MX2012013599A - Uso de una composicion de aditivo para cementar pozos de sondeo. - Google Patents

Abstract

La presente invención se relaciona al uso de una composición para reforzar cemento, que comprende uno o más compuestos seleccionados del grupo: a) cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de estroncio, cloruro de bario y cloruro de amonio; b) cloruro de aluminio; y comprende uno o más compuestos seleccionados de; c) sílice, zeolita y apatita, para cementar un pozo de perforación. Por otra parte, la presente invención se relaciona a una suspensión de cemento para cementar un pozo de perforación, que comprende I) cemento; II) agua; y III) una composición para reforzar cemento. Además, la presente invención se relaciona a un método para cementar un pozo de perforación.

Description

USO DE UNA COMPOSICIÓN DE ADITIVO PARA CEMENTAR POZOS DE SONDEO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La Patente EP 1 349 819 (que corresponde a US 7,316,744) del presente inventor divulga una composición para reforzar cemento, que contiene: a) cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de estroncio, cloruro de bario y/o cloruro de amonio; b) cloruro de aluminio; y c) sílice y/o zeolita y/o apatita. Esta referencia se incorpora en la presente en su totalidad.

La composición para reforzar cemento de acuerdo con EP 1 349 819 es comercialmente disponible de PowerCem technologies B.V. bajo los nombres comerciales registrados de PowerCem and RoadCem. En una modalidad preferida de EP 1 349 819 la composición de aditivo comprende una combinación de cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de amonio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de aluminio, sílice, óxido de magnesio, hidrógeno fosfato de magnesio, sulfato de magnesio, carbonato de sodio y cemento.

La composición para reforzar cemento, de acuerdo con EP 1 349 819, muestra excelentes desempeños en, por ejemplo, el campo de la construcción de carreteras, consolidaciones de suelo (es decir antes de la perforación en el suelo) y concreto para pasos elevados'.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El presente inventor ha descubierto una nueva composición de cementación y un nuevo uso para la composición de aditivo citada.

La presente invención se relaciona al uso de una composición de aditivo para cementar pozos de perforación. Por otra parte, la presente invención se relaciona a una suspensión de cemento para cementar un pozo de perforación, que comprende: I) cemento; II) agua; y III) una composición para reforzar cemento. Además, la presente invención se relaciona a un método para cementar un pozo de perforación.

La presente invención se relaciona al uso de una composición para reforzar cemento, que comprende: a) uno más compuestos seleccionados de cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de estroncio, cloruro de bario y cloruro de amonio; b) cloruro, de aluminio; y c) uno o más compuestos seleccionados de silice, zeolita, y apatita; para cementar un pozo de perforación .

En una modalidad de la presente invención, la composición comprende por lo menos cloruro de sodio y cloruro de calcio del grupo a) .

En una modalidad de la presente invención, la composición contiene silice y/o zeolita.

En una modalidad de la presente invención, la composición comprende de 45 a 90% en peso del compuesto o compuestos del grupo a) ; de 1 a 10% en peso del compuesto del grupo b) ; y de 1 a 10% en peso del compuesto o compuestos del grupo c) ; con base en el peso total de los grupos a + b + c.

En una modalidad de la presente invención, la composición comprende de 45 a 90% en peso del compuesto o compuestos del grupo a) ; de 1 a 10% en peso del compuesto del grupo b) ; y de 1 a 10% en peso del compuesto o compuestos del grupo c) ; con base en el peso total de la composición.

En una modalidad de la presente invención, la composición también comprende óxido de magnesio y/u óxido de calcio .

En una modalidad de la presente invención, la composición comprende cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de amonio, cloruro de aluminio, óxido de magnesio y sílice y/o zeolita.

En una modalidad de la presente invención, el grupo c) consiste de sílice.

En una modalidad de la presente invención, la composición comprende además hidrógeno fosfato de magnesio, sulfato de magnesio y/o carbonato de sodio.

Por otra parte, la presente invención se relaciona a una suspensión de cemento para cementar un pozo de perforación, que comprende: I) cemento; II) agua; y III) una composición para reforzar cemento, que comprende: a) uno o más compuestos seleccionados de cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de estroncio, cloruro de bario y cloruro de amonio; b) cloruro de aluminio; c) uno o más compuestos seleccionados de sílice, zeolita y apatita; para cementar un pozo de perforación.

Una suspensión de cemento es cemento húmedo obtenido al mezclar cemento seco y agua y opcionalmente uno o más aditivos.

Todas las modalidades descritas en lo anterior para el uso también aplican a la suspensión de cemento y método para cementar un pozo de perforación y viceversa.

En una modalidad de la suspensión de cemento, la suspensión comprende entre 50 y 85% en peso, preferiblemente entre 65 y 75% en peso de: I) cemento, y entre 20 y 40% en peso, preferiblemente entre 25 y 30% en peso de; II) agua, y entre 0.1 y 10% en peso, preferiblemente entre 1 y 3% en peso, más preferiblemente entre 1.5 y 2.5% en peso de la composición III).

Además, la presente invención se relaciona a un método para cementar un pozo de perforación, que comprende las etapas de: i) perforar un pozo de perforación; ii) introducir una sarta de entubacion en el pozo de perforación; iii) preparar una suspensión de cemento con base en una combinación de cemento y la composición para reforzar cemento, que comprende: a) uno o más compuestos seleccionados de cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de estroncio, cloruro de bario y cloruro de amonio; b) cloruro de aluminio; c) uno o más compuestos seleccionados de sílice, zeolita y apatita; para cementar un pozo de perforación; iv) bombear la suspensión de cemento en el pozo de perforación; y v) permitir que la suspensión de cemento se endurezca.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra una fotografía Microscópica Electrónica de Exploración de la suspensión de cemento endurecida de acuerdo con la presente invención que muestra una estructura cristalina nanoscópica.

La Figura 2 muestra una fotografía Microscópica Electrónica de Exploración de la suspensión de cemento endurecida de acuerdo con la técnica anterior sin la presencia del aditivo.

La Figura 3 muestra una gráfica de la deformación (en micrómetros por metro) en la ordenada (eje y) y el módulo dinámico de elasticidad o Edyn (en Mega Paséales) en la abscisa (eje x) para una muestra de acuerdo con la presente invención y una muestra de referencia.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Un uso importante del concreto o cemento en el campo petrolífero y de gas es la llamada "cementación de pozo" o la cementación de la perforación o pozo petrolífero, Para este uso se barrenan perforaciones profundas en la tierra o suelo. El interior de estas perforaciones se cubre por una capa metálica o tubo que se usa para guiar el petróleo del campo petrolífero hasta la superficie. Estas capas metálicas deben adherirse al entorno circundante (es decir suelo o roca) . A fin de obtener esta adhesión entre la capa metálica (entubado o sarta de entubacion) y los alrededores se usa frecuentemente cemento.

Los pozos de perforación se protegen y se sellan mediante cementación, es decir para cortar la penetración de agua en el pozo, para sellar el anillo después de que se ha introducido hacia abajo del pozo una sarta de entubacion (es decir una sección larga de tubo de campo petrolífero conectado) , o para taponar un pozo de perforación para abandonarlo .

La cementación se lleva a cabo usando una suspensión de cemento que se bombea en el pozo. En este método, usualmente los fluidos de perforación que están presentes dentro del pozo se reemplazan por cemento. La suspensión de cemento llena el espacio entre el entubado y el pozo de perforación actual, y se endurece para crear un sello. Esto evita que los materiales externos entren al flujo del pozo. Esta cementación también coloca la sarta de entubacion en su lugar permanentemente.

El término cemento se entiende que se refiere a un hidrato de sal que consiste de un material molido fino que, después de mezclarse con agua, forma una masa más o menos plástica, que se endurece tanto bajo el agua como en el área exterior y que es capaz de aglutinar materiales adecuados para ese propósito para formar una masa que es estable en agua. Los estándares de cemento de acuerdo con el estándar europeo NEN-EN-197-1 son como sigue: CEM I es cemento Portland; CEM II es cemento Portland compuesto; CEM III es cemento de escoria de alto horno; CEM IV es cemento puzolánico y CEM V es cemento compuesto.

El cemento húmedo (es decir suspensión de cemento) se obtiene mediante el uso de mezcladoras (por ejemplo, mezcladoras de chorro hidráulicas, mezcladoras de recirculación o mezcladoras en lotes) de agua y cemento seco y uno o más aditivos.

Para la cementación del pozo de perforación el cemento Portland se usa más frecuentemente (calibrado con aditivos a 8 diferentes clases de API) . Ejemplos de aditivos son aceleradores, que acortan el tiempo de endurecimiento requerido para el cemento, asi como también retardadores, que hacen lo opuesto y hacen que más prolongado el tiempo de endurecimiento del cemento. A fin de disminuir o incrementar la densidad del cemento, se adicionan aditivos de peso ligero y peso pesado. Los aditivos se pueden adicionar para transformar la resistencia compresiva de cemento, asi como también las propiedades de flujo y velocidades de deshidratación . Se pueden usar extendedores para expandir el cemento en un esfuerzo de reducir el costo de cementación, y se pueden adicionar aditivos antiespuma para evitar la espumación dentro del pozo. A fin de taponar las zonas de circulación pérdidas, se adicionan materiales de relleno, también.

La presente invención proporciona un aditivo muy especial para cemento que se usa para pozos de perforación.

Un método para cementación de pozo es conocido en la técnica. Después de que se ha colocado la sarta de entubación en el pozo, una cabeza de cementación se une a la parte superior de la cabeza de pozo para recibir la suspensión de las bombas. Un asi llamado tapón de fondo y tapón superior están presentes dentro del entubado y evitan el mezclado de los fluidos de perforación de la suspensión de cemento. Primero, el tapón de fondo se introduce en el pozo, y la suspensión de cemento se bombea en el pozo detrás de él, es decir dentro del entubado y todavía no entre el entubado y sus alrededores. Posteriormente la presión en el cemento que se bombea en el pozo se incrementa hasta que se rompe un diafragma dentro del tapón de fondo, permitiendo que la suspensión de cemento fluya a través de él y arriba del exterior de la sarta de entubación, es decir fuera del entubado y por consiguiente entre el entubado y sus alrededores. Después de que el volumen apropiado de cemento se bombea en el pozo, un tapón superior se bombea en el entubado empujando la suspensión restante a través del tapón de fondo. Una vez que el tapón superior alcanza el tapón de fondo, las bombas se apagan, y el cemento se deja endurecer.

Puesto que los pozos de perforación son muy profundos, el fraguado o endurecimiento en las profundidades profundas y bajo condiciones de alta temperatura y/o alta presión, y opcionalmente entornos corrosivos, existen requerimientos rigurosos para el cemento.

Algunos de los obstáculos de hoy con respecto a la cementación de pozos se plantean a continuación.

A pesar de los recientes avances tecnológicos con elastómeros, polímeros, fibras y componentes reactivos que auto-arreglan las microfisuras, el revestimiento de cemento entre la sarta de entubación y la roca circundante y/o suelo no siempre es capaz de suministrar una solución a largo plazo aceptable para el entorno de perforación demandante de hoy. Los cambios en las condiciones pozo abajo con las fluctuaciones de presión y temperatura imponen tensiones en el revestimiento de cemento en consecuencia, el encogimiento y pérdida de adhesión del revestimiento de cemento crea microgrietas muy pequeñas permitiendo la migración de fluido que es indeseable. Además de estas fuerzas externas que provocan daño al revestimiento de cemento una evaluación de revestimiento de cemento de pozo petrolífero convencional en la escala de nanoscopio de 1-100 nm revela que la unión química entre los componentes dentro del cemento mismo es relativamente frágil.

Ejemplos de los obstáculos son; i) microgrietas que se presentan debido a las fluctuaciones en la presión y/o temperatura dentro del pozo; ii) migración de gas indeseada debido al encogimiento o expansión del cemento; iii) corrosión del entubado protector, que lo cual cuesta ciento de millones y reduce la longevidad.

Existen varias demandas requeridas en el campo de cementación de pozos, es decir con respecto a la densidad, permeabilidad, encogimiento, adhesión, resistencia química, tiempo de endurecimiento, viscosidad, flexibilidad y durabilidad. Por otra parte, la temperatura en el fondo del pozo puede exceder 200°C.

Un ejemplo de criterios de productos preferidos para cemento para pozos son los siguientes: Densidad: valor <1300 kg/m3.

Permeabilidad: el material tiene que ser impermeable Encogimiento: el material no se puede encoger, se prefiere la expansión Adhesión: buena adhesión requerida con el acero Resistencia química: alta resistencia química requerida Tiempo de espesamiento: los materiales necesitan ser trabajables hasta 6 horas.

Viscosidad: preferiblemente 300 CP Flexibilidad: estiramiento de 2% sin fracturación . El cemento Portland conocido consiste de cinco compuestos principales y pocos compuestos menores. La composición de un cemento Portland típico es como sigue: 50% en peso de silicato de tricalcio (Ca3SiOs o 3CaO.Si02); 25% en peso de silicato de dicalcio (Ca2Si04 o 2CaO.Si02); 10% en peso de aluminato de tricalcio (Ca3Al406 o 3CaO.Al203) ; 10% en peso de aluminoferrita de tetracalcio (CaAl2Fe2Oio o 4CaO.Al203.Fe203) ; 5% en peso de yeso (CaS04.2H20) .

Sin que se desee ser atado a alguna teoría específica, los resultados experimentales indican que los componentes que están presentes en la composición para reforzar el cemento usado en la presente solicitud forman estructuras cristalinas cuando se adicionan al material de cemento lo cual las estructuras cristalinas se unen bien y se distribuyen homogéneamente, entre las partículas de cemento, y en consecuencia unen las partículas de cemento. Esto es claramente visible en la Figura 1. La Figura 1 muestra una fotografía Microscópica Electrónica de Exploración de la suspensión de cemento endurecida de acuerdo con la presente invención que muestra una estructura cristalina nanoscópica. Se ha preparado una mezcla de cemento y se ha dejado endurecer. Las muestras de este cemento endurecido se prepararon y midieron usando SEM por the Nanolab of the Radboud University Nijmegen.

El cemento endurecido que se prepara sin este aglutinante o con aglutinantes conocidos tiene una estructura relativamente abierta cuando se observa en una escala microscópica, con aglomeraciones cristalinas que no se distribuyen homogéneamente. Esto es claramente visible en la Figura 2. En consecuencia, la interacción entre las aglomeraciones cristalinas y también entre las partículas de cemento y las aglomeraciones cristalinas es deficiente.

Los compuestos cristalinos que se forman por este aditivo (y que se muestran en la Figura 1) se distribuyen sorprendentemente de manera homogénea y pueden estar en la forma de estructuras aciculares (es decir similar a agujas) . La distribución homogénea de las estructuras cristalinas da por resultado una resistencia y estabilidad óptimas. El agua en el cemento se une en, y a, las estructuras cristalinas. En consecuencia, no existen concentraciones locales de agua, y por lo tanto se evita la formación de puntos débiles potenciales. Las estructuras cristalinas comprenden, ínter alia, compuestos de zeolita y/o apatita. Las zeolitas son un grupo extenso de cristales de silicato de, inter alia, aluminosilicatos de metal alcalino hidratado y metal alcalinotérreo . Las apatitas pertenecen al grupo de halofosfatos de estroncio, bario o calcio, el ión de halógeno es usualmente un cloruro o fluoruro, pero el cual también se puede sustituir por un grupo hidroxilo. La formación de estas estructuras es una de las razones de porque los compuestos de silicio, aluminio y/o fosfato se adicionan a la composición.

Sin que se desee ser limitado a una teoría, se observa lo siguiente. Cuando el agua se adiciona al cemento, cada uno de los compuestos se somete a la hidratación y contribuye al producto final. Solo los silicatos de calcio contribuyen a la resistencia. El silicato de tricalcio es responsable por la mayoría de resistencia temprana durante los primeros 7 días. El silicato de dicalcio, que reacciona más lentamente, contribuye solo a la resistencia en tiempos posteriores. En la adición de agua, el silicato de tricalcio reacciona rápidamente para liberar iones de calcio, iones de hidróxido y una gran cantidad de calor. El pH se eleva rápidamente a más de 12 debido a la liberación de iones de hidróxido alcalino (OH-) . Esta hidrólisis inicial se desacelera rápidamente con una disminución correspondiente en el calor.

La reacción continúa lentamente produciendo iones de calcio e hidróxido hasta que el sistema se satura. Una vez que esto ocurre, el hidróxido de calcio comienza a cristalizarse. Simultáneamente, comienza a formarse hidrato de silicato de calcio. Los iones se precipitan fuera de la solución acelerando la reacción del silicato de tricalcio a iones de calcio e hidróxido, también llamado principio de LE Chatelier. La evolución de calor posteriormente se incrementa notablemente otra vez.

La formación de los cristales de hidrato de hidróxido de calcio y silicato de calcio proporcionan "semillas" en las cuales se pueden formas más hidrato de silicato de calcio. Los cristales de hidrato de silicato de calcio se desarrollan más gruesos lo cual los hace más difíciles para las moléculas de agua alcanzar el silicato de tricalcio de anhidrato. La velocidad de la reacción se controla por la velocidad en la cual las moléculas de agua se difunden a través del recubrimiento de hidrato de silicato de calcio. Este recubrimiento se espesa a través del tiempo provocando que la producción de hidrato de silicato de calcio sea más lenta. La mayoría de espacio se rellena con hidrato de silicato de calcio, lo que no se rellena con el hidrato endurecido es principalmente solución de hidróxido de calcio. La hidratación continuará siempre y cuando el agua esté presente y existan aún compuestos de anhidrato en la pasta de cemento .

El silicato de dicalcio también afecta la resistencia del concreto a través de su hidratación. El silicato de dicalcio reacciona con agua en una manera similar como silicato de tricalcio, pero mucho más lentamente. El calor liberado es menor que aquel por la hidratación del silicato de tricalcio debido a que el silicato de dicalcio es mucho menos reactivo. Los otros componentes principales del cemento Portland, aluminato de tricalcio y aluminoferrita de tricalcio también reaccionan con agua. El calor se evoluciona con la hidratación de cemento. Esto es debido al rompimiento y fabricación de enlaces químicos durante la hidratación.

La resistencia de los productos de unión de cemento es muy dependiente de la reacción de hidratación recientemente planteada. El agua desempeña una función crítica, particularmente la cantidad usada. La resistencia de producto se incrementa, cuando una cantidad menor de agua se usa. La reacción de hidratación misma consume una cantidad específica de agua. El espacio vacío (porosidad) se determina por la relación de agua a cemento. La relación de agua a cemento también es llamada el factor de agua a cemento (abreviado por wcf) que es la relación del peso del agua al peso de cemento usado en la suspensión. El wcf tiene una influencia importante en la calidad del cemento producido.

La baja relación de agua a cemento conduce a una alta resistencia pero baja capacidad de trabajo. La alta relación de agua a cemento conduce a baja resistencia, per buena capacidad de trabajo. El tiempo también es un factor importante en la determinación de la resistencia del producto. El producto se endurece conforme el tiempo pasa.

Las reacciones de hidratación se vuelven más y más lentas conforme se forma el hidrato del silicato de tricalcio. Toma una gran cantidad de tiempo de hasta varios años para que todas las uniones se formen, lo cual determina eventualmente la resistencia del producto para la vida del pozo.

Cuando la composición de acuerdo con la presente invención se usa como aditivo, la humedad sigue siendo necesaria para la hidratación y endurecimiento. Los cinco compuestos principales del proceso de hidratación del cemento aun siguen siendo los productos de hidratación más importantes pero los productos menores de hidratación probablemente cambien. Adicionalmente, la velocidad en la cual se presentan las reacciones de hidratación importantes y la distribución relativa de los productos de hidratación cambia como resultado de la adición de la presente composición inventiva. Además, la cristalización del hidróxido de calcio se presente por consiguiente en diferentes velocidades y se presenta la reducción de generación de calor de las reacciones de hidratación. Existen más cristales formados durante las reacciones y la matriz cristalina relevante es mucho más extensiva.

Al adicionar la presente composición, el agua cambia químicamente en la esfera, carga eléctrica, tensión superficial y alcanza un equilibrio químico/físico en la matriz. Este proceso complejo depende de tipo y masa de los materiales implicados en la suspensión de cemento. Similar a los procesos químicos los aspectos físicos son partes del proceso de equilibrio en la matriz cuando la cantidad de agua, atrapada como agua libre se reduce y los cristales se desarrollan en el espacio hueco vacío. Esto hace el producto menos permeable al agua y más resistente a todos los tipos de ataques que son ya sea dependientes de agua o afectados por agua. Una fracción más grande del agua se convierte a agua cristalina que es el caso con las reacciones en la ausencia de la presente composición inventiva. La porosidad reducida y la matriz estructural cristalina incrementada incrementan la resistencia compresiva, flexural y de rompimiento del producto y cambian la relación relativa entre estas resistencias .

Como en lo anterior, la resistencia del producto se incrementa cuando se usa menos agua para ser un producto. La reacción de hidratación misma ahora tiene a consumir una diferente cantidad de agua. Cuando la presente composición inventiva se mezcla con cemento de pozo petrolífero también es posible usar agua de sal y lograr un buen resultado final.

El espacio vacío (porosidad) aun se determinar por la relación de agua a cemento pero se afecta a un grado menor como resultado de la velocidad incrementada y grado del proceso de cristalización.

El proceso de cristalización prolongado cambia significativamente con la presente composición inventiva. La presente composición inventiva provoca un equilibrio fisicoquímico en la suspensión de cemento de pozo petrolífero con base en la sinergia entre el porcentaje de agua y el cemento de pozo petrolífero Clase G API. Esto es seguido por cambios en las propiedades químicas y físicas de la suspensión de cemento, primero de hidrofílico después en hidrofílico. Como resultado, se forman enlaces de hidrógeno potentes que hacen una contribución significativa a las fuerzas de unión. Los cambios de mecanismo de unión de "pegamento" a "envoltura" y la suspensión de cemento muestran una estructura cristalina que es capaz de bloquear parcialmente los poros capilares. Debido a que esta estructura similar a fibra, se vuelve flexible y evita que se presente el microagrietamiento .

La investigación adicional indicó que solo parte de la presente composición se implica en la reacción química. L parte restante se almacena en la estructura de poro y permanece activa, aún después de 90 días, siendo aún capaz de reaccionar activamente dentro de la matriz que contiene silicato. Durante este período la composición activa restante de la invención participa subsecuentemente en la formación continuada de una estructura cristalina, mejorando la durabilidad.

Pruebas de laboratorio independientes han indicado propiedades especiales que no se podrían atribuir al cemento convencional. Las propiedades especiales son valores de fatiga mejorados, resistencia compresiva más alta, durabilidad química y aún resistencia al fuego. El proceso continúa por hasta 180 días, mejorando en consecuencia las propiedades físicas hasta que la matriz se sature completamente con la estructura cristalina durable (Figura 1) y (Fotografía tomada por Nanolab Radboud Uniersity of Nijmegen) .

La resistencia compresiva de cemento endurecido es una indicación de la resistencia del cemento a la falla en la compresión. El cemento debe ser suficientemente resistente para soportar el entubado en el agujero, soporta los choques de barrenación y perforación, y soporta alta presión hidráulica sin fracturación. La prueba de resistencia compresiva determina la resistencia del cemento endurecido bajo condiciones pozo abajo. Esta propiedad se mide en libras por pulgada cuadrada (psi) . La resistencia a la compresión del cemento convencional disminuye en el tiempo con un incremento en la permeabilidad. Esto no se observa con un cemento obtenido por la suspensión de cemento de la presente invención .

Un cemento de baja densidad se prefiere particularmente por ser capaz de bombear la suspensión de cemento, especialmente a temperaturas más altas. La composición de aditivo disminuye la densidad de la suspensión de cemento, lo cual es una ventaja. Por otra parte, la presente invención mejora la unión con agua, que es una ventaja sobre el cemento de pozo petrolífero tradicional. El proceso de cristalización da por resultado actualmente una expansión del cemento puesto que obtiene un mayor volumen con la misma masa.

Con respecto a la permeabilidad, se puede observar que la suspensión de cemento cuando se mezcla con la presente composición obtiene, después del curado, una mayor densidad debido a la cristalización del agua. Con base en el hecho de que el contenido de agua en la suspensión se une mucho mejor en la matriz de cristal modificada que se obtiene debido a la presencia de la presente composición. A través del tiempo la parte restante de la presente composición se almacena en la estructura de poro y es aún después de meses aún capaz de reaccionar activamente dentro de la matriz. Esto da por resultado una reducción en las fuerzas capilares mientras que la estructura cristalina mantiene su crecimiento. La presencia de las nanoestructuras (es decir matriz de cristal modificada) mediante el uso de la presente composición también se ha observado que conduce a mayores valores de resistencia química (es decir los químicos que en los suelos no están dañando el cemento) , y a un encogimiento reducido durante el proceso de expansión.

El proceso de cristalización del recubrimiento de cemento a una escala de 1-100 nanómetros muestra que los elementos se reticulan y crean estructuras cristalinas de aguja largas que interconectan, bloquean los poros capilares, y mejoran las dinámicas y química del proceso de hidratación del cemento. Como resultado, la estructura molecular cambia con puentes de hidrógeno en una posición fija, estable. Es importante reconocer que las propiedades mecánicas de un material unido de cemento se determinan durante las primeras horas de la unión y durante las primeras 48 horas de la etapa de endurecimiento. En consecuencia, si una modificación del proceso de hidratación del cemento se requiere para mejorar el comportamiento de resistencia estructural, mecánica y química del revestimiento de cemento, tiene que llevarse a cabo dentro de 72 horas.

Lo anterior es un contraste agudo con las suspensiones de cemento de pozo petrolífero convencional que aun depende de la matriz de hidrato de silicato de calcio (C-S-H) y el proceso de hidratación de cemento donde se llevan a cabo solamente pocas reacciones químicas.

Para evitar el encogimiento excesivo de cemento, es importante diseñar una suspensión de cemento que sea capaz de absorber fuerzas de tracción y tensión. El inventor ha tenido éxito en esto al usar la presente composición.

Como se plantea en lo anterior, se requiere una buena unión al acero. El presente invención ha mejorado la unión incrementada a un entubado de acero usando la composición de acuerdo con la presente invención. Sin que se desee ser limitado a una teoría, se propone que esto sea debido al efecto de que los cristales se dejen desarrollar bajo circunstancias normales de por ejemplo temperatura en la formación (debido a la humedad disponible en la formación) .

Una ventaja adicional de la composición usada en la presente invención es que es fácil de manejar y se puede proporcionar en bolsas listas para mezclar.

Una ventaja adicional de la presente composición es que permite que más humedad se mezcle en la suspensión de cemento que con el cemento tradicional que asegura una viscosidad más alta. La presente composición afecta la viscosidad del material unido de cemento. El cemento normal muestra una menor viscosidad y por lo tanto tiene más carácter. Con la presente composición se logrará una mayor viscosidad lo cual da por resultado un comportamiento flexural más alto.

Cuando la composición de la presente invención se usa en el cemento de pozos, es posible adicionar material cohesivo fino a la suspensión de cemento. El uso de la presente composición puede incrementar la flexibilidad por hasta por ejemplo 2000 mm/m comparado con un cemento normal que tiene un valor de solamente 150 mm/m. Una persona experta en la técnica puede diseñar a la medida la suspensión a fin de optimizar la flexibilidad y rigidez.

El presente solicitante ha llevado a cabo las siguientes pruebas en un laboratorio: absorción de energía, flexibilidad, resistencia a la tensión y resistencia compresiva. Los resultados se proporcionan a continuación.

La Figura 3 muestra la flexibilidad después de 24 horas de endurecimiento. La Figura 3 muestra una gráfica de la deformación (en micrometros por metro) en la ordenada (eje y) y el módulo dinámico de elasticidad o Edyn (en Mega Pascales) en la abscisa (eje x) para una muestra de acuerdo con la presente invención y una muestra de referencia. Una muestra de referencia que comprende solamente cemento y agua (cemento Dyckerhoff) se muestra en color gris oscuro y una muestra de acuerdo con la presente invención que comprende cemento, agua y la presente composición (Eellceml) (PowerCem of Powercem techonologies B.V.) se muestra en un color gris claro. Es claramente visible que la reacción del módulo dinámico de elasticidad a deformación (Edyn*deformación ) es mucho más alta para la suspensión de acuerdo con la presente invención (es decir 1.74xl06) que aquella para la suspensión de referencia (1.3xl06).

La Tabla 1 a continuación muestra la constitución de cemento de referencia y la suspensión de acuerdo con la presente invención.

Tabla 1: Los componentes de la composición de aditivo se exponen en la Tabla 2: Si02 amorfo (5-40 m) 1.1 El xf (factor de agua-cemento o relación de agua-cemento) para la suspensión de acuerdo con la presente invención es 0.38. Este wcf es la relación del peso del agua al peso del cemento usado en la suspensión y tiene una influencia importante en la calidad del cemento producido. Los resultados de prueba después de 24 horas se proporcionan a continuación en la Tabla 3.

Tabla 3: El resultado de esta investigación comparativa muestra mayores diferencias entre las muestras del cemento Clase G API y Clase G API nano-diseñado (es decir la suspensión de acuerdo con la invención) . Los datos de prueba muestran mayores fuerzas de flexión del cemento de pozo petrolífero nano-mejorado así como también valores significativamente más potentes para la resistencia compresiva .

Se puede concluir que la adición de la presente composición a una suspensión de cemento para cementación de pozos proporciona un mayor módulo Elástico Dinámico (Edyn) (medido de acuerdo con ASTM E1875 - 08) y una mayor flexibilidad (Edyn/deformación al rompimiento) . De esta manera, existe menos probabilidad de la formación de grietas en términos tanto cortos como largos. Por otra parte, la resistencia a la compresión y la resistencia al rompimiento se incrementan con el uso de la presente composición asi como también la resistencia química, viscosidad y permeabilidad después del endurecimiento.

Las pruebas de propiedades mecánicas del cemento de pozo petrolífero recientemente creado muestran un cambio fundamental en la estructura molecular. La creación de una estructura de fibra mineral cristalina densa teje herméticamente los materiales conjuntamente. El resultado en la introducción de la ductilidad significativa y la resistencia a la tensión se incrementa, reduciendo de esta manera grandemente el agrietamiento y bloqueo de los poros capilares del recubrimiento de cemento. La presente invención se explica adicionalmente en las reivindicaciones adjuntas.

Aunque esta invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencias a las modalidades preferidas de la misma, se entenderá por aquellos expertos en la técnica que varios cambios en la forma y detalles se pueden hacer en la misma sin apartarse del alcance de la invención abarcada por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Uso de una composición para reforzar cemento, caracterizado porque comprende: uno o más compuestos seleccionados del grupo: a) cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de estroncio, cloruro de bario y cloruro de amonio; b) cloruro de aluminio; y comprende uno o más compuestos seleccionados de c) sílice, zeolita, y apatita para cementar un pozo de perforación.

2. Uso de una composición de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque en la composición los compuestos del grupo a) contiene por lo menos cloruro de sodio y cloruro de calcio.

3. Uso de una composición de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la composición comprende 45 a 90% en peso del grupo a); de 1 a 10% en peso del grupo b) ; y de 1 a 10% de los componentes del grupo c) ; con base en el peso total de los grupos a + b + c.

4. Uso de una composición de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la composición también contiene óxido de magnesio y/u óxido de calcio.

5. Uso de una composición de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la composición contiene cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de amonio, cloruro de aluminio, óxido de magnesio y sílice y/o zeolita .

6. Uso de una composición de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el grupo c) consiste de sílice.

7. Uso de una composición de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la composición comprende hidrógeno fosfato de magnesio, sulfato de magnesio y/o carbonato de sodio.

8. Suspensión de cemento para cementar un pozo de perforación, la suspensión de cemento caracterizada porque comprende: I) cemento; II) agua; y III) una composición para reforzar cemento, que comprende uno o más compuestos seleccionados del grupo: a) cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de estroncio, cloruro de bario y cloruro de amonio; b) cloruro de aluminio; y comprende uno o más compuestos seleccionados de; c) sílice, zeolita y apatita.

9. La suspensión de cemento para cementar un pozo de perforación de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque comprende entre 50 y 85% en peso, preferiblemente entre 65 y 75% en peso de I) cemento, y entre 20 y 40% en peso, preferiblemente entre 25 y 30% en peso de II) agua, y entre 0.1 y 10% en peso, preferiblemente entre 1 y 3% en peso, más preferiblemente entre 1.5 y 2.5% en peso de la composición III) .

10. Método para cementar un pozo de perforación, caracterizado porque comprende las etapas de: i) perforar un pozo de perforación; ii) introducir una sarta de entubación en el pozo de perforación; iii) preparar una suspensión de cemento con base en una combinación de cemento y la composición para reforzar cemento, que comprende uno o más compuestos seleccionados del grupo: a) cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, cloruro de calcio, cloruro de estroncio, cloruro de bario y cloruro de amonio; b) cloruro de aluminio; y comprende uno o más compuestos seleccionados de; c) sílice, zeolita y apatita; iv) bombear la suspensión de cemento en el pozo de perforación; y v) permitir que la suspensión de cemento se endurezca.