Una parte clave de la perforación y extracción de nuevos pozos de petróleo es el uso de cementos especializados para revestir el pozo y evitar el colapso y la fuga del pozo. Para evitar que estos cementos se endurezcan demasiado rápido antes de que penetren hasta los niveles más profundos del pozo, se mezclan con productos químicos llamados retardadores que ralentizan el proceso de fraguado.

Ha sido difícil estudiar la forma en que funcionan estos retardadores, sin embargo, porque el proceso ocurre a presiones y temperaturas extremas que son difíciles de reproducir en la superficie.

Ahora, Los investigadores del MIT y otros lugares han desarrollado nuevas técnicas para observar el proceso de configuración con detalle microscópico, un avance que dicen que podría conducir al desarrollo de nuevas formulaciones diseñadas específicamente para las condiciones de una ubicación de pozo determinada. Esto podría contribuir en gran medida a abordar los problemas de fugas de metano y colapso de pozos que pueden ocurrir con las formulaciones actuales.

Sus hallazgos aparecen en la revista Cement and Concrete Research, en un artículo del profesor Oral Buyukozturk del MIT, Kunal Kupwade-Patil, científico investigador del MIT, y otros ocho en el Centro de Investigación Aramco en Texas y en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) en Tennessee.

"Hay cientos de mezclas diferentes" de cemento actualmente en uso, dice Buyukozturk, quien es el profesor George Macomber de Ingeniería Civil y Ambiental en el MIT. Los nuevos métodos desarrollados por este equipo para observar cómo se comportan estas diferentes formulaciones durante el proceso de fraguado "abren un nuevo entorno para la investigación y la innovación" en el desarrollo de estos cementos especializados, él dice.

El cemento que se utiliza para sellar el revestimiento de los pozos de petróleo a menudo tiene que asentarse a cientos o incluso miles de metros por debajo de la superficie. en condiciones extremas y en presencia de diversos productos químicos corrosivos. Por lo general, los estudios de retardadores se han realizado extrayendo muestras del cemento curado de un pozo para realizar pruebas en el laboratorio. pero tales pruebas no revelan los detalles de la secuencia de cambios químicos que tienen lugar durante el proceso de curado.

El nuevo método utiliza una configuración de detector única en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge llamado difractómetro de materiales ordenados a nanoescala, o NOMAD, que se utiliza para llevar a cabo un proceso llamado análisis de la función de distribución de pares de neutrones, o PDF. Esta técnica puede examinar in situ la distribución de pares de átomos en el material que imitan las condiciones realistas que se encuentran en un pozo de petróleo real en profundidad.

"NOMAD se adapta perfectamente al estudio de problemas estructurales complejos como la comprensión de la hidratación en el hormigón, debido a su alto flujo y la sensibilidad de los neutrones a elementos ligeros como el hidrógeno, "dice Thomas Proffen de ORNL, coautor del artículo.

Los experimentos revelaron que el mecanismo principal que actúa en los materiales retardadores ampliamente utilizados es el agotamiento de los iones de calcio, un componente clave en el proceso de endurecimiento, dentro del cemento fraguado. Con menos iones de calcio presentes, el proceso de solidificación se ralentiza drásticamente. Este conocimiento debería ayudar a los experimentadores a identificar diferentes aditivos químicos que pueden producir este mismo efecto.

Cuando se perforan pozos de petróleo, el siguiente paso es insertar una carcasa de acero para proteger la integridad del pozo, evitar que el material suelto colapse en el pozo y cause obstrucciones. Estas carcasas también evitan el petróleo y el gas, que está bajo alta presión, de escapar a la roca y el suelo circundantes y migrar a la superficie, donde la fuga de metano puede jugar un papel importante en la contribución al cambio climático. Pero siempre hay un espacio que varía hasta unas pocas pulgadas, entre la tubería de revestimiento y el pozo. Este espacio debe llenarse completamente con lechada de cemento para evitar fugas y proteger el revestimiento de acero de la exposición al agua y productos químicos corrosivos que podrían provocar su falla.

El metano es un gas de efecto invernadero mucho más fuerte que el dióxido de carbono, por lo que limitar su escape es un paso crucial para limitar la contribución de los pozos de petróleo y gas al calentamiento global.

"El metano, agua, y todo tipo de productos químicos diferentes ahí abajo [en el pozo] crean un problema de corrosión, "Buyukozturk dice". Además, el área circunferencial del pozo está al lado de partes de la corteza terrestre que tienen inestabilidades, por lo que el material podría caer en el pozo y dañar el revestimiento ". La forma de evitar estas inestabilidades es bombear cemento a través del revestimiento hacia el área entre el pozo y el revestimiento, que proporciona "aislamiento zonal". El cemento luego proporciona un sello hidráulico para mantener el agua y otros fluidos alejados de la carcasa.

Pero las altas temperaturas y presiones que se encuentran en la profundidad presentan un entorno que es "lo peor que se le puede hacer a un material, " él dice, por lo que es crucial comprender cómo el material y sus propiedades químicas se ven afectados por estos entornos hostiles mientras realizan su trabajo de sellar el pozo.

Este nuevo método de estudiar el proceso de configuración proporciona una manera "de comprender con precisión este proceso, para que podamos diseñar la próxima generación de retardantes, "dice Kupwade-Patil, autor principal de este artículo. "Estos retardadores son muy importantes, "no solo para proteger el medio ambiente, sino también para prevenir graves pérdidas económicas por un pozo dañado o con fugas". La pérdida del sello es grave, por lo que no puede permitirse cometer un error "en el proceso de sellado del cemento, él dice.

"Después de obtener mi doctorado, hace unos 30 años, mi primer trabajo fue mejorar la calidad de la cementación de pozos de petróleo, "dice Paulo Monteiro, el Profesor Distinguido Roy W. Carlson de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad de California en Berkeley, que no estuvo involucrado en este trabajo. "En ese momento había técnicas de caracterización sofisticadas limitadas, por lo que es un verdadero placer ver que se aplican métodos de dispersión total de rayos X y neutrones para estudiar la hidratación de cementos de pozos de petróleo en presencia de aditivos químicos ". Agrega que estos nuevos métodos tienen" el potencial de guiar el desarrollo de Aditivos hechos a medida que pueden mejorar significativamente el rendimiento de la cementación de pozos de petróleo ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.