Cementación

Finalidad de la cementación

En los pozos verticales la cementación constituye una operación de singular importancia.

Tiene por objeto obtener la unión de la tubería con la pared del pozo para: 

  • Evitar que las aguas superficiales contaminen los acuíferos.

  • Evitar la comunicación de un acuífero utilizable con otro u otros contaminados o que constituyan un horizonte ladrón o que se pretendan utilizar.

  • Aumentar la resistencia mecánica y a la corrosión de las tuberías de revestimiento.

  • En casos especiales proporcionar a un tramo de pozo la hermeticidad necesaria para realizar en él inyecciones a presión, bien sea para hacer un desarrollo con dispersantes o por acidificación, o por fracturación hidráulica.

No obstante, en ocasiones se pueden realizar cementaciones con otros objetivos como formar un tapón de sellado en el fondo del pozo o corregir desviaciones (o a veces para provocarlas) durante la perforación.

El tipo de cemento y los aditivos que se utilicen dependerán de cada caso en concreto. Por ejemplo, para cerrar grandes cavidades durante la perforación se suele emplear cemento al que se le ha añadido productos colmatantes y/o expansivos. 

Asimismo, es posible jugar con la velocidad de fraguado del cemento mediante productos retardadores o acelerantes. Por ejemplo, en el caos de que se quiera limitar la penetración del cemento en las formaciones, puede acelerarse el fraguado mediante combinaciones de cemento/silicato o cemento/bentonita/gas. 

En el caso de cementaciones parciales de la tubería si se intenta aislar una capa "contaminante", la elección del tipo de cemente debe realizarse en función de parámetros físico-químicos tales como la litología del terreno, la composición química del agua, etc., pero también de las propias limitaciones de los equipos de cementación en cuanto a capacidades (volumen y presión) de inyección de la lechada. 

Circunstancias que requieren cementaciones

  • Cementaciones durante la ejecución del sondeo. A lo largo de la perforación del sondeo puede ser necesario realizar operaciones de cementación de determinados tramos por problemas de estabilidad, pérdida de circulación de lodos, etc.
  • Presencia de formaciones o niveles "no deseables" (formaciones que interesa aislar del resto del sondeo porque plantean problemas hidroquímicos, por la presencia de fracciones finas, mala estabilidad, etc.).
  • Cementaciones del fondo del sondeo o entre tramos de distinto diámetro en columnas telescópicas, cuyo objetivo es asegurar físicamente las columnas de entubación.
  • Sellado de captaciones. Se recomienda en casos de sondeos con fuertes surgencias, difíciles de controlar, sondeos con emanaciones naturales de gas, focos de contaminación, sondeos de inyeción de residuos (tóxicos, radiactivos), etc.

Tipos

En general, en sondeos de agua se suelen emplear cementos tipo Portland ordinarios. Sin embargo, en sondeos en los que el agua presenta contenidos superiores a 1 g/l de sulfatos de calcio o sodio disuelto; contenidos en sulfato de magnesio superiores a 0,5 g/l; y más de 5 g/l de cloruro de magnesio, se deben utilizar cementos resistentes a los sulfatos y cloruros. 

En el caso de sondeos geotérmicos se deben seleccionar cementos especialmente adaptados a las condiciones de temperatura y agresividad.

Cementos más utilizados en obras pública sen Europa
Clave   Denomiación Composición
P Portland 95% clinker
P.Co Portland compuesto 655b clinker
35% otros constituyentes
P.Sl. Portland con escoria
P.Fi. Portland con cenizas volantes
P.Po. Portland puzolánico
BLF De alto-horno 65% clinker
35% slag
POZ Puzolánico clinker y puzolana

 

DIAGRAMAS TRIANGULARES DE PROPORCIONES CEMENTO/AGUA

 

Consejos para la preparación de lechadas

  • Debe emplearse agua con bajos contenidos en sulfatos y cloruros, en sustancias coloidales y materia orgánica en solución o suspensión, etc. La temperatura del agua es recomendable que no sea inferior a los 5ºC ni superior a 25-30ºC.
  • La lechada una vez preparada no debe permanecer más de dos horas en la cuba de mezcla o en las canalizaciones del circuito, ya que tienden a perder sus propiedades reológicas.
  • La adición de pequeñas cantidades de bentonita (hasta el 5% en volumen) mejora la estabilidad (débil decantación), aunque retarda el tiempo de fraguado y disminuye la resistencia final. 
  • Para un cálculo rápido y aproximado del volumen de lechada de cemento necesario para cementar un tramo de un sondeo, se puede utilizar la siguiente fórmula: 

V = h (D2/2)

donde V es el volumen (en litros) de lechada de cemento; h es la altura (en metros) del tramo a cementar y D es el diámetro (en pulgadas) de la perforación. 

Si lo que se trata de cementar es el espacio anular entre tubería y perforación, el volumen se calcularía por diferencia entre el volumen de los dos cilindros. Para obtener un cálculo más preciso se utiliza la fórmula siguiente:

V = h  π (R2 - r)

siendo V el volumen (en metros cúbicos) de lechada; h es la altura (en metros) del tramo a cementar ; R el radio (en metros) de la perforación y r el radio (en metros) de la tubería. 

Para calcular la cantidad en peso del cemento necesario es necesario recurrir a la ayuda de diagramas y tablas de proporciones de agua/cemento y bentonita/cemento, para la densidad seleccionada. 

A la cantidad de peso calculada es aconsejable añadir un incremento del orden del 30%, para cubrir las posibles pérdidas en carga/descarga, manipulación y mezcla y posible presencia de cavidades en las paredes de la perforación. 

 

Material de inyección y dosificaciones

Para las cementaciones se usan, casi exclusivamente, suspensiones de cemento o suspensiones de cemento y bentonita, ambas en agua.

Las suspensiones de cemento tienen más facilidad para decantar, es decir, son menos estables que las que contienen bentonita. Además, son tanto más estables cuanto mayor es la dosificación de éste.

Aún cuando la adición de bentonita disminuye algo la resistencia, reduce sin embargo la retracción y favorece la manejabilidad de la suspensión, por lo cual, resulta muy conveniente el empleo de suspensiones de cemento-bentonita.

En las suspensiones de cemento para cementaciones de pozos, debe utilizarse una relación cemento/agua, comprendida entre 1,80-2,25, lo que equivale aproximadamente a emplear entre 27 y 22 litros de agua para cada saco de 50 kg de cemento. Con cantidades mayores de agua, la suspensión es muy inestable, produciéndose una rápida sedimentación. 

Con la adición de bentonita, aparte de las ventajas ya citadas, se consigue una suspensión más estable. Las cantidades de bentonita que deben añadirse son pequeñas, en general comprendidas entre 1,5-3,0 kg por cada 50 kg de cemento, es decir entre el 3-6% del peso de éste. cuando se añade bentonita es preciso aumentar la cantidad de agua, pudiéndose utilizar entonces una relación cemento/agua comprendida entre 1,4 y 1,8.

En la tabla de abajo se indican las densidades aproximadas de la suspensión resultante, para distintas dosificaciones de cemento y bentonita. 

Cálculo de cementaciones
Relación bentonita/cemento  Densidad  Agua por saco de cemento de 50 kg (litros) Suspensión resultante por saco de cemento de 50 kg 8litros)
0 1,75 28,5 45
1,80 26,5 42,5
1,85 24,5 40,5
1,86 23,75 39,5
1,88 23 38,75
1,90 22 38
1,95 20 36
2,02 17,5 33,5
2 1,76 29 45,5
1,80 27 43,5
1,85 24,5 40,75
1,90 22,5 38,5
4 1,69 33,75 51
1,75 30,75 47,25
1,80 27,5 44
1,82 26,5 43
6 1,64 37,5 55
1,70 33,75 51
1,75 30,5 47,75
1,77 29,5 46,5

Es conveniente batir primero la bentonita y el agua y después añadir el cemento. Es buena práctica que la bentonita esté mojada unas 24 horas o más antes de su empleo. Las aguas que se utilicen deben cumplir las condiciones normales para ser empleadas en morteros y hormigones, especialmente en cuanto se refiere al contenido en sulfatos. Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos, deben utilizarse cementos resistentes a éstos. 

Consejos para la cementación

  • En cementaciones de cierta dificultad es importante realizar una perfecta planificación de todas las operaciones que se llevarán a cabo. Por ello, la empresa ejecutante deberá presentar un plan de trabajo detallado que será supervisado por técnicos especialistas. En el plan de trabajo se detallaran las operaciones y se relacionarán los medios técnicos y humanos con que se va a contar.
  • En cementaciones de tuberías, éstas deben estar correctamente centradas en la perforación (centradores), existiendo suficiente margen de diámetro entre tubería y perforación (al menos 50-100 mm).
  • El anular debe estar ausente de sustancias contaminantes. 
  • La tubería debe estar limpia, sin grasas, de modo que facilite la adherencia del cemento. 
  • Preparación adecuada de la lechada de cemento en composición, volumen y tiempo. 

Procedimientos de cementación

Introducción de la tubería de revestimiento con el pozo lleno de la suspensión de cemento

El pozo se puede llenar de cemento bien por gravedad desde la boca o introduciendo una tubería de aproximadamente 2'' hasta unos 30-40 cm del fondo de pozo y vertiendo por ella (también por gravedad) la suspensión de cemento. 

Si el sondeo se ha perforado mediante percusión y está lleno de lodo, el cemento desplazará a éste debido a su mayor densidad. Lo mismo ocurría si la perforación está llena de agua. 

A continuación se desciende la tubería de revestimiento con el fondo tapado por un tapón hecho con material que resulte fácilmente perforable. La tubería deberá estar provista de centradores para mantener la verticalidad de la entubación y que el anular de cemento sea uniforme. Si la tubería no desciende por su propio peso se lastra con agua.

Antes de reanudar los trabajos de perforación se suelen dejar 72 horas para el fraguado y endurecimiento de la suspensión de cemento, tiempo que puede reducirse si se emplean acelerantes de fraguado aunque no es conveniente la reanudación de los trabajos sin que el endurecimiento haya tenido lugar con seguridad. Por el contrario, cuando se ha utilizado un revestimiento auxiliar como entubación provisional, su recuperación debe hacerse antes de que se inicie el fraguado.

Este procedimiento de cementación está especialmente indicado para pequeñas profundidades (de unos 50 m) ya que la introducción de la tubería y su soldadura por tramos de 3 ó 4 m, o del doble, si previamente se ha soldado en el suelo cada dos, requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento. 

Inyección a presión por el interior de la tubería con tapón perdido

En este procedimiento se cierra con chapa el extremo superior de la tubería que se va a cementar y se la suspende al menos 30-40 cm sobre el fondo. 

Interponiendo previamente un tapón de material fácilmente perforable, se inyecta la suspensión de cemento con bomba (puede servir la misma de la sonda si se ha perforado a rotación), desplazándose el lodo o agua contenido en el interior de la tubería hasta hacerlo salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno. Se continúa la inyección de la suspensión de cemento hasta un volumen previamente calculado (que es el anular que se pretende cementar, con cierta holgura) y después se continúa inyectando agua o lodo hasta que el cemento sale a la superficie. Una vez conseguido esto, se cierra la llave de la tubería de inyección para que el peso de la suspensión de cemento no desplace al agua o lodo de la tubería, que es de menor densidad y se vacíe el anular. La operación se lleva a efecto calculándola para que la parte inferior de la tubería quede rellena de cemento en una longitud de 2-3 m, que después se reperforan al continuar el trabajo. 

Este procedimiento es muy utilizado en la cementación de pozos para agua, y también en los de petróleo, donde se usan tapones más complicados, generalmente sujetos a alguna patente. 

Inyección a presión por el interior de la tubería

Procedimiento muy similar al anterior, con la diferencia que en éste no existe interposición del tapón. La suspensión de cemento se inyecta poniéndola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tubería y el anular. 

Ambos medios apenas si se mezclan (sólo lo hacen parcialmente en una pequeña zona) y la suspensión de cemento sale a la superficie por el espacio anular comprendido entre la tubería y la pared de la perforación. 

La última fase de la inyección se hace también con agua o lodo para terminar de hacer circular el cemento. Una vez que éste ha subido hasta la superficie, se cierra la llave de la tubería de inyección a fin de que no retorne el cemento.

Procedimiento muy empleado en la cementación de pozos para agua. 

Inyección con tubería por el espacio anular 

La inyección se hace a través de una tubería de pequeño diámetro (1 1/2-2") que se introduce por el anular entre el revestimiento y la perforación, dejándola suspendida a unos 30-40 cm del fondo. 

Como, en general, la diferencia de diámetros entre entubación y perforación es pequeña, se emplea poco este procedimiento, ya que no suele ser posible la introducción de la tubería de inyección. 

Inyección a presión con tubería de inyección por el interior del revestimiento y válvula en el fondo

Este procedimiento es muy empleado en la cementación de pozos de petróleo y menos en pozos de agua. 

La inyección se hace a través de una tubería de pequeño diámetro alojada en el interior de la entubación.

Una válvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensión de cemento que impulsa la bomba, al espacio anular entre revestimiento y perforación, e impide su retorno.

La inyección se da por terminada cuando se ha introducido el volumen de la suspensión, previamente calculado. A continuación se desenrosca y extrae la tubería de inyección, quedando perdida la válvula, la cual es destruida al continuar con la perforación, lo que debe permitir fácilmente el material. 

Inyección a presión con tubería de inyección por el interior del revestimiento sin válvula en el fondo 

 

 

Procedimiento similar al anterior con la salvedad de que en éste se suprime la válvula.

La suspensión del cemento y el agua o lodo de la tubería y el anular se ponen en contacto. Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tubería de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior. En la zona de contacto de la suspensión de cemento y el agua o lodo, la cementación es imperfecta por haber una zona de mezcla, por lo que igual que se indicó para le procedimiento de "inyección a presión por el interior de la tubería con tapón perdido" es conveniente dejar los 2-3 últimos metros de la tubería de revestimiento rellena de cemento, que luego se perfora, para asegurar una buena cementación del anular en esa zona. 

Este procedimiento es también muy usado en la cementación de pozos de agua. 

 

 

 
 
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