Mezcla de Micromax y hematita.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 8669 (2023) Citar este artículo

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El cemento Portland común (OPC) ha introducido diferentes problemas ambientales y técnicos. Los investigadores intentaron agregar nuevos materiales al cemento o desarrollar alternativas para desafíos tanto técnicos como ambientales. La hematita como agente ponderante se utiliza para aumentar la densidad de la lechada de cemento. La sedimentación de partículas pesadas en lodos de cemento y geopolímeros es un problema grave que crea propiedades heterogéneas a lo largo de la sección cementada. Este trabajo presenta una nueva clase de geopolímeros que utilizan hematita y Micromax como materiales de peso para aplicaciones de cementación de pozos de alta densidad. El primer sistema utilizaba sólo hematita, mientras que el otro sistema utilizaba tanto hematita como Micromax. El objetivo principal del uso de Micromax con hematita es comprobar la posibilidad de eliminar el problema de sedimentación asociado con la hematita en geopolímeros. Además, también se evaluaron los efectos de la adición de Micromax sobre diferentes propiedades del geopolímero FFA. Se introdujeron diferentes mezclas de retardador, intensificador de retardador y superplastificante para aumentar los tiempos de espesamiento de los sistemas de geopolímeros desarrollados. Los resultados mostraron que la adición de Micromax a la hematita disminuyó la variación de densidad promedio del 12,5% a casi el 3,9%. La adición de Micromax redujo la viscosidad plástica en un 44,5 % y la pérdida de fluido en un 10,5 %. Ambos sistemas tuvieron un desempeño similar en términos de resistencia, propiedades elásticas y permeabilidad. El tiempo de espesamiento fue de 390 min para el sistema hematita y de 300 min para el sistema mixto utilizando las mezclas de aditivos propuestas.

OPC presenta algunos desafíos técnicos y ambientales, como altas emisiones de gases de efecto invernadero y un consumo masivo de energía durante su producción. Estas preocupaciones persuadieron a los investigadores a buscar materiales alternativos para superar los desafíos técnicos y proporcionar sistemas de cemento ecológicos. De la literatura se desprende claramente que algunos investigadores optaron por añadir nuevos materiales al OPC para mejorar sus propiedades1,2,3,4,5,6,7. Otros investigadores intentaron encontrar nuevas alternativas al OPC que pudieran ser más ecológicas y superar los inconvenientes técnicos del OPC, como los geopolímeros8,9,10,11,12,13.

Actualmente, ha surgido una sustancia rentable y respetuosa con el medio ambiente que tiene cualidades comparables al OPC; esta sustancia se denomina geopolímero. Sus materias primas son de origen geológico y la formación de geopolímeros continúa mediante polimerización y condensación inorgánica, por lo que también se denominan polímeros geológicos14. El Prof. J. Davidovits acuñó el término geopolímero en 1978 y lo describió como una sustancia cementosa verde libre de cemento. Como contiene una estructura tridimensional de cadenas de polisialato entrecruzadas, anteriormente se las consideraba un caso particular de cemento de suelo y se las denominaba geocementos15. Los geopolímeros pueden formarse a partir de sustancias naturales y/o materiales de desecho como materiales de origen activados por álcalis o ácidos16. La producción de geopolímeros es más limpia y los materiales de origen no consumen tanta energía en comparación con el OPC17,18,19,20. El Si y el Al en las sustancias de aluminosilicato se disuelven después de entrar en contacto con las soluciones alcalinas a partir de monómeros y oligómeros que pasan por la policondensación para formar una estructura 3D, llamada polisialato, polisialato-siloxo y polisialato-disiloxo21,22.

La lechada de cemento se diseña dependiendo de las condiciones existentes de presión y temperatura del pozo y del tipo de trabajo de cemento. La mayor parte de las investigaciones se han llevado a cabo no solo para buscar una alternativa al OPC debido a sus preocupaciones ambientales durante la producción, sino más significativamente para confirmar si los geopolímeros pueden mitigar los inconvenientes del OPC. En la literatura se investigaron cuatro temas principales de investigación: aplicaciones en ambientes hostiles, aplicación en P&A, compatibilidad con lodo y efectos de la temperatura10,23,24,25,26,27,28.

En la industria petrolera, la perforación de pozos de alta presión y alta temperatura (HPHT) representa una nueva frontera. La industria de exploración y producción busca nuevos recursos para satisfacer la creciente demanda de energía en todo el mundo y algunos de estos recursos están enterrados más profundamente en la corteza terrestre. Más de la mitad de las reservas de petróleo conocidas en los EE. UU. se encuentran debajo de los 14.000 pies bajo el agua. Se encontrarán condiciones HPHT a medida que profundicemos en los estratos. Como resultado, las empresas están obligadas a cumplir o superar una amplia gama de limitaciones técnicas, así como regulaciones ambientales, de salud y de seguridad29. La operación de cementación en pozos HPHT presenta desafíos especiales debido a los cambios físicos y químicos bajo altas presiones y temperaturas. Estas duras condiciones pueden presentar desafíos no solo durante la colocación sino también después del fraguado del cemento30,31. Disminuir el contenido de agua es la forma más fácil de aumentar la densidad del lodo32. Sin embargo, el Instituto Americano del Petróleo (API) recomienda una relación agua-cemento de 0,44 para la cementación primaria (API, 2019). La reducción del contenido de agua presenta desafíos tales como lograr un control suficiente de la pérdida de fluido, una reología adecuada y la ausencia de sedimentación de las partículas sólidas33. Los puentes de lodo se producen debido a pérdidas incontrolables de fluido. La sedimentación de partículas sólidas da como resultado una resistencia a la compresión y una unión no uniformes a lo largo de la sección cementada34.

Por lo tanto, es necesario utilizar materiales de peso para lograr una mayor densidad. El uso de materiales de ponderación en el área de investigación de geopolímeros para la industria del petróleo y el gas es relativamente nuevo. Estos intentos utilizaron barita para estudiar sus efectos sobre la resistencia a la compresión y el tiempo de espesamiento. Kanesan et al.35 midieron el tiempo de espesamiento del geopolímero FA a base de barita a 140 ℉ y 2000 psi usando una combinación de solución de NaOH 8 M y Na2SiO3. Los autores mencionaron que el efecto retardador fue mayor en las pulpas de baja y media densidad, pero tuvo un efecto menor en el tiempo de espesamiento de las pulpas de alta densidad. Salehi et al.36 investigaron el impacto de agregar un 15 % de barita BWOC sobre la resistencia a la compresión de los geopolímeros FA. La barita mejoró la resistencia hasta los 7 días de curado y no pudo mejorar la resistencia después de 7 días. De la literatura se desprende claramente que se realizaron pocos ensayos utilizando barita con geopolímeros para aplicaciones de cementación de pozos. Las partículas grandes de los agentes densantes pueden provocar la sedimentación de las partículas37. El problema de sedimentación en los lodos crea una columna de cemento heterogénea que no es favorable para la resistencia y el aislamiento zonal34. Abdelaal et al.38 introdujeron una nueva formulación de geopolímero de cenizas volantes de gran peso que utilizaba hematita como agente de peso. Aunque esta formulación proporcionó un sistema de geopolímero con propiedades de cemento aceptadas, en este estudio no se investigó el problema de la sedimentación.

La tecnología de geopolímeros todavía está evolucionando en la industria petrolera y no se ha implementado a gran escala en la cementación de pozos. Rara vez se investiga en la literatura el suministro de sistemas de cemento geopolímero de densidad moderada a alta utilizando diversos materiales de ponderación. Este estudio presenta el primer uso de Micromax en lodos de geopolímeros para la cementación de pozos petroleros. El primer objetivo de este trabajo fue generar formulaciones de geopolímeros fluidos y pesados ​​con una reología y un tiempo de espesamiento adecuados. El segundo objetivo era resolver el problema de sedimentación asociado con el geopolímero a base de hematita mediante la introducción de una mezcla de Micromax y hematita. La sedimentación de los materiales de pesaje se investigó mediante el método API. Además, también se evaluaron diversas propiedades, como propiedades reológicas, pérdida de filtrado, resistencia (compresión y tracción), permeabilidad y propiedades elásticas, para sistemas Micromax y geopolímeros de hematita a base de hematita y mixtos.

Los materiales utilizados en este trabajo fueron cenizas volantes Clase F como material fuente, hematita y Micromax como materiales de peso, solución de NaOH 4 M como activador, además de otros aditivos utilizados para mejorar las características del geopolímero y hacerlo fluido en las condiciones del pozo. Los aditivos comprendían retardadores, intensificadores de retardadores, deformadores y superplastificantes. Las gravedades específicas (SG) de los materiales utilizados se enumeran en la Tabla 1. Las distribuciones de tamaño de partículas (PSD) se obtuvieron usando el analizador de tamaño de partículas por difracción láser como se muestra en la Fig. 1 y se resumen en la Tabla 1. Los resultados mostraron que la mediana El tamaño de FFA, hematita y Micromax fue de 19,35, 21,54 y 1,98 µm respectivamente.

Resultados PSD de Clase F FA, hematita y Micromax.

Las Figuras 2 y 3 muestran la composición elemental de hematita y Micromax, respectivamente utilizados en este trabajo, obtenida por fluorescencia de rayos X (XRF). Los resultados de XRF confirman que la hematita tiene una alta cantidad de hierro (alrededor del 95%) y la difracción de rayos X (XRD) mostró que contenía 100% de hematita. XRF también mostró que los FFA tenían cantidades considerables de sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3), como se enumera en la Tabla 2, que desempeñan un papel vital en la formación de geopolímeros. Los resultados del microscopio electrónico de barrido (SEM), como se muestra en la Fig. 4, muestran que las partículas de FFA y Micromax se parecen más a esferas y las partículas de hematita poseen formas irregulares.

Composición elemental XRF de hematita (a) y XRD de la muestra (b).

Composición elemental XRF de Micromax (a) y XRD de Micromax (b).

Imágenes SEM para FFA (a), hematita (b) y Micromax (c).

Esta parte analiza los métodos seguidos para realizar este trabajo. Se inició con la recolección, caracterización y preparación de materiales. Luego, los ingredientes de la suspensión se determinaron en función de la mezclabilidad, bombeabilidad y reología. Posteriormente, se evaluaron las propiedades mecánicas y elásticas de las muestras de geopolímero endurecido. La Figura 5 resume la metodología seguida en este estudio.

El resumen de los métodos de este estudio.

La solución de hidróxido de sodio se preparó disolviendo sus gránulos en agua destilada usando un agitador magnético. Luego, se dejó enfriar a temperatura atmosférica al menos durante 24 h antes del experimento. Se estimó la gravedad específica de los polvos para determinar las cantidades necesarias para alcanzar la densidad requerida. El FFA se tamizó por debajo de 104 µm y luego se confirmó mediante PSD. Se pueden seguir dos procesos diferentes (húmedo y seco) para preparar la suspensión de geopolímero36. En el proceso húmedo, se mezcla un superplastificante y/o retardador con una solución de activación durante 2 minutos a alta velocidad de cizallamiento (12.000 RPM) utilizando un mezclador de velocidad constante. Luego se añade un aglutinante como FFA y se mezcla con la solución premezclada a una alta velocidad de cizallamiento durante otros 2 minutos. Para crear una muestra mediante el proceso seco, se combina hidróxido de sodio en polvo con la cantidad deseada de silicato de sodio y se deja enfriar durante un período de dos horas. A continuación, se mezcla la cantidad deseada de agua con un plastificante adecuado y luego se añaden cenizas volantes. Finalmente, se mezcla una mezcla de solución acuosa y solución alcalina.

Se realizaron diferentes pruebas para obtener una formulación inicial de suspensión fluida que pueda mezclarse fácilmente. Se probaron diferentes parámetros, como la molaridad de NaOH (4, 6, 8 y 10 M), la proporción de líquido a aglutinante (0,5 a 0,8) y la cantidad de material de pesaje. Además, se probaron varios aditivos con diferentes concentraciones, como retardadores, intensificadores de retardadores y superplastificantes para mejorar la trabajabilidad de la suspensión. El diseño de la mezcla comenzó con pruebas de mezclabilidad, tiempo de espesamiento y reología. Luego, las pruebas pasaron por la evaluación de la resistencia, las propiedades elásticas y petrofísicas y la sedimentación.

Después de mezclar, se usa un consistómetro atmosférico para acondicionar las suspensiones de geopolímero a 195 ℉ y 150 RPM durante 30 min. Se utilizó el viscosímetro OFITE 900 para evaluar la reología a una temperatura promedio de 192 ℉ y presión atmosférica. Se utilizó el filtro prensa HPHT para medir la pérdida de fluido. El tiempo de espesamiento se evaluó a 195 ℉ y presión atmosférica utilizando un consistómetro atmosférico para saber cuánto tiempo la suspensión permanecería bombeable.

Las lechadas de geopolímero se acondicionaron para simular la ubicación dinámica en los pozos y luego se dejaron estáticas para determinar si el fluido libre se separa de la lechada. Después del curado, las muestras cilíndricas se cortaron en 3 secciones (inferior, media y superior). Luego se siguió el procedimiento de prueba de sedimentación midiendo el peso de cada sección en agua y aire. La densidad de cada sección se calculó dividiendo el peso en aire por el peso en agua según Arquímedes Principal. La diferencia de densidad de cada sección se calculó utilizando la ecuación. 1. La diferencia de densidad aceptable varía según el tipo de aplicación.

La evaluación de las propiedades mecánicas incluyó resistencia a la compresión libre (UCS), resistencia a la tracción, propiedades elásticas dinámicas (módulo de Young (YM) y relación de Poisson (PR)) y la permeabilidad fue la propiedad petrofísica evaluada. Después del acondicionamiento, la suspensión se vertió en moldes cúbicos (2 pulgadas de largo) y cilíndricos (1,5 pulgadas de diámetro y 4 pulgadas de largo) y luego se colocaron en una cámara de curado HPHT a 292 ℉ y 3000 psi durante 24 h. . Para medir la resistencia a la tracción se siguió el procedimiento de prueba brasileño39. La UCS se evaluó mediante la prueba de rayado. La prueba de rayado está diseñada para regular y monitorear la acción de corte continua causada por el movimiento de un cortador de diamante sobre la superficie de la muestra. La fuerza que actúa sobre el cortador genera un perfil continuo de resistencia de la roca a lo largo de la muestra. Luego se determinaron YM y PR obteniendo las velocidades sónicas. La prueba ultrasónica mide cuánto tiempo tarda una onda de presión en viajar entre dos sondas. La máquina de compresión y flexión se utilizó para el análisis de resistencia a la tracción, mientras que la máquina de prueba de rayado con modo sónico se utilizó para las propiedades elásticas y UCS. Se utilizó gas nitrógeno para medir la permeabilidad del gas a temperatura ambiente y una presión de confinamiento de 1000 psi. La permeabilidad al gas se midió a diferentes presiones y se construyó una gráfica entre la permeabilidad al gas versus 1/pmmedia. Luego, se extrapoló una línea recta para obtener la intersección que se refiere a la permeabilidad del líquido.

El diseño de la mezcla del sistema a base de hematita se enumera en la Tabla 3. Aunque este sistema de geopolímero poseía propiedades aceptables, mostró una variación de densidad a lo largo de las muestras cilíndricas debido a la sedimentación de hematita. Se investigó la sustitución de parte de la hematita por otro agente densificante, como Micromax, para abordar el problema de sedimentación asociado a la hematita. La mezcla propuesta de retardador y superplastificante que mejoró el tiempo de espesamiento del sistema a base de hematita no tuvo el mismo desempeño con el sistema mixto. Como resultado, se ensayaron diferentes mezclas de aditivos hasta obtener un tiempo de espesamiento suficiente de alrededor de 5 h utilizando un intensificador retardador con un retardador y un superplastificante. El diseño de la mezcla se ajustó para reemplazar el 50% de hematita por Micromax. La mezcla de aditivos propuesta permitió usar solo una proporción de líquido a aglutinante de 0,5 para obtener una suspensión fluida con una reología razonable. El diseño de formulaciones propuestas para ambos sistemas se muestra en la Tabla 3 y se expresa en peso de aglutinante (BWOB).

Cuando la suspensión se preparó mezclando FFA, hematita y solución de NaOH, el tiempo de espesamiento a BHCT de 195 ℉ fue de aproximadamente 50 min. Este tiempo de espesamiento fue demasiado corto para colocar el cemento detrás del revestimiento. Se probaron diferentes tipos y mezclas de retardadores, dispersantes y superplastificantes para prolongar la capacidad de bombeo de las suspensiones de geopolímeros. El uso de superplastificante (5% BWOB) aumentó ligeramente el tiempo de espesamiento y lo mismo para el retardador. Cuando ambos se usaron juntos (5% BWOB cada uno), el tiempo de espesamiento aumentó de 50 a 390 min. Para el sistema mixto Micromax-hematita, la mezcla de aditivos desarrollada aumentó el tiempo de espesamiento a solo 180 min. En consecuencia, se probaron diferentes mezclas para aumentar el tiempo de espesamiento del sistema mezclado después de agregar Micromax. Otra mezcla de un retardador (5 % BWOB), superplastificante (3 % BWOB) y un intensificador retardador (2 % BWOB) aumentó el tiempo de espesamiento de 76 a 300 min a BHCT de 195 ℉. Las suspensiones de geopolímero desarrolladas, como se muestra en las Figs. 6 y 7, no tenían un ángulo recto a diferencia de la mayoría de las lechadas de cemento. Los gráficos de tiempo de espesamiento para ambos sistemas se muestran en las Figs. 6 y 7.

Diagrama de tiempo de espesamiento para el sistema de geopolímero de hematita.

Diagrama de tiempo de espesamiento para el sistema mixto de geopolímero hematita-Micromax.

La evaluación de la reología de las lechadas de cemento es importante porque afecta la mezcla de la lechada, el bombeo y el desplazamiento del lodo. Después de acondicionar durante 30 minutos a 195 ℉, las mediciones de reología se realizaron utilizando el viscosímetro. El esfuerzo cortante y la viscosidad frente a la velocidad de corte se muestran en las Figs. 8 y 9, respectivamente. El modelo de Bingham Plastic ofreció el mejor ajuste para la reología de ambos sistemas con R2 de 0,999. La adición de Micromax a la hematita disminuyó la viscosidad plástica en un 44,8%. Las partículas Micromax se parecen más a esferas, como se muestra en la Fig. 4, que minimizan la fricción de la interacción de las partículas y dan como resultado una baja viscosidad plástica.

El esfuerzo cortante frente a la velocidad de corte de las lechadas de geopolímero desarrolladas.

La viscosidad frente a la velocidad de corte de las suspensiones de geopolímero desarrolladas.

El límite elástico determina la fuerza que se debe superar para iniciar el flujo y refleja la capacidad de carga de la pulpa en condiciones dinámicas. Por lo tanto, el límite elástico no debería ser ni tan alto ni tan bajo. La capacidad de carga de la suspensión en condiciones estáticas está determinada por la fuerza del gel, y el crecimiento del gel ayuda a prevenir la migración de gases. Ambos sistemas tuvieron un desempeño cercano en términos de límite elástico y el sistema a base de hematita fue más en términos de resistencia al gel (GS) como se presenta en la Tabla 4. Ambos sistemas tuvieron un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento a medida que la viscosidad aparente se reducía al aumentar la velocidad de cizallamiento a medida que mostrado en la Fig. 9.

Es aconsejable minimizar la pérdida de fluido de la lechada en zonas permeables para disminuir la hidratación de las lutitas sensibles al agua y evitar el aumento de la viscosidad de la lechada durante su colocación. La pérdida de fluido controlada también disminuye los puentes anulares que pueden actuar como un obturador y eliminar la presión hidrostática que retiene las zonas potencialmente sobrepresionadas. Además, reduce la deshidratación del cemento durante el bombeo en intervalos de disparos abandonados, lo que permite tapar intervalos más largos de disparos en un solo trabajo. La reducción de volumen ocurre mientras el cemento hace la transición de una suspensión líquida a un cemento sólido. Si la pérdida de fluido es alta, se cree que son posibles reducciones de volumen mucho mayores que pueden facilitar la migración de gas40. La suspensión a base de hematita tuvo una pérdida de fluido de 38 ml/30 min, mientras que la suspensión mixta de hematita y Micromax tuvo una pérdida de fluido de 34 ml/30 min. Las lechadas desarrolladas se encuentran dentro de los rangos aceptables de pérdida de fluido, ya que debería ser de hasta 300 ml/30 min para la cementación del revestimiento41. Además, los geopolímeros desarrollados poseían una pérdida de fluido inferior a 50 ml/30 min, lo que se recomienda para aplicaciones de cementación especiales, como pozos horizontales y cementación de revestimientos41. Las formulaciones desarrolladas proporcionaron este comportamiento sin utilizar un aditivo especial para el control de la pérdida de fluido.

Después de curar a 292 ℉ y 3000 psi durante 24 h usando una cámara de curado HPHT. Las Figuras 10 y 11 muestran la densidad y la variación de densidad de diferentes secciones a lo largo de la orientación vertical de las muestras de geopolímero. La heterogeneidad de la muestra se puede expresar por el grado de variación de la densidad (DV) de tal manera que el sistema de cemento se vuelve más homogéneo al disminuir el DV entre la sección de cemento y la densidad de la lechada. La sedimentación de partículas depende de la distribución de tamaño, la forma, la densidad y la viscosidad del fluido a través del cual se mueven las partículas. Los resultados confirmaron que el sistema de hematita tenía una alta tendencia a la sedimentación con una diferencia de densidad del 32,6% entre las secciones inferior y superior, mientras que el sistema Micromax tenía sólo el 0,95%.

Efecto del agente de ponderación sobre la densidad de las muestras de geopolímero cilíndricos.

Variación de densidad de las muestras de geopolímero cilíndrico.

La hematita SG es más grande que la de Micromax, lo que aumenta la sedimentación. Además, la distribución del tamaño de las partículas afecta la tendencia a la sedimentación. Los datos, como se muestran en la Tabla 1 y la Fig. 1, confirmaron que los D10, D50 y D90 para la hematita eran más grandes que los de Micromax. Generalmente, las partículas pequeñas tienen una mayor relación entre superficie y masa, por lo que el arrastre por fricción ralentiza su velocidad de sedimentación más que en el caso de las partículas más grandes. Las duras condiciones de presión y temperatura podrían afectar la viscosidad de la lechada, lo que resultaría en una reducción en la capacidad de suspensión. La hematita tiene partículas de forma irregular, mientras que las partículas de Micromax tienen una forma más aproximadamente esférica, como se muestra por SEM en la Fig. 4. Las partículas redondas se sedimentan más rápidamente que las planas, angulares o de forma irregular porque la fricción se reduce en el caso de las partículas redondeadas. El comportamiento general de la sedimentación está controlado por la interacción de los componentes antes mencionados que hicieron que SG y PSD fueran factores predominantes y le dieran forma a un elemento menor. El fluido libre de las suspensiones de geopolímero era casi nulo (trazas). Para el control de la migración de gas, la lechada debe tener una pérdida de fluido inferior a 50 ml/30 min y cero fluido libre, y estos requisitos se cumplen en las lechadas de geopolímero desarrolladas41.

La resistencia a la compresión de 24 h del sistema a base de hematita es mayor que la del sistema mixto en un 13,4% y su resistencia a la tracción es mayor en un 12,5% como se presenta en las Figs. 12 y 13. Sin embargo, el geopolímero de base mixta poseía una resistencia a la compresión de 24 h de 1624 psi, que es más de tres veces el valor requerido (500 psi) para reanudar la perforación. Antes de reanudar las operaciones de perforación o terminación, el cemento debe endurecerse y ganar suficiente fuerza para soportar el revestimiento y sellar el movimiento del fluido detrás del revestimiento. Es difícil determinar con precisión la resistencia a la compresión requerida antes de perforar a través de la zapata de revestimiento; sin embargo, en la práctica de campo se recomienda un mínimo de 500 psi40. Maximizar la resistencia a la compresión ha sido un enfoque tradicional en el pasado. La filosofía de "más es mejor" puede hacer que esto parezca razonable a corto plazo. Sin embargo, a largo plazo, durante la vida útil del pozo, pueden presentarse condiciones de carga en las que una gran resistencia pueda entrar en conflicto con un sellado eficaz y un soporte de integridad40.

Resistencia a la compresión de ambos sistemas mediante prueba de rayado.

Resistencia a la tracción de ambos sistemas mediante el Ensayo Brasileño.

Las formulaciones de geopolímero desarrolladas poseían una resistencia a la compresión de 24 h de al menos 1,624 psi y una resistencia a la tracción de al menos 219 psi, que son mayores que los valores requeridos para diferentes propósitos en la literatura y algunos valores reportados en programas de cementación de alta densidad en el Medio Oriente. Este. Farris42 demostró experimentalmente que una resistencia a la tracción de sólo unos pocos psi era adecuada para soportar el peso de la carcasa en condiciones de laboratorio; sin embargo, se deben tomar algunas consideraciones en caso de carga dinámica impuesta por la rotación de la columna de perforación durante la perforación posterior. Clark43 investigó la resistencia necesaria para detener el movimiento importante de fluido detrás de la carcasa. El autor concluyó que se acepta una resistencia a la tracción tan baja como 40 psi, con una unión máxima alcanzada aproximadamente 100 psi. Otro trabajo mencionó que una resistencia a la tracción de 8 psi o una resistencia a la compresión de alrededor de 100 psi es suficiente para soportar la carcasa. Existe una armonía entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción, de tal manera que cuanto mayor es la resistencia a la compresión, también mayor es la resistencia a la tracción. Mitchell et al.40 mencionaron que la relación entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción es aproximadamente de 8:1 a 12:1 para la mayoría de los cementos y los resultados del estudio (7,5:1) estaban muy cerca de la relación 8:1.

La flexibilidad de la vaina de cemento es significativa cuando el cemento está sometido a altas tensiones, por ejemplo, inyección de vapor, fractura geotérmica y hidráulica. Los cementos flexibles con un módulo de Young bajo y un índice de Poisson alto proporcionan integridad del pozo a largo plazo. El cemento fraguado debe tener un YM más bajo que las formaciones circundantes. El cemento de fraguado YM pequeño puede ser preferible para estratos no consolidados que el cemento de fraguado YM alto41. Los sistemas de geopolímeros propuestos poseían un YM de alrededor de 5,1 GPa y un PR en el rango de 0,22 a 0,26, como se indica en la Tabla 5. Los geopolímeros desarrollados son más flexibles que el cemento Clase G en términos de YM y PR, como se presenta en la Tabla 5. Además , poseían un YM más bajo que el esquisto y las formaciones consolidadas y, por lo tanto, pueden usarse adyacentes a estas formaciones como lo indicó anteriormente Liu41. Normalmente, el cemento más flexible, este con YM más pequeño y mayor resistencia a la tracción, con suficiente resistencia a la compresión, se desempeña bien al simular las tensiones del cemento. Se midió la permeabilidad de los dos sistemas de geopolímeros pesados ​​utilizando nitrógeno. La permeabilidad del líquido se estimó obteniendo la intersección del eje y. La permeabilidad fue de 0,015 y 0,009 md para los sistemas de hematita y geopolímero mixto, respectivamente.

Se compararon dos sistemas de geopolímeros de alta densidad que utilizan hematita sola y una mezcla de hematita y Micromax. La evaluación incluyó reología (PV, YP y GS), pérdida de fluido, resistencia, permeabilidad y propiedades elásticas. Este estudio investigó el problema de sedimentación asociado con la hematita como agente de ponderación e introdujo la adición de Micromax como una solución para mitigar este problema en geopolímeros. Las conclusiones de este trabajo se pueden resumir de la siguiente manera:

Reemplazar el 50 % de la hematita con Micromax resolvió el problema de sedimentación asociado con el sistema de geopolímero a base de hematita.

El geopolímero ponderado con hematita Micromax tenía una diferencia de densidad del 0,94 % entre las secciones superior e inferior en comparación con el 32,6 % para el sistema a base de hematita.

Se introdujo una mezcla propuesta de un retardador, un intensificador de retardador y un superplastificante que aumentó el tiempo de espesamiento del sistema mixto en casi 3 veces.

El geopolímero mixto tuvo una menor pérdida de fluido sin utilizar ningún aditivo de control de pérdida de fluido, lo que lo convirtió en un buen candidato para aplicaciones de cementación como perforación horizontal, riesgo de migración de gas y cementación de revestimientos que requieren una pérdida de fluido inferior a 50 ml/30 min.

A las temperaturas de fondo de pozo, ambos sistemas siguieron el modelo de fluido plástico de Bingham y el sistema mixto disminuyó la viscosidad plástica en un 44,8% y poseía un límite elástico cercano al sistema basado en hematita.

Las dos formulaciones tenían valores cercanos en términos de resistencia, propiedades elásticas y permeabilidad que se encuentran dentro de los rangos aceptados por la industria.

No se utilizaron datos externos para esta investigación. Todos los datos experimentales generados se incluyen en este manuscrito.

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Los autores desean agradecer a la Universidad Rey Fahd de Petróleo y Minerales (KFUPM) por permitir la publicación de este trabajo.

Esta investigación no recibió financiación externa.

Departamento de Ingeniería del Petróleo, Facultad de Petróleo y Geociencias, Universidad Rey Fahd de Petróleo y Minerales, 31261, Dhahran, Arabia Saudita

Ahmed Abdelaal y Salaheldin Elkatatny

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El manuscrito fue escrito gracias a las contribuciones de todos los autores [AA y SE]. Los autores han aprobado la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Salaheldin Elkatatny.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Abdelaal, A., Elkatatny, S. Micromax mixto y geopolímero de cenizas volantes a base de hematita para cementación de pozos pesados. Representante científico 13, 8669 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36010-w

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Recibido: 29 de enero de 2023

Aceptado: 27 de mayo de 2023

Publicado: 29 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36010-w

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