de un comportamiento de los materiales a base de cemento fresco. La correlación entre el tiempo de flujo y el comportamiento reológico de las pastas de cemento está validada experimentalmente.. 3.2.1 Cálculo del tiempo y la velocidad del flujo.. Varios modelos empíricos y teóricos se han utilizado para describir el comportamiento de las pastas de cemento fresco. Entre los más utilizados son los modelos de Bingham y Herschel-Bulkley, que toman en cuenta el comportamiento pseudoplástico de esas suspensiones concentradas (Tatersall 1983; P.A. Claisse 2001). Si el punto de cedencia estimado es muy pequeño, como es el caso de lechadas de cemento, de un modelo puramente viscoso, que es un caso particular de un modelo Bingham, es a menudo suficiente para describir. correctamente. el. comportamiento. fresco. de. las. lechadas. (Ramachandran y Beaudoin 2001).. En un cilindro (radio R), si se supone que los efectos de la inercia son insignificantes y la velocidad de flujo se supone que es igual a cero en la interfaz.

(41) 35. Capítulo 1. de fluido / cilindro, la ecuación de Buckingham-Reiner para un fluido de Bingham con un punto de cedencia Ki y una viscosidad plástica 𝜇𝑝 se escribe.. Q=. πAR4 8μp. 4 2K. 1 2K 4. (1- 3 (ARi ) + 3 (ARi ) ). 4.6. La Ec. (4.6) se puede escribir para las dos partes de cono, la parte cónica y la parte cilíndrica. En cada parte la Ec. (4.6) da una relación entre el gradiente de presión y el caudal.. Cuando el fluido se comporta como un fluido de Bingham el volumen V aumenta linealmente durante la primera mitad de la prueba (R. Le Roy 2003; M. Nehdi 1997). Durante esta fase el flujo a través del cilindro es constante (M. Nehdi 1997) considerado solamente la corriente que fluye en los primeros 0,7 L a 1,1 L y atribuido a esta evolución va a tener un comportamiento no lineal y va a existir un aumento en los efectos de la fricción. De hecho la fricción se mantiene igual pero el gradiente de presión, que es el motor del flujo en la parte cilíndrica, disminuye relativamente a través de la prueba cuando disminuye el nivel de líquido en la parte cónica. Las variaciones en el gradiente de presión al comienzo de la prueba son pequeñas (las pequeñas variaciones de la altura de llenado de líquido) y se hacen más fuertes al final de la prueba cuando el fenómeno acelera. Esto conduce a un débito constante durante la primera parte del experimento, lo que disminuye sólo al final del tiempo total necesario para vaciar el cono (Roy y Roussel 2005).. Pero si la velocidad de flujo se considera constante durante la primera parte de la prueba, Q puede calcularse a partir del nivel de llenado de fluido inicial. Debido a esta aproximación el tiempo de flujo es ligeramente subestimado.. 𝑉. 𝑄=𝑡. 𝑣. 4.7. El tiempo de flujo es proporcional a la viscosidad, pero el punto de cedencia tiene que ser tomado en cuenta para predecir el tiempo de flujo para un fluido dado..

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Tabla 2: Fases mineralógicas que componen el clinker de cemento Portland.

Tabla 2:

Fases mineralógicas que componen el clinker de cemento Portland. p.14
Figura 1: Ejemplos de curvas de flujo que se usan para las lechadas de cemento  para pozos de petróleo

Figura 1:

Ejemplos de curvas de flujo que se usan para las lechadas de cemento para pozos de petróleo p.32
Fig.  3  Relación  tensión/velocidad  de  cizallamiento  para  un  fluido  plástico  de  Bingham
Fig. 3 Relación tensión/velocidad de cizallamiento para un fluido plástico de Bingham p.35
Fig.  5  Relación  tensión/velocidad  de  cizallamiento  para  un fluido de  Herschel- Herschel-Bulkley con n &lt;1
Fig. 5 Relación tensión/velocidad de cizallamiento para un fluido de Herschel- Herschel-Bulkley con n &lt;1 p.36
Fig.  4  Relación  tensión/velocidad  de  cizallamiento  para  un  fluido  de  la  ley  de  potencia con el índice de la ley de potencia n
Fig. 4 Relación tensión/velocidad de cizallamiento para un fluido de la ley de potencia con el índice de la ley de potencia n p.36
Figura 6: Notaciones principales del Cono de Marsh.

Figura 6:

Notaciones principales del Cono de Marsh. p.40
Fig. 2.1 Molino de bola MB-800
Fig. 2.1 Molino de bola MB-800 p.45
Tabla 2.1: Resultados del análisis químico del yeso de la salina de Bidos.

Tabla 2.1:

Resultados del análisis químico del yeso de la salina de Bidos. p.45
Tabla 2.1.  Cantidades en unidad de masa de los componentes de la lechada  con arcilla calcinada de Pontezuela

Tabla 2.1.

Cantidades en unidad de masa de los componentes de la lechada con arcilla calcinada de Pontezuela p.46
Fig. 2.1: Mezcladora de paleta
Fig. 2.1: Mezcladora de paleta p.47
Fig. 2.2: Prensa de flexo-tracción.
Fig. 2.2: Prensa de flexo-tracción. p.49
Fig. 2.3: Cono de Marsh según la NC 461:2006
Fig. 2.3: Cono de Marsh según la NC 461:2006 p.50
Tabla  3.1.  Propiedades  reológicas  de  las  lechadas  de  cemento  con  arcilla  calcinada como aditivo extendedor

Tabla 3.1.

Propiedades reológicas de las lechadas de cemento con arcilla calcinada como aditivo extendedor p.51
Gráfico 3.1: Resistencia a compresión de las lechadas con arcilla calcinada como  aditivo extendedor

Gráfico 3.1:

Resistencia a compresión de las lechadas con arcilla calcinada como aditivo extendedor p.53

Referencias

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