Pastas de Cemento Alivianadas con Microesferas Huecas de Vidrio: Homogeneización de Parámetros Elásticos y Modelo No Local de Daño Mecánico

Resumen

Las microesferas huecas de vidrio (HGMS) se utilizan como alternativa para alivianar las pastas de cemento tradicionalmente utilizadas en pozos de extracción de hidrocarburos y de inyección de CO₂. Estas pastas cumplen tres funciones: asegurar el aislamiento zonal entre formaciones geológicas, proteger la tubería metálica (casing), y soportar cargas mecánicas. La incorporación de HGMS permite reducir la densidad de las pastas y con ello la presión hidrostática ejercida sobre la formación rocosa durante la cementación. Esto resulta importante en formaciones geológicas profundas, donde un exceso de presión puede dañar la roca circundante. Sin embargo, la presencia de HGMS afecta el comportamiento de este material compuesto. En este trabajo se implementa un modelo numérico químico-poromecánico preexistente capaz de representar de manera acoplada el comportamiento de pastas de cemento tradicionales en condiciones de pozos de inyección de CO₂. El modelo fue mejorado para considerar la influencia de las HGMS en los parámetros elásticos aplicando una homogeneización micromecánica. Además, se incluye un modelo de daño inducido por cargas mecánicas para representar la degradación en la rigidez del material una vez superado cierto umbral. Para ello se implementa un daño continuo no local dependiente del gradiente de daño. El modelo acoplado se valida y calibra mediante resultados experimentales obtenidos en trabajos de laboratorio.