MXPA01005664A - Composiciones de cementacion y aplicacion de tales composiciones para cementar pozos petroleros o similares - Google Patents

Abstract

La presente invención proporciona composiciones de cementación para pozos petroleros o similares que comprenden un aglutinante hidráulico y partículas de refuerzo constituidas por un material flexible de baja compresibilidad, y con un tamaño de grano promedio de menos de 500 um. Las composiciones de la invención son particularmente ventajosas cuando se cementan zonas que están sometidas a tensiones dinámicas extremas, tales como zonas de perforación y uniones de pozos laterales con multi-ramificaciones. También son altamente adecuadas para producir obturadores.

Description

COMPOSICIONES DE CEMENTACIÓN Y APLICACIÓN DE TALES COMPOSICIONES PARA CEMENTAR POZOS PETROLEROS O SIMILARES La presente invención está relacionada con técnicas para - perforar pozos petroleros, de gas, de agua, o geotérmicos o similares. Más precisamente, la invención está relacionada con composiciones de cementación que son particularmente adecuadas para cementar zonas que están sujetas a tensiones dinámicas extremas. En general, un pozo que tiene un poco más de cientos de metros de profundidad se recubre, y el espacio anular entre la formación subterránea y el recubrimiento es cementado en toda o parte de su profundidad. La cementación esencialmente evita el intercambio de fluido entre las diferentes capas de formación que atraviesa el orificio y controla el ingreso de fluidos en el pozo, y en particular, limita el ingreso de agua. En zonas de producción, el recubrimiento -y el cemento y la formación- es perforado sobre una altura de varios centímetros. El cemento colocado en el espacio anular de un pozo petrolero está sujeto a un número de tensiones en toda la vida del pozo. La presión dentro de un recubrimiento puede incrementar o disminuir debido a que el fluido que lo rellena puede cambiar o debido a que se aplica presión suplemental al pozo, por ejemplo, cuando el fluido de perforado es reemplazado por un fluido de terminación, o durante una operación de estimulación. Un cambio de temperatura también crea tensiones en el cemento, por lo menos durante el período de transición que precede del equilibrio de temperatura entre el acero y el cemento. En la mayoría de los casos anteriores, el caso de tensión es suficientemente lento para que pueda ser tratado como un caso estático. Sin embargo, el cemento está sujeto a otras tensiones que son dinámicas en naturaleza, ya sea debido a que se producen en un período de tiempo muy corto o porque tienen una naturaleza periódica o repetitiva. Las perforaciones crean una sobre-presión de varios cientos de bares dentro del pozo que se disipa en la forma de una onda de choque. Además, las perforaciones crean una choque cuando el proyectil penetra el cemento y ese choque somete la zona que rodea el orificio a grandes fuerzas por una profundidad de varios metros . Otro caso que ahora es rutinario en las operaciones de pozos petroleros y que crea tensiones dinámicas en el cemento, es la abertura de una ventana en un recubrimiento que ya está cementado para crear un pozo lateral de multi-ramificaciones . La laminación del acero por una profundidad de varios metros seguido por la perforación de un pozo lateral somete el cemento a choques y vibraciones que frecuentemente lo dañan irreparablemente.

La presente invención busca proporcionar formulaciones novedosas, en particular para regiones de cementación de pozos petroleros o similares que están sujetos a tensiones dinámicas extremas . En un artículo presentado en la conferencia técnica anual de la SPE (Sociedad de Ingenieros Petroleros) y la exhibición de 1997, Marc Thiercelin et al. (SPE 38598, 5-8 octubre de 1997) y la solicitud de patente francesa FR-A-97 11821 del 23 de septiembre de 1997, demostraron que el riesgo de ruptura de un manguito de cemento depende de las propiedades termoelásticas del recubrimiento, el cemento y la formación que rodea el pozo. Un análisis detallado de los mecanismos que llevan a la ruptura del manguito de cemento ha demostrado que el riesgo de ruptura de un manguito de cemento después del incremento de presión y/o temperatura en el pozo está directamente unido a la resistencia de la tensión del cemento y es atenuada cuando la relación entre la resistencia de la tensión R del cemento y su módulo Young E se incrementa . Se sabe que el módulo Young caracteriza la flexibilidad de un material. Para incrementar la relación Rt/E, es ventajoso seleccionar materiales con un módulo Young bajo, en otras palabras seleccionar materiales muy flexibles. Un medio conocido para incrementar la flexibilidad de un cemento endurecido es reducir la densidad de la mezcla extendiéndola con agua. Sin embargo, esto lleva a una degradación en la estabilidad de la mezcla, en particular con la separación de las fases sólida y líquida. Tales fenómenos pueden, por supuesto, controlarse en parte adicionando materiales tales como silicato de sodio, pero la permeabilidad del cemento endurecido es sin embargo muy alto, lo cual significa que no puede cumplir con su función principal de aislar la zona para evitar la migración de fluido, o por lo menos no puede garantizar su aislamiento a largo plazo. Además, los cementos aligerados tienen una resistencia más baja, en particular una resistencia al choque menor que constituye una desventaja clara para los cementos que pretenden utilizarse en zonas que están sujetas a tensiones mecánicas extremas tales como zonas de perforación. En el campo de la construcción, la incorporación de partículas de caucho en un concreto se conoce que da como resultado mejor resiliencia, durabilidad y elasticidad (véase, por ejemplo, A. B. Sinouci, Rubber-Tire Particles as Concrete Aggregate, Journal of Materials in Civil Engineering, 5, 4, 478-497 (1993)]. Los concretos que incluyen partículas de caucho en su formulación pueden utilizarse, por ejemplo, en la construcción de carreteras para absorber choques, en -paredes anti-ruido como aislamiento al ruido y también en la construcción de edificios para absorber ondas sísmicas durante terremotos. En tales aplicaciones, se mejoran en particular las propiedades mecánicas . En el campo de la cementación de pozos petroleros, también se sabe [Well Cementing 1990, E. B. Nelson, Schlumberger Educational Services] que la adición de partículas de caucho triturado (tamaño de grano en el rango de 4-20 malla) puede mejorar la resistencia de impacto y la resistencia al doblez. Tal mejora en las propiedades mecánicas también se ha indicado en las patentes rusas SU-1384724 y SU-1323699. Más recientemente, La Patente Norteamericana US-A-5 779 787 ha propuesto que el uso de partículas derivadas de neumáticos de automóviles reciclados con un tamaño de grano en el rango de 10/20 ó 20/30 malla, para mejorar las propiedades mecánicas de los cementos endurecidos, y en particular para mejorar su elasticidad y ductilidad. La presente invención busca proporcionar cementos para pozos petroleros reforzados con partículas flexibles, de baja compresibilidad, con baja densidad y con un tamaño promedio que no exceda las 500 µm. El término "partículas flexibles" significa partículas hechas de un material que tiene el módulo Young de menos de 5000 MPa, de preferencia menos de 3000 MPa, más preferiblemente menos de 2000 MPa. La elasticidad de los materiales seleccionados para estas partículas flexibles es de este modo por lo menos cuatro veces mayor que aquellas del cemento y más de trece veces que aquellas del sílice usualmente utilizado como un aditivo en los cementos de pozos petroleros . Las partículas flexibles adicionadas a las composiciones de cementación de la invención también son sorprendentes debido a su baja compresibilidad y están caracterizadas por una relación Poisson de más de 0.3. Para poder aligerar la mezcla, también es importante que la densidad de las partículas flexibles sea menor de 1.5 g/cm3, de preferencia menos de 1.2 g/cm , más preferiblemente menos de 1 g/cm3. De preferencia, esta baja densidad es intrínseca en la elección de los materiales constituyentes y no por el golpe de las partículas huecas o de alta porosidad. Preferentemente, una vez más, se utilizan materiales de baja porosidad. Además, las partículas deben de ser insolubles en un medio acuoso que puede ser salino, y deben ser capaces de resistir un medio básico caliente, ya que el pH de una mezcla de cementación está generalmente cerca de los 13 y la temperatura en un pozo rutinariamente sobrepasa los 100 °C. Con respecto al tamaño de partículas, se prefieren esencialmente partículas- isotrópicas. Las partículas esféricas o casi esféricas pueden sintetizarse directamente, pero usualmente, las partículas se obtienen por trituración, en particular, crio-trituración. El tamaño de partícula promedio está generalmente en el rango de 80 µm a 500 µm, preferiblemente en el rango de 100 µm a 400 µm. Las partículas que son demasiado finas, o por otro lado demasiado gruesas, son difíciles de incorporar en la mezcla o dan como resultado mezclas pastosas que son inadecuadas para utilizarse en pozos petroleros. Ejemplos particulares de materiales que satisfacen los diferentes criterios citados anteriormente son termoplásticos (poliamida, polipropileno, polietileno, ... ) u otros polímeros tales como estireno divinilbenceno o estireno butadieno (SBR) . Los productos reciclados generalmente no se prefieren debido a la variabilidad en las fuentes de suministro y en las propiedades fisico-químicas . - Además de las partículas flexibles de la invención, las composiciones de cementación de la invención comprenden un aglutinante hidráulico, en general basado en cemento Portland y agua. Dependiendo de las especificaciones con respecto a las condiciones de uso, las composiciones de cementación también pueden optimizarse adicionando aditivos comunes a la mayoría de las composiciones de cementación, tales como agentes de suspensión, agentes dispersantes, agente anti-espumantes, agentes de expansión (por ejemplo óxido de magnesio), partículas finas, agentes de control de pérdida de fluidos, agentes de control de migración de gas, retardadores o aceleradores de fraguado. De este modo, los sistemas son ya sea de un tipo bimodal, la fracción sólida de la mezcla está constituida por una mezcla de cemento y partículas flexibles, o pueden comprender tres (trimodal) o más tipos de constituyentes sólidos, la mezcla sólida comprende partículas micrónicas finas y posiblemente partículas submicrónicas además del cemento y las partículas flexibles . El volumen de las partículas flexibles representa entre el 5% y el 40% del volumen total de la mezcla de cementación, de preferencia entre 10% y 35%, y preferiblemente una vez más, entre 15% y 30% del volumen de la mezcla total. Las formulaciones de la invención de preferencia se basan en cementos Portland de las clases A, B, C, G, y H como se define en la Sección 10 de las normas del American Petroleum Institute's (API) Los cementos Portland de clase G y H se prefieren particularmente, pero otros cementos que son conocidos en esta técnica también se pueden utilizar para provecho. Para aplicaciones de baja temperatura, se pueden utilizar cementos aluminosos y mezclas de Portland/yeso (por ejemplo, pozos de aguas profundas,) o mezclas de cemento/sílice (por ejemplo, para pozos donde la temperatura excede los 120°C, ) . El agua utilizada para constituir la mezcla de preferencia es agua con un bajo contenido mineral, tal como agua corriente. Otros tipos de agua, tal como agua de mar, pueden posiblemente utilizarse pero esto generalmente no se prefiere. Estas partículas con baja densidad con respecto al cemento pueden reducir la densidad de la mezcla y dar como resultado una mejor resistencia al impacto y una permeabilidad más baja. También afecta la flexibilidad del sistema, ya que la adición de partículas flexibles produce cementos con un módulo Young más bajo. Las composiciones que comprenden partículas flexibles de la invención tienen propiedades mecánicas sorprendentes que las hacen particularmente adecuadas para la cementación en áreas de pozos petroleros que están sujetos a tensiones extremas, tal como zonas de perforación, uniones para ramificaciones de un pozo lateral o formación de obturadores . La presente invención se ilustra más adelante en los siguientes ejemplos.

EJEMPLO 1 : Formulaciones para mezclas de cemento con partículas de estireno d inilbenseno . En este ejemplo, se probaron las partículas de estireno divinilbenceno (STDVB) con un tamaño de grano en el rango de 45-100 malla (355 µm-150 µm) .

Las mezclas de cemento estaban compuestas de cemento de clase G Portland Dyckerhoff North, partículas de estireno divinilbenceno, agua, un agente dispersante y un retardante. Las formulaciones y las propiedades de la mezcla de cemento se dan en las Tablas 1 a 3; todos fueron optimizados a la misma temperatura (76.7°C - 170°F); se seleccionaron dos densidades de mezcla de cemento p (1.677 g/cm3 - 14 ppg y 1.431 g/cm3 - 12 ppg) . El agente dispersando fue un sulfonato de polinaftaleno; el retardante fue un lignosulfonato .

TABLA 1 : Formulaciones para la mezclas de cemento con partículas de STDVB bwoc es la abreviación de "por peso de cemento"; %vol corresponde al volumen de partículas flexibles en la mezcla (fases acuosas y sólidas); gps es la abreviación de "galones por saco", principalmente 3.78541 litros por saco de 42.637 kilogramos (kg) • de cemento, en otras palabras, 1 gps = 0.0888 litros (1) de aditivo por kg de cemento Portland.

La reología de la mezcla de cemento y el agua libre fueron medidos utilizando el procedimiento recomendado en API 10 (Instituto del Petróleo Americano) . Se midió a temperatura de laboratorio la reología, inmediatamente después de la mezcla y después de 20 minutos de acondicionamiento a la temperatura. Los resultados se muestran en la Tabla 2. La reología de una mezcla está caracterizada por su viscosidad plástica PV (en cP o mPa.s), el factor de conversión es igual a l) y el punto de producción o Ty (en lbp/100pies2, conversión a Pascales siendo obtenida por la multiplicación de 0.478803), suponiendo que la mezcla es un fluido Bingaham.

Tabla 2: Reologia de agua libre para los sistemas con particulas STDVB El desarrollo de la resistencia compresiva durante el fraguado del cemento se evaluó mediante mediciones UCA (Analizador de Cemento Ultrasónico) . Estas medidas permitieron que se determinara el tiempo de fraguado requerido para producir una resistencia dada (0.34 MPa - 50 psi y 3.4 MPa = 500 psi) y la resistencia compresiva Rt obtenida después de un tiempo dado (72 horas) a una presión de 3000 psi (20.7 MPa) .

TABLA 3: Tiempo de fraguado y UCA a T = 76.6°C para sistemas con partículas STDVB EJEMPLO 2 : Formulaciones para mezclas de cemento con partículas de poliamida Las mezclas de cemento estaban principalmente compuestas de cemento clase G Portland Dyckerhoff North, partículas de poliamida, agua, un agente dispersante, un retardante y un agente anti-espumante . Se probaron diferentes poliamidas: Nylon 6, Nylon 12 y poliamida 11, cuyas características principales se muestran en la Tabla .

TABLA 4: Características de las poliamidas de prueba Las formulaciones y propiedades de la mezcla de cemento se muestran en las Tablas 5 a 9. Todas se formularon a la misma temperatura (76.7°C - 170°F), la misma densidad de mezcla (14 ppg), y se estudiaron diferentes tamaños de grano. Se utilizó como el agente dispersante sulfonato de polinaftaleno; el retardante fue un lignosulfonato . Las partículas finas utilizadas para la prueba B2 fue ceniza volante filtrada, una descripción detallada de la cual se da en la patente francesa FR-A-96 1176. El óxido de magnesio adicionado para la prueba B5 actuó como un agente de expansión .

TABLA 5 : Mezcla de cemento con partículas de poliamida lista de formulaciones .

Se deberá motar que no fue posible preparar una mezcla con la fuente 2 por sí sola, ya que la mezcla era demasiado viscosa aún con una baja concentración de partículas de refuerzo.

TABLA 6 : Formulaciones para mezclas de cemento con partículas de poliamida TABLA 7 : Formulación para mezcla de cemento con partículas de poliamida y un agente de expansión TABLA 8 : Reología y agua libre para sistemas con partículas de poliamida TABLA 9: Tiempo de fraguado y UCA a 76.7°C (170°F) para sistemas con partículas de poliamida EJEMPLO 3 : Formulaciones para mezclas de cemento con partículas de polipropileno Las mezclas de cemento estaban compuestas de cemento de clase G Portland Dyckerhoff North, partículas de polipropileno, agua, un agente dispersante^ un retardante y un agente anti-espumante . El polipropileno utilizado en este Ejemplo fue producido por ICO Polymer bajo la marca registrada ICORENE 9013P. Su densidad fue de 0.905 g/cm3. Su especificación de tamaño de grano inicial fue tal que cuando mucho 5% de sus partículas tenían un tamaño de más de 800 µm, 30% un tamaño de más de 500 µm y menos de 5% de- las partículas un tamaño de menos de 200 µm. Para estas pruebas, las partículas también se colaron en 300 µm. El polipropileno de Solvay, con la marca, registrada ELTEX P HV001PF, también se probó pero se encontró ser difícil de mezclar y optimizar, en particular para los sistemas bimodales. Esto puede explicarse por su especificación de tamaño de grano tan grueso, ya que se encontraba en el rango de 30 µm - 1500 µm; este efecto fue reforzado por la baja densidad del polipropileno. Las formulaciones y propiedades de la mezcla de cemento se muestran en las Tablas 10 a 12; fueron todas optimizadas a la misma temperatura (76.7°C - 170°F) , y se seleccionó una sola densidad de mezcla de cemento (14 ppg) . El agente dispersante utilizado fue sulfonato de polinaftaleno; el retardante fue un lignosulfonato . La formulación 1 estaba compuesta de una mezcla bimodal (cemento + partículas de polipropileno) ; la formulación 2 fue una mezcla trimodal (cemento + partículas de_ polipropileno + partículas finas).

TABLA 10: Formulaciones para mezclas de cemento con partículas de polipropileno % bvob es la abreviación de "por peso de mezcla", y es la proporción de partículas finas en la mezcla de partículas de cemento sólidas, partículas flexibles, finas.

TABLA 11 : Reología y agua libre para sistemas con partículas de polipropileno TABLA 12: Tiempo de fraguado y UCA a 76.7°C (170° F) para sistemas con partículas de polipropileno E EMPLO 4 : Formulaciones para mezclas de cemento con 5 partículas de SBR Las mezclas de cemento estaban compuestas de cemento de clase G Portland Dyckerhoff North, partículas de SBR, agua, un agente dispersante y un retardante. Las formulaciones para las mezclas de cemento y las propiedades se muestran en las Tablas 13 a 15; se optimizaron todas a la misma temperatura (76.7°C - 170°F), y se seleccionó una sola densidad de mezcla de cemento (14 ppg) . El agente dispersante utilizada fue un sulfonato de polinaftaleno; el retardante fue un lignosulfonato . Se probaron dos tamaños de grano diferentes: 500 µm para la formulación Ni y 200 µm para formulación N2. '20 TABLA 13 : Formulaciones para las mezclas de cemento con partículas de SBR TABLA 14: Reología y agua libre para los sistemas con partículas de SBR TABLA 15: Tiempo de fraguado y UCA a 76.7°C (170° F) para sistemas con partículas de SBR EJEMPLO 5 : Formulaciones optimizadas con partículas de polietileno Las mezclas de cemento estaban compuestas de cemento de clase G Portland Dyckerhoff North, partículas de polietileno, agua, un agente dispersante, un retardante y un agente anti-espumante . Las formulaciones para las mezclas de cemento y propiedades se muestran en las Tablas 16 a 18; se optimizaron todas a la misma temperatura (76.7°C - 170°F), y se seleccionó una sola densidad para la mezcla de cemento (14 ppg) . El agente dispersante utilizado fue un sulfonato de polinaftaleno . La formulación 1 contenía polvo de polietileno de alta densidad triturado vendido por BP Chemicals bajo la marca registrada RIGIDEX HD 3840-2WA. Su densidad fue de 0.94 g/cm3 y su tamaño de grano fue menos de 500 µm. La formulación 2 también contenía polvo de polietileno con una densidad de 0.96 g/cm y "un tamaño de grano de menos de 500 µm, pero éste fue un producto reciclado.

TABLA 16: Formulaciones para mezclas de cemento con partículas de polietileno TABLA 17 : Reología y agua libre para sistemas con partículas de polietileno TABLA 18: Tiempo de fraguado y UCA a 76.7°C (170 °F) para sistemas con partículas de polietileno EJEMPLO 6: Propiedades mecánicas - doblez y compresión Las propiedades mecánicas de doblez y compresión fueron medidas para las mezclas de cemento que contenían partículas flexibles. Las formulaciones exactas se dan en los Ejemplos 1 a 6. La influencia de las partículas flexibles en las propiedades mecánicas de un cemento fraguado se estudiaron utilizando sistemas colocados bajo alta presión y temperatura en cámaras de alta presión y alta temperatura durante varios días para simular las condiciones que se encuentran en un pozo petrolero. Las pruebas de doblez fueron llevadas a cabo en prismas de 3 cm x 3 cm x 12 cm obtenidos de las mezclas de cemento colocadas a 76.7°C (170°F) y 20.7 MPa (3000 psi) durante varios días. Las pruebas de compresión se llevaron a cabo en cubos con lados de 5 cm (2 pulgadas) obtenidos después de varios días a 76.7°C (170°F) y a 20.7 MPa (3000 psi) . Para propósitos de comparación, se incluyeron sistemas sin partículas flexibles con las formulaciones dadas en las Tablas 19 y 20: • un "sistema" NET con una densidad de 1.89 g/cm3 (15.8 ppg) con 0.03 gps de agente anti-espumante (Sl) como único aditivo; • un sistema de 1.67 g/cm3 (14 ppg) diluido con bentonita (S2) ; • un sistema 1.44 g/cm3 (12 ppg) diluido con silicato de sodio (S3) .

TABLA 19: Formulaciones para las mezclas de cemento sin partículas flexibles TABLA 20: Reología y agua libre para los sistemas sin partículas flexibles Los resultados se muestran en las Tablas 21 y 22. La Tabla 21 está relacionado con la resistencia del doblez (módulo de rotura Mr y módulo de doblez Young Ef ) . También muestra el número de días de curado bajo presión y temperatura. La Tabla 22 muestra las resistencias compresivas (resistencia compresiva Cs y el módulo de compresión Young Ec) . La resistencia de doblez fue más fácil de medir que la resistencia a la tensión. Se calculó empíricamente que la resistencia de doblez era el doble de alta que la resistencia a la tensión. Las pruebas de doblez y compresión se utilizaron para calcular la cantidad de energía liberada a la hora de la rotura (obtenida por la integración de la curva de tensión -deformación para un desplazamiento en el rango de 0 al desplazamiento máximo de la carga (que corresponde a la rotura) . Cada propiedad está representada como una función de la concentración de las partículas flexibles expresada como el % por volumen (Figura 1-6) . Los resultados obtenidos para las partículas flexibles muestran que, para densidades iguales, la adición de partículas de manera simultánea de como resultado en: • una reducción en el módulo de rotura (Figura 1) ; • una reducción en el módulo de Young de doblez (Figura 2), pero esta tendencia no fue clara para las partículas de poliamida o las partículas de STDVB; lo mismo fue verdadero para el módulo Young de compresión (Figura 5); • una reducción en la energía de doblez para STDVB (Figura 3) ; • una reducción en la resistencia compresiva para las partículas de SBR, lo contrario para las poliamidas a pesar de la mezcla o el tamaño de grano. Para el polipropileno, se observaron diferentes efectos: en el sistema bimodal, la resistencia compresiva disminuyó ligeramente mientras que en el sistema trimodal, la resistencia compresiva incrementó; el STDVB incrementó la resistencia compresiva por un 25% en volumen (Figura 4) .

TABLA 22 : Resultado de compresión con partículas flexibles Para comparar estos sistemas diferentes, se definió un criterio de flexibilidad (MT) : un cemento fue considerado mejor si la relación entre su módulo de rotura de doblez y su módulo Young de doblez fue más alto. Este criterio de flexibilidad puede, por ejemplo, observarse en la Figura 6 donde la resistencia a la tensión del cemento se muestra como una función del módulo Young de doblez del cemento. La Figura 6 se obtuvo para la siguiente geometría del recubrimiento: diámetro externo 21.6 cm (8^"), diámetro interno 17.8 cm (7"), grado 52 kg/m (35 libras/pies) . El incremento de presión en el pozo fue tomado como 34.5 MPa (5000 psi). En esta Figura, la condición mínima requerida es comprobada para tres tipos de roca (roca dura, roca mediana y roca débil) . Cada curva obtenida define la condición mínima requerida para obtener una buena resistencia de cemento para la geometría y el incremento de presión seleccionado para este ejemplo. Para una roca dada, se dice que un cemento fue satisfactorio, si estas características (resistencia a la tensión y módulo de Young de doblez) se colocaron por encima de la curva . Parece que las diferentes formulaciones satisficieron el criterio de flexibilidad. Sin embargo, estas tendencias están directamente unidas a una reducción en la densidad resultante del incremento en la concentración de_ partículas flexibles y de este modo la porosidad del sistema. De este modo, se llevaron a cabo las medidas de porosidad y serán desarrolladas en el siguiente ejemplo.

EJEMPLO 7 : Medidas de porosidad La porosidad de las diferentes muestras de cemento obtenidas después de varios días de curado a 76.7°C (170°F) y a 20.7 MPa (3000 psi) se midieron para las diferentes formulaciones . Se aplicó el siguiente principio para tomar la medición de porosidad. Cilindros de *s pulgada de diámetro y 1 cm de largo fueron recubiertos con la muestra de cemento que había sido endurecida bajo temperatura y presión. Se dejaron secar durante dos semanas en un secador de congelamiento y durante ese tiempo se estudió la pérdida de peso como función del tiempo. Ya seca la muestra (que corresponde a un peso de tiempo estable) , el volumen real o los volúmenes de estructura Vs se midieron utilizando un ' picnómetro de helio; el volumen promedio Vb se obtuvo de las dimensiones externas del cilindro. La diferencia en los dos volúmenes (Vb - Vs) proporcionaron el volumen de vacío y de este modo la porosidad f del material que estaba accesible al helio. La porosidad f de la mezcla fue el % en volumen de agua y aditivos líquidos en la formulación. Para cada formulación, se calculó el porcentaje en volumen de partículas flexibles, y la porosidad f efectiva fue definida como la suma de la porosidad del cemento endurecido y el porcentaje de volumen de las partículas flexibles. Los resultados se muestran en la Tabla 23. Se puede ver que el módulo Young de doblez disminuyó casi linealmente como función de la porosidad efectiva con un umbral de saturación después del 70% de porosidad (Figura 7) . Lo mismo aplica al módulo de rotura de doblez (Figura 8) . En conclusión, parece que las partículas flexibles pueden reducir la densidad de la mezcla y de este modo actuar sobre la flexibilidad del sistema a una extensión menor. Principalmente, las partículas flexibles no mejoran las propiedades mecánicas anteriores de los cementos. TABLA 23: Resultados de porosidad EJEMPLO 8 : Medición de la relación de Poisson La relación de Poisson fue medida para diferentes formulaciones con partículas flexibles para evaluar la compresibilidad de estos sistemas. Las composiciones de las diferentes formulaciones fueron dadas en los ejemplos precedentes . Cuando una muestra de cemento se somete a una fuerza- compresiva normal, mientras que permanece dentro de la región elástica del material, las fibras longitudinales de la muestra acortan la cantidad que depende del módulo Young del material (y de la tensión aplicada y de la geometría de la muestra) . Simultáneamente, la dimensión transversal de la muestra se alarga. La relación de la deformación transversal (con relación a la dimensión transversal) a la deformación longitudinal (variación relativa longitudinal) es un coeficiente sin dimensiones conocidas como la relación de Poisson. En las pruebas, la relación de carga fue de 1 kN/min y las muestras eran cilindricas, con un diámetro de 30 mm y una longitud de 60 mm. La deformación longitudinal fue medida utilizando calibres de desplazamiento tipo LVDT; la deformación transversal se midió utilizando un calibrador de tensión . Las muestras se colocaron en una cámara rellena con agua durante varios días a 76.7°C (170°F) y a 3000 psi. Estas fueron las mismas condiciones de maduración que aquellas utilizadas por ejemplo, para preparar las muestras de las pruebas de doblez. Después del curado, las muestras se mantuvieron permanentemente sumergidas y simplemente se drenaron antes de llevar a cabo las pruebas mecánicas que fueron entonces llevadas a cabo en las muestras húmedas . Los resultados se muestran en la Tabla 24 y demuestran que la adición de partículas flexibles no de hecho lleva a un incremento en la relación de Poisson del cemento endurecido, y debido a esto, a una reducción en la compresibilidad del cemento endurecido. Debido a esta compresibilidad más baja, un cemento reforzado con partículas flexibles puede más fácilmente distribuir fuerzas laterales o puede más fácilmente distribuir- fuerzas en respuesta a una tensión compresiva, que es muy favorable para una buena zona de aislamiento.

EJEMPLO 9 : Mediciones de permeabilidad Se generaron las muestras de cemento bajo presión (20.7 MPa - 3000 psi) y temperatura (76.7°C) bajo las mismas condiciones como aquellas utilizadas para las pruebas de compresión o doblez, y durante el mismo tiempo. El material endurecido obtenido fue ahuecado en las siguientes dimensiones: 51.4 mm de diámetro y 25 mm de longitud. La muestra húmeda se colocó en una celda tipo Hassler a la cual se pudo aplicar una presión de confinamiento de 10 a 100 bares a la muestra. Un flujo de agua constante pequeño (en el rango de 0.005 ml/min a 1 ml/min) se mandó a través de la muestra por medio de una bomba de cromatografía. La presión diferencial en cada lado de la muestra fue medida y registrada. El valor registrado fue aquel que corresponde al equilibrio. Se calculó la permeabilidad K en milliDarcy Qµl utilizando la ley de Darcy: K = 14700 &p— donde Q es la velocidad de flujo expresada en ml/s, µ es la viscosidad de agua en cP, L es la longitud de la muestra en cm, A es el área de superficie de la muestra en cm2 y P es la presión diferencial en psi. Los resultados de las diferentes formulaciones se muestran en la Tabla 25 y demuestran que, a una densidad constante, adicionando partículas flexibles se reduce la permeabilidad del cemento.

EJEMPLO 10: Pruebas de Impacto Se llevaron a cabo pruebas de impacto en las muestras de cemento. Estas pruebas consistieron en dejar que un proyectil cayera sobre discos de cemento fraguado desde una altura de 1 metro. Lo_s discos eran circulares con un diámetro de 70 mm y un espesor de 10 mm. La carga dinámica fue medida y registrada como una función de tiempo. El cemento que no contenía partículas flexibles se comportó como un material frágil, y la energía absorbida por la muestra fue calculada como menos de 10 joules. La energía absorbida por los cementos formulados con partículas flexibles mejoró considerablemente, como se muestra en la Tabla 26.

TABLA 26: Resultados del impacto con partículas flexibles Este buen comportamiento al choque es particularmente importante cuando se cementan pozos laterales de multi-ramificaciones .

EJEMPLO 11: Medidas de expansión Se midió la expansión lineal de las mezclas de cemento durante el fraguado a una temperatura que simula las condiciones del pozo en un molde de expansión anular. Este molde estaba constituido por dos anillos concéntricos, respectivamente con un diámetro de 51 mm y 89 mm, colocados entre dos .discos planos con 22 mm de separación. El anillo- externo tenía ranuras longitudinales e incluía dos escalas localizadas en cada lado de la ranura permitiendo que se midiera la distancia durante la expansión del cemento. La mezcla de cemento a ser estudiada fue vertida en un molde, y el molde entonces fue colocado en un baño de agua con termostato a 76.7°C (170°F) . La mezcla permaneció en contacto con el agua durante toda la prueba. Los resultados de expansión se muestran en la Tabla 27 y demuestran que una mezcla que contiene partículas flexibles tiene propiedades de expansión.

TABLA 27: Resultados de expansión El comportamiento de expansión es de interés particular para evitar que el cemento se separe del recubrimiento y evitar que se separe de la formación. Este comportamiento es más significativo cuando un cemento es flexible y de este modo confinado por la roca.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. Una composición de cementación para un pozo petrolero o similares, que comprende un aglutinante hidráulico y partículas de refuerzo constituidas por un material flexible que tiene una baja compresibilidad y que tiene un tamaño de grano promedio que no excede los 500 µm.
2. 2. La composición de cementación de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el módulo Young del matexial que constituye las partículas de refuerzo es de menos de 5000 MPa, de preferencia menos de 3000 MPa, más preferiblemente menos de 2000 MPa. 3. La composición de cementación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que la relación Poisson del material que constituye las particulas de refuerzo es más que 0.
3. 3.
4. 4. La composición de cementación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que la densidad de las partículas de refuerzo es menor que 1.5 g/cm3, preferiblemente menor que 1.2 g/cm3.
5. 5. La composición de cementación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que el tamaño promedio de las partículas de refuerzo está en el rango de 80 µm a 500 µm, de preferencia en el rango 100 µm a 400 µm.
6. 6. La composición de cementación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que las partículas de refuerzo -están formadas de un material seleccionado de poliamida, polipropileno, polietileno, estireno butadieno y estireno divinilbenceno.
7. 7. La composición de cementación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que -el volumen de las partículas de refuerzo representa el 5% al 40% del volumen total de la mezcla de cementación.
8. 8. La composición de cementación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que además comprende uno o más aditivos del siguiente tipo: agentes de suspensión, agentes dispersantes, agente anti-espumantes, retardantes aceleradores de fraguado, agentes de control de pérdida de fluido, agentes de control de migración de gas y agentes de expansión.
9. 9. La aplicación de composiciones de cementación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, para cementar zonas sometidas a tensiones dinámicas extremas tales como zonas de perforación y uniones en pozos laterales con multi-ramificaciones .
10. 10. La aplicación de composiciones de cementación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 para constituir obturadores de cemento.