Propiedades básicas de los fluidos de perforación

INTRODUCCION
Los Hidrocarburos son compuestos orgánicos constituidos por átomos de Carbono
y Oxigeno, los cuales se combinan de maneras diferentes formando sustancias que
varían desde el gas Metano hasta sustancias complejas. El petróleo es un ejemplo
de esta mezcla de hidrocarburos de diferentes tipos, los cuales después de ser
extraídos son sometidos a procesos de separación.
La historia del Petróleo nos dice que podemos encontrarlo en algunas rocas que
constituyen la corteza terrestre, como es el caso de rocas sedimentarias donde
existen espacios porosos capaces de alojar Hidrocarburos. En Areniscas y Calizas
estos poros son numerosos e interconectados. A estas rocas se les conoce como
Reservorios.
Durante millones de años el Petróleo migra a través del Reservorio hasta que
encuentra una roca sello la cual impide su movimiento y empieza a acumularse,
produciéndose de esta manera una Trampa. La localización de estas Trampas por
diferentes
métodos
como
levantamiento
aéreo,
exploración
geológica
y
exploración geofísica, constituyen el paso inicial y necesario para poder tomar la
determinación de perforar un pozo y verificar la existencia de Petróleo o Gas y
luego extraerlo.
La perforación de pozos es conocida desde hace siglos. Ya para el año 1100 D.C. se
habían realizado en China pozos de 3500 pies de profundidad para la extracción
de salmueras, utilizando el método de percusión o golpeteo. Luego para el año
1900 se implemento el método Rotatorio, el cual utiliza un equipo especial llamado
Taladro de Perforación, constituido por una serie de accesorios que han sufrido
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grandes modificaciones a través del tiempo, reduciendo de esta forma los tiempos
y costos involucrados en este proceso.
El método rotatorio se caracteriza por dos elementos principales: la mecha de
perforación actuando contra la formación y avanzando a través de ella, y la
utilización de un fluido que permita la limpieza de los recortes hechos por la
mecha.
En un comienzo ( 1901-1921 ), el fluido estaba constituido por agua mas los
minerales que aportaban las formaciones atravesadas, sin ningún tipo de control
por carecer de equipos para observar su comportamiento. El único aditivo utilizado
era el agua. A este fluido se le dio el nombre de Lodo y se definió como: "Mezcla
de
agua
con
arcilla
que
permanece
suspendida
durante
un
tiempo
considerable”.
Desde 1921 hasta el presente, se comienzan a controlar las propiedades del lodo
de perforación., introduciéndose el uso de materiales densificantes como Sulfato
de Bario, Oxido de Hierro, Oxido de Plomo, Materiales viscosificantes y de
suspensión como la Bentonita. Es para 1931 cuando se introduce el uso del embudo
Marsh, del Viscosimetro Stormer y técnicas de preparación y mantenimiento del
lodo, para mediciones reológicas y no es hasta 1937 cuando se introduce el uso del
filtro-prensa para determinar propiedades de filtración.
En la actualidad, el estudio de los fluidos de perforación se ha intensificado,
desde el desarrollo de equipos sofisticados, con alta sensibilidad para determinar
propiedades del lodo y formulación de nuevos sistemas acorde con las nuevas
técnicas de perforación, con la única finalidad de poder realizar la búsqueda de los
Hidrocarburos de una mejor forma, en menor tiempo y al menor costo posible.
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Funciones principales de los fluidos de Perforación:
• Transportar los recortes (ripios) de perforación y los derrumbes de
las paredes del pozo hasta la superficie.
La mecha a través de su paso por las diferentes
formaciones existentes en el
subsuelo, va produciendo gran cantidad de recortes en volumen equivalente al
diámetro de la misma. Además, de estos ripios el hoyo perforado sufre derrumbes
de sus paredes, bien sea por inestabilidad de la formación (Lutitas), o producido por
efecto del contacto de la tubería de perforación y ensamblaje de fondo con las
paredes del pozo.
Estos recortes y derrumbes poseen una gravedad específica que los hace más
pesados que el fluido de perforación y por lo tanto están sometidos a la fuerza de
gravedad y tienden a caer hacia el fondo del pozo. Para poder vencer esta fuerza de
caída, se requiere que el fluido de perforación posea una velocidad suficiente para
vencer la velocidad de caída de los ripios y derrumbes. Si el pozo no es limpiado en
forma apropiada, este material se acumulara en el espacio anular ocasionando
problemas de aumento de la torsión, del arrastre y de la presión hidrostática.
Además, puede originar pega de tubería, reducción de la tasa de penetración y
posibles pérdidas de circulación inducidas.
• Transmisión de energía o potencia hidráulica sobre la formación a
través de la mecha
Durante el proceso de circulación el lodo va a través del interior de la tubería de
perforación hasta la mecha donde es expulsado por los Jets o boquillas a gran
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velocidad, produciendo una fuerza hidráulica debajo de la mecha la cual es la
encargada de remover constantemente los recortes hechos por la misma y poder
enviarlos a la superficie. La no remoción de estos recortes o ripios puede ocasionar
serios problemas como la reducción de la vida útil de la mecha, bajas tasas de
penetración, etc. Para lograr una eficiente remoción de estos recortes, es necesaria
una buena planificación a través del cálculo del tamaño de las boquillas a usar, las
propiedades físicas del lodo de perforación, con la finalidad de obtener la velocidad
optima de salida.
Esta fuerza hidráulica del lodo es de vital importancia en el caso de que se estén
utilizando en el pozo Motores de Fondo, en el caso de perforación direccional u
horizontal, ya que la misma es la que va a ser girar la mecha directamente.
• Suspensión de recortes,
detener la circulación.
derrumbes y material densificante al
Al momento de detener la circulación del lodo, la fuerza con la cual se están elevando
las partículas en el espacio anular se hace cero. Por efecto de la gravedad y el peso
de estas partículas, las mismas tenderán a caer hacia el fondo del pozo. Para evitar
esto el fluido de perforación debe tener la capacidad de formar una estructura de
gel al estar en reposo e igualmente al iniciar el movimiento por reinicio de la
circulación, el fluido debe recuperar su fluidez en forma rápida. Esta propiedad
evita la ocurrencia de problemas operacionales como pega de tubería, perdidas de
circulación inducidas, arrastre y además es factor determinante en la perforación de
pozos altamente inclinados y horizontales, donde la deposición de ripios juega papel
importante para el éxito de la misma. Es de gran importancia también la suspensión
de material densificante ( Barita, Hematita, etc ) , para poder mantener una presión
hidrostática constante a través de toda la columna.
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• Enfriamiento de la mecha y sarta de perforación
La mecha en su contacto con la formación genera calor por efecto de la fricción.
Este calor debe ser absorbido por el fluido de perforación y ser llevado hasta la
superficie a través del espacio anular. Además, es sabido que tanto la mecha, la
sarta de perforación y el revestimiento, están sometidos constantemente a rotación
y contacto. Algunas partículas contenidas en el lodo por su disposición sobre las
paredes del pozo disminuyen la fricción y la abrasión. En algunos casos se añaden
materiales especiales para mejorar sus propiedades lubricantes ( Gasoil, petróleo ),
los cuales prolongarán la vida de la mecha, de la tubería de perforación por
reducción de la torsión y arrastre, menor presión de bombeo y menor desgaste a la
tubería de revestimiento.
• Suspensión de las tuberías de perforación y revestimiento
El equipo de perforación está constantemente sometido a grandes esfuerzos por
efecto principalmente del peso de la tubería de perforación y del revestimiento. En
la mayoría de los casos, este proceso puede exceder las 300 Toneladas.
El peso de estas tuberías esta parcialmente sostenido por el empuje ascendente del
fluido de perforación ( Principio de Arquímedes ). Esta presión ascendente depende
de la presión ejercida por el fluido sobre la sección transversal. El peso de la sarta
de perforación y de la tubería de revestimiento en el fluido, es igual al peso de la
misma en el aire multiplicado por un factor de flotación. Existe una relación inversa
que se cumple: a mayor densidad del lodo, disminuye el peso de la tubería. La
ecuación que rige el factor de flotación es la siguiente:
Ff = 1 - ( 0.015 x Densidad del fluido )
( Lpg )
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• Controlar las presiones de formación
El agua y los Hidrocarburos contenidos en el subsuelo están en la mayoría de los
casos bajo presión. Al momento de perforar un pozo se están perturbando las
condiciones naturales del yacimiento y por ende la de los fluidos entrampados en él,
los cuales por diferencia de presión tratarán de salir incontroladamente a superficie.
El fluido de perforación debe proporcionar la presión necesaria para contrarrestar
este flujo de fluidos provenientes de la formación a través de la presión
hidrostática ejercida por el lodo sobre las paredes del pozo. Esta presión dependerá
de la densidad del lodo y de la altura de la columna de fluido. El no detectar a tiempo
estas presiones, puede originar Arremetidas, las cuales se pueden convertir en
Reventones causando grandes y graves problemas.
• Sostener las paredes del pozo
Al penetrar una formación se suprime parte del apoyo lateral que ofrecen las
paredes del pozo. El fluido de perforación debe servir de sostén de las mismas hasta
que se introduzca la sarta de revestimiento en el hoyo, de lo contrario, la formación
caerá en el interior del pozo (derrumbes).
Dependerá entonces del tipo de
formación a atravesar para poder saber cuales condiciones del lodo deben ser
tratadas con la única finalidad de proporcionar un buen sostén por parte del fluido.
En formaciones muy firmes se necesita poco sostén; si la formación es
moderadamente firme, la densidad del lodo puede brindar un apoyo suficiente. En
formaciones no consolidadas y débiles, el fluido puede ser suficientemente denso
pero además debe tener la capacidad de formar una capa delgada pero consistente
de partículas llamada Revoque sobre las paredes del hoyo.
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• Medio adecuado para el perfilaje por cables
El fluido de perforación debe poseer buenas condiciones de conductividad de
electricidad y que sus propiedades eléctricas sean diferentes a la de los fluidos de la
formación, para poder realizar el perfilaje o Registros Eléctricos al pozo. Es
importante entonces que durante el proceso de perforación exista la menor cantidad
de fase liquida del lodo invadiendo la formación, para así evitar en lo posible el daño
a la formación y el resultado no confiable del perfilaje. Igualmente, el lodo no debe
erosionar las paredes del pozo ya que los resultados también se van a ver
influenciados por este motivo.
En la actualidad, se utilizan una serie de equipos de medición instantánea, tanto de
los parámetros de perforación en si como de perfilajes durante la perforación
(MWD, LWD ), cuyos resultados proporcionan al Ingeniero, las herramientas
necesarias para optimar el proceso de perforación y que sin unas buenas condiciones
del lodo, será imposible su aplicación.
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Estas funciones primordiales de los fluidos de perforación
se pueden realizar si se trata de minimizar los siguientes
efectos colaterales o secundarios:
• Daño a las formaciones potencialmente productivas.
Los fluidos de perforación en su gran mayoría alteran las características originales
de la formación más cercana a la cara del pozo. Algunas de estas formaciones son
más sensibles que otras e igualmente algunos fluidos causan mas daño que otros.
El daño a las formaciones productivas puede ser el resultado del taponamiento físico
por sólidos inertes o reacciones químicas entre los componentes del fluido y los de la
formación. El pozo puede hacerse inestable por efecto de reacciones químicas
(Lutitas Hidrófilas) o por efecto de erosión física, para lo cual habrá de utilizarse
fluidos especialmente tratados y específicamente diseñados para estos casos.
• Corrosión de la sarta de perforación y tubería de revestimiento.
Por su composición química, los fluidos de perforación pueden crear un ambiente
corrosivo para los tubulares de acero empleados en la perforación de un pozo. Sin
embargo, este efecto puede ser reducido a un mínimo por medio de tratamientos
químicos adecuados del fluido a emplear, como es el caso de fluidos que usan
petróleo o gasoil los cuales lo hacen no corrosivo.
• Reducción de la tasa de penetración.
La diferencia entre la presión hidrostática del fluido y la presión de formación
afecta la velocidad de penetración de la mecha. Si la densidad del fluido es mucho
mayor que el gradiente de presión de la formación, se obtendrán menores
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velocidades de penetración. Una cantidad excesiva de sólidos y altas viscosidades
también son factores que disminuyen la velocidad de penetración.
• Presiones de succión, pistón y de circulación
Los problemas con estas presiones pueden ser causados al no controlar óptimamente
ciertas propiedades del lodo como viscosidad, resistencia de gel o exceso de sólidos.
Si se tiene un revoque demasiado grueso, el diámetro del pozo se reduce, lo que
determina un deficiente control de la perdida de fluidos.
Presiones de succión excesivas aumentan el riesgo de una surgencia y las
posibilidades de una arremetida. Una presión de circulación alta puede causar
problemas de pérdida de circulación. Una alta concentración de sólidos reduce la
energía hidráulica disponible a nivel de la mecha, aumenta el desgaste de la bomba y
en algunos casos puede hacerse inbombeable.
• Pérdidas de circulación.
El costo total de un pozo se ve afectado por la existencia de pérdidas de circulación
del fluido de perforación, aumentando el costo del mismo y originando una situación
de arremetida. La pérdida de circulación se produce cada vez que la presión ejercida
por el fluido contra la formación excede la resistencia de la formación. Fluidos con
alta densidad pueden dar como resultado presiones excesivas, igualmente alta
viscosidad y gran resistencia de gel pueden crear presiones demasiado elevadas en el
interior del pozo durante la circulación, al iniciarla o mientras se esta efectuando un
viaje en el pozo
• Erosión de las paredes del pozo.
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La erosión de las paredes del pozo dificulta la evaluación del mismo a través del
perfilaje por cables. La erosión puede ser física o química, la física puede reducirse
a un mínimo al controlar la velocidad anular (moderadamente baja). La erosión
química depende de las reacciones químicas entre los componentes del fluido y los de
la formación, por lo que deben diseñarse sistemas de lodo acordes con el tipo de
formación a perforar.
• Retención de sólidos indeseables por el fluido en los tanques.
El desarrollo de una estructura de gel suficiente como para suspender los sólidos
generados durante la perforación debe ser característica primordial de los fluidos
de perforación. Al llegar estos sólidos indeseables a superficie, deben ser separados
del fluido bien sea una parte de ellos por decantación o sedimentación en tanques
especiales y los otros sólidos mediante la utilización de equipos especiales de control
de sólidos.
Los sólidos abrasivos contenidos en los fluidos de perforación pueden causar
desgastes excesivos en partes de las bombas de lodo y de otros equipos con los
cuales entra en contacto. La arena por ejemplo es el más abrasivo de los sólidos que
se incorpora al lodo durante la perforación; la misma debe ser detectada por
procedimientos de laboratorio, hacerse sedimentar o bien removerse por medios
mecánicos.
• Contaminación con lechadas de cemento.
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La cementación de pozos es otra de las etapas durante el proceso de perforación.
Algunos fluidos óptimos para perforar son incompatibles con las lechadas de
cemento utilizadas para cementar el revestimiento. Estos fluidos deben separarse
del cemento mediante el uso de espaciadores.
• Resistencia
externas.
a
posibles
contaminaciones
derivadas
de
fuentes
El fluido de perforación debe ser capaz de resistir contaminaciones provenientes de
las formaciones penetradas, de los líquidos y gases contenidos en las mismas y de
cualquier material añadido al sistema durante las operaciones de perforación. Los
sólidos de perforación constituyen el principal contaminante; otros contaminantes
pueden ser los cationes de agua de formación (Sodio, Calcio, Magnesio, etc.),
materiales añadidos como cemento, gases como el CO2 y H2S atrapados en la
formación. Para determinar el grado de contaminación basta un análisis al filtrado
del lodo y dependiendo del mismo, si es muy seria la contaminación, debe convertirse
el sistema en otro o llevar a cabo el desplazamiento del lodo contaminado por un
fluido más tolerante.
• Mantenerse estable a presiones y temperaturas.
En pozos profundos especialmente, los valores de presión y temperatura suelen ser
bastante elevados > 350 °F y 15000 Lpc. La mayoría de las sustancias químicas
empleadas en los fluidos de perforación son susceptibles de degradarse
térmicamente ocasionando graves problemas como floculación, solidificación, etc. ,
que proporcionan dificultad para sacar la tubería de perforación, pérdidas de
circulación, etc.
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Reología de los Fluidos:
Ciencia que estudia la capacidad y comportamiento del flujo de fluidos.
Se entiende por fluido cualquier sustancia que se deforma constantemente cuando es
sometida a esfuerzos de corte (cizallamiento) por muy pequeño que este sea.
Pueden ser:
• Newtonianos
• No Newtonianos
Debemos definir también lo que es flujo: “ Movimiento de un fluido ” y puede ser:
Tapón, Laminar o Turbulento.
El Esfuerzo de Corte (Ec) es el esfuerzo tangencial que tiende a
deformar el
elemento fluyente y esta expresado en Dinas / cm 2. A nivel de campo, puede
considerarse el esfuerzo de corte como la presión ejercida durante la circulación del
lodo o presión de bomba. Cuando el lodo pasa a través de las boquillas o jets de la
mecha, sufre el mayor adelgazamiento por corte y por lo tanto tendrá baja viscosidad,
lo cual es positivo ya que la velocidad de penetración mejora.
La Tasa de Corte (Tc) es la velocidad a la cual se desenvuelve el Esfuerzo de Corte en
el fluido en comportamiento dinámico de desplazamiento. Su variación es puntual a
través de todo el sistema de circulación. La Tasa de Corte es mayor en la mecha y
menor en los tanques de lodo; esta expresada en segundo-1 y no es mas que la relación
entre la velocidad relativa expresada en pies /seg y la distancia relativa en pies. En el
campo, la Tasa de Corte esta relacionada con la velocidad del fluido en el espacio anular
(Va), por lo tanto, es función del caudal o tasa de bombeo y de la capacidad anular.
La relación entre Esfuerzo de Corte y Tasa de Corte se define como la Viscosidad de
un fluido.
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Tipos de Fluidos:
Newtonianos:
Fluido básico donde el esfuerzo de cizallamiento o corte es directamente proporcional
a la tasa de corte. Inician su movimiento al agregar presión al sistema (P > 0). Entre
ellos se pueden encontrar el agua, aceite, gasolina, glicerina, etc.
Características:
* No tiene capacidad de suspensión.
* La viscosidad es independiente del esfuerzo de corte y disminuye con temperatura
* Fluido incompresible
* La relación punto cedente / viscosidad plástica es igual a cero
* Perfil de velocidades constante, se asemeja a una Parábola
* El índice de comportamiento de flujo (n) igual a uno
Esfuerzo de Corte
* Libre de sólidos.
Tasa de Corte
No- Newtonianos:
Su viscosidad depende las condiciones del flujo (movimiento de un fluido). El fluido
puede ser: Tapón, Laminar o Turbulento. Los fluidos No Newtonianos se clasifican de la
siguiente manera, en función de su comportamiento con el tiempo:
. Comportamiento independiente del tiempo:
.- Plástico, Pseudoplástico, Dilatante
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Comportamiento en función del tiempo:
.- Tixotrópico y Reopéctico
Fluidos Plásticos:
Envuelve a la mayoría de los fluidos de perforación. Requieren de una velocidad mínima
de cizallamiento igual al punto cedente para iniciar el movimiento. Su comportamiento
reológico es expresado por la ecuación de Bingham:
Ec = PC + (C x VP) + Tc
Donde: Ec: Esfuerzo de Corte
PC: Punto Cedente
C : Constante del Viscosimetro
VP : Viscosidad Plástica
Tc : Tasa de corte
Ec
Tc
Fluidos Pseudoplásticos:
Requieren de una presión mayor que cero para comenzar el movimiento. La viscosidad
aparente disminuye al aumentar la tasa de corte hasta un punto donde la velocidad se
hace constante. Se caracteriza porque el punto cedente es igual a cero.
Su comportamiento reológico esta descrito por la ley de Potencia (Power Law), los
valores de n: índice de comportamiento laminar o sea capacidad de un fluido para
reducir la viscosidad por corte y k: factor de consistencia del flujo laminar,
dependiente de la cantidad de sólidos, forman parte de la siguiente ecuación:
Ec = k (Tc ) n
n < 1.0
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Esfuerzo de Corte
Tasa de Corte
Al aumentar la tasa de corte, disminuye la viscosidad aparente o sea disminuye la
lectura de 600 r.p.m. y aumenta el punto cedente. Como ejemplo de este tipo de fluidos
se tienen: polímeros, resinas, pinturas y lodos de perforación.
Fluidos Dilatantes:
Constituidos por una alta concentración de sólidos dispersos, la viscosidad aparente
aumenta al aumentar la tasa de corte. El punto cedente es igual a cero. La ecuación que
lo describe es la siguiente:
n >1.0
Esfuerzo de Corte
Ec = k (Tc) n
Tasa de Corte
Fluidos Tixotrópicos:
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La Tixotropía es la capacidad que tienen los fluidos de desarrollar con el tiempo una
resistencia de gel., El lodo adquiere una consistencia gelatinosa si se deja en reposo,
pero al agitarse nuevamente regresa a su estado original.
En este tipo de fluidos, el esfuerzo de corte no sigue una relación proporcional con
respecto al aumento o disminución de la tasa de corte. Como ejemplo de este tipo de
fluido se tienen los lodos de perforación base agua, base aceite, tintas, pinturas.
Fluidos Reopécticos:
Son aquellos que desarrollan una estructura en función del tiempo a cierta tasa de
corte. El Yeso en agua tarda 40 minutos en fraguar si se le deja en reposo, pero si se
agita constantemente, tarda solamente 20 minutos
Etapas de flujo:
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No flujo: La presión de la bomba es insuficiente para mover el fluido, presión menor
que el punto cedente. La máxima fuerza aplicada es igual al punto cedente.
Flujo tapón: La presión de la bomba es suficiente para mover el fluido. La presión
aplicada supera el punto cedente verdadero, pero es menor que el punto cedente falso o
de Bingham. El fluido en flujo tapón tiene gran capacidad de limpieza y es
característico de los lodos no dispersos.
Flujo Laminar:
Incompleto: La presión de la bomba es suficiente para vencer la fuerza de fricción
entre el fluido con la pared del pozo y la tubería de perforación:
Completo: A medida que se incrementa la presión, aumenta la velocidad en el centro
del espacio anular. El perfil de velocidades se asemeja a una parábola. Entre más agudo
es el perfil, mayor será la zona de baja velocidad y por consiguiente menor será la
limpieza del hoyo.
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Flujo Turbulento: Posee un perfil de velocidades parecido al del flujo tapón, con la
diferencia de que el movimiento de las partículas es en forma desordenada. En el
campo, el flujo turbulento se logra al aumentar la presión y las emboladas de la bomba
de lodo, consiguiendo aumentar de esta forma la velocidad anular.
¿Cómo determinar el tipo de flujo?
Para fluidos Newtonianos, el tipo de flujo se determina a través del Numero de
Reynolds, el cual es adimensional. En los fluidos no Newtonianos por carecer de
velocidad absoluta, no se puede saber el tipo de flujo aplicando él numero de Reynolds,
en consecuencia, para su determinación bastara con comparar la velocidad anular con la
velocidad critica.
Para fluidos Newtonianos:
Re = 982 (Dh-Dp) x Va x W / Viscosidad
(Dh-Dp) = Diámetro anular (pulg)
Va = Velocidad Anular (pies/seg)
W = Densidad del lodo ( Lpg)
El fluido puede estar en distintas etapas de flujo en diferentes puntos del hoyo o del
pozo, puede ser turbulento alrededor de los portamechas y laminar dentro de la
tubería de perforación.
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Si:
Re > 2000
Re > 4000
Re < 4000 > 2000
Flujo Laminar
Flujo Turbulento
Transición Laminar a Turbulento
Para fluidos no Newtonianos:
Va < Vc
Va > Vc
Flujo Laminar
Flujo Turbulento
Va = 24.4 x gpm / Dh2 – Dp2
Vc = 1.078 VP + 1.078
Velocidad anular
(VP) 2 + 9.256 ( Dh - Dp ) 2 x PC xW / W (Dh-Dp)
Los rangos mas utilizados en perforación para velocidad anular dependerán de la
densidad del lodo usada y el tipo de pozos referido a su desviación
9.0 -10.0 Lpg
14.0 -17.0 Lpg
Pozo Vertical (0°-10°)
80-140
60-120
Pozo Inclinado (10°-30°)
130-170
110-130
Pozo Desviado (30°-60°)
> 250
> 180
> 17.0 Lpg
60
100
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Modelos Reológicos:
Los modelos reológicos están basados en la relación esfuerzo de corte-tasa de corte, y
permiten describir el comportamiento reológico de los fluidos en el espacio anular.
Para un fluido Newtoniano es necesario conocer la tensión de corte a una sola velocidad
de corte, luego se grafica en papel de coordenadas rectangulares y se traza una recta
por ese punto y por el origen.
Para fluidos no Newtonianos es necesario utilizar un viscosímetro de velocidad variable,
ya que no existe una ecuación matemática que describa la reología de los fluidos en el
espacio anular. Se han propuesto varias ecuaciones que se aproximan a la verdadera
relación Ec-Tc, estas ecuaciones reciben el nombre de modelos reológicos , los cuales
deben basarse en mediciones que puedan realizarse en el campo en forma rutinaria.
Además, debe ser suficientemente simple y de fácil aplicabilidad en el campo.
Es bueno e importante tener presente que el esfuerzo de corte equivale a la lectura del
dial y la velocidad de corte a la rpm del reómetro.
Modelo Plástico de Bingham:
Es el modelo reológico mas empleado en el campo por su simplicidad, ya que provee una
base excelente para el tratamiento de lodo. Se utiliza un Viscosímetro de dos
velocidades 600 y 300 rpm cuyos valores se grafican en papel de coordenadas
rectangulares, se unen estos dos puntos obteniéndose una recta cuyo punto de
intersección con el eje vertical corresponde al punto cedente y la pendiente de la recta
corresponde a la viscosidad plástica.
Ecuación de la recta: Lectura del dial = PC + VP/L300
VP = L600 - L300
PC = L300 – VP
Desventajas del modelo:
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• Limitado a dos velocidades (300 y 600 rpm)
• En lodos dispersos se obtienen a bajas tasas de corte, valores de esfuerzo de corte
mayores a los que realmente deben ser.
• Este modelo no describe el comportamiento de los fluidos de perforación a bajas
velocidades de corte.
• Su representación gráfica es una recta, lo cual no es representativo del
comportamiento del lodo a través del anular.
Modelo de la Ley Exponencial ( Power Law )
Esta representado por la ecuación obtenida de la recta al graficar Ec vs Tc en papel
log-log
Ec = k (Tc) n
Donde n y k son los índices de comportamiento de flujo y de consistencia de flujo. El
Log Esfuerzo de Corte
valor de n es adimensional y k se expresa en Lbs/100 pies2 -rpmn
Log Tasa de Corte
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En papel de coordenadas rectangulares, el reograma de Ec vs Tc para la ley
Esfuerzo de Corte
Exponencial no es una línea recta sino una curva.
Tasa de Corte
La incorporación de sólidos al sistema, hacen al fluido menos Newtoniano y el valor de n
es menor de 1.0. Cuanto más bajo es el valor de n, menos Newtoniano es el fluido y
mayor es la reducción de viscosidad por corte.
El valor de n depende del tipo de viscosificador y se controla con adelgazantes
químicos, k es el valor de consistencia de flujo laminar, se le considera similar a la
viscosidad plástica ya que un aumento de k indica generalmente un aumento del
contenido de sólidos.
En un lodo, los valores de n y k se determinan por medio de las lecturas del dial del
Viscosímetro Fann a 600 y 300 rpm. La ley exponencial ofrece la desventaja de no
tomar en consideración la tensión de cedencia, es decir, la resistencia interna que debe
ser vencida para que el lodo comience a fluir.
Factores que afectan la reología:
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Presión: Ejerce poco efecto sobre la reología de los lodos base agua, pero afecta
significativamente a los lodos base aceite o petróleo.
Temperatura: La reología de un lodo depende de la temperatura. La viscosidad
decrece a medida que aumenta la temperatura hasta producir en algunos casos (lodos
de calcio), gelificación y aun cementación.
Tiempo: Igualmente, el tiempo es factor predominante en la reología de un fluido,
tanto es así que la lectura a 600 rpm en un Viscosímetro Fann, se toma siempre antes
de las lecturas de 300 rpm. Si se invierte el orden de las lecturas, pueden alterarse los
resultados. La resistencia de gel es otra manifestación de la dependencia del tiempo.
La estructura de gel solo se desarrolla después de un período de tiempo durante el cual
el lodo ha sido sometido a una velocidad de corte igual a cero.
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Propiedades básicas de los fluidos de perforación:
Densidad:
Peso por unidad de volumen. Generalmente se le da el nombre de peso del lodo y esta
expresado en libras por galón, libras por pie cúbico. La densidad del lodo depende del
tipo de líquido utilizado y del material que se le adicione.
Durante la perforación de un pozo, el control de la densidad del lodo juega papel
importante. La prevención y control del influjo de fluidos desde la formación al pozo,
permite que el proceso de perforación sea llevado a cabo de una forma segura. El peso
o densidad del lodo debe ser suficiente para contener el o los fluidos de la formación,
pero su valor no debe ser demasiado alto como para fracturar la formación y originar
pérdidas de circulación.
Altas densidades provocarán altas presiones hidrostáticas, las cuales tienen gran
influencia en las tasas de penetración, que se verán reducidas a medida que la densidad
es mayor. La mecha encontrará mayor oposición a penetrar las formaciones por efecto
de presión en la cara posterior de la mecha de perforación.
A nivel de laboratorio y en el campo, la densidad del lodo de mide utilizando la Balanza
de lodos, Balanza Presurizada y el Densistómetro.
Viscosidad:
Resistencia interna que ofrece un fluido a fluir (deformarse). Para las mediciones de
viscosidad se emplea el embudo Marsh que mide la viscosidad del fluido en un tiempo
medido. Es el número de segundos requeridos para que un cuarto (946 ml) de lodo pase
a través de un tubo de 3/16 pulgadas, colocado a continuación de un embudo de 12
pulgadas de largo. El valor resultante es un indicador cualitativo de la viscosidad del
lodo.
Viscosidad Aparente: se obtiene de la lectura de 600 rpm dividida entre dos.
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Viscosidad Plástica:
Resistencia del fluido a fluir, causada principalmente por la fricción mecánica entre las
partículas suspendidas y por la viscosidad de la fase fluida. Es afectada por la
concentración, tamaño y forma de las partículas sólidas suspendidas en el lodo.
La concentración de los sólidos juega papel de importancia en el control de la viscosidad
plástica. Un cambio en el tamaño (reducción) de las partículas sólidas, un cambio en la
forma de las mismas o una combinación de ambas, todo aumento en la superficie total
expuesta de los sólidos se reflejará en el incremento de los valores de la viscosidad
plástica. Existen tres formas de controlar la concentración de los sólidos perforados:
Dilución, sedimentación y control mecánico de los mismos.
La unidad utilizada para su medición es el centipoise y se obtiene utilizando un
Viscosimetro rotacional tomando la lectura de 600 rpm y restándole la de 300 rpm.
VP = L600 - L300
Punto Cedente (Yield Point):
Resistencia de un fluido a fluir, causada por las fuerzas de atracción entre las
partículas, producto de la interacción de las cargas eléctricas sobre la superficie de
las partículas dispersas en la fase fluida del lodo, la cantidad de sólidos y la
concentración iónica de las sales contenidas en la fase fluida del lodo
Valores altos de punto cedente pueden tener varias causas: presencia de contaminantes
como sal, cemento o Anhidrita, pueden provocar la floculación de la Arcilla. Un aumento
en la concentración de sólidos aumenta el número de cargas de superficie y disminuye
la distancia entre ellas. Para su tratamiento se pueden añadir sustancias químicas que
anulen el efecto de las cargas eléctricas sobre las Arcillas (fosfatos, taninos,
25
Lignosulfonatos). Todo aquello que produzca floculación en un lodo, determinara un
incremento en el punto cedente.
Al igual que la viscosidad plástica, se obtiene utilizando un viscosimetro rotacional y no
es mas que la lectura a 300 rpm menos el valor de viscosidad plástica.
PC = L300 - VP
Fuerza de gel:
El fluido de perforación debe poseer características Tixotrópicas que le permitan
desarrollar una estructura de gel rígida o semi- rígida durante períodos de reposo, con
la finalidad de poder cumplir con las funciones primordiales del lodo de perforación
como lo es la suspensión de sólidos indeseables cuando se esta realizando un viaje de
tubería.
La aparición de problemas en un fluido de perforación se observa con la ocurrencia de
geles progresivos o de geles instantaneos. Un amplio margen entre el gel inicial (10 seg)
y el gel final (10 min) se denomina gel progresivo e indica acumulación de sólidos.
Cuando ambos valores de gel son elevados se esta en presencia de floculación.
Altas resistencias de gel pueden causar graves problemas como:
. Retención de aire o gas en el lodo
. Presiones excesivas al romper circulación después de un viaje
. Reducción de velocidad de sedimentación de sólidos en superficie
. Efecto de suabeo o succión al sacar tubería
. Efecto de pistón o surgencia al meter tubería
. Imposibilidad de correr registros eléctricos
26
Para él calculo de esta fuerza de gel se hacen dos mediciones: después de 10 segundos (
gel inicial ) y a los diez minutos ( gel final ), utilizando un viscosímetro rotacional a baja
revolución.
Ph:
Es la medida de la concentración de iones Hidrogeno y se puede relacionar con la
alcalinidad de acuerdo con la siguiente ecuación:
H2O
H
+
+
OH
-
Existe un equilibrio químico de tal forma que dicha reacción de ionización y la reacción
inversa están en continuo funcionamiento. Para el agua pura en condiciones de
equilibrio, las concentraciones de los iones H +y OH- son iguales y tienen un valor de 10 -7
moles por litro.
El Ph del agua pura es 7.0. El producto de la concentración de iones Hidrogeno H+ y la
concentración de iones Oxidrilo OH-, es una constante llamada Kw.
Kw = H+ x OH
-
= 10
-4
La escala de Ph es negativa y logarítmica y su rango es 0 a 14. Cuando esta por debajo
de 7.0, la solución es ácida porque los iones H + son mayores que OH -. Virtualmente, en
todos los lodos se requiere un Ph superior a 7.0 ya que se reduce la corrosión.
Existen dos métodos principales par determinar el Ph de los lodos: El método
colorimétrico, el cual se basa en el efecto de los ácidos y los álcalis sobre el color de
ciertos indicadores químicos colocados sobre tiras de papel de Ph.
El método electrométrico, se basa en el voltaje desarrollado entre dos electrodos
especiales cuando se sumerge en el lodo de perforación.
27
Alcalinidad:
Concentración de iones Oxidrilo (OH -) en exceso en una solución acuosa. En una
solución neutra el número de iones Hidrógeno y Oxidrilo es el mismo. Se dice que una
solución es alcalina cuando él número de iones Oxidrilo excede el número de iones
Hidrogeno.
La Alcalinidad puede ser clasificada de acuerdo con la fuente de iones Oxidrilo, sobre
todo en tratamientos químicos, perforación de cemento, agregado de cal, ionización de
tratamientos de lodo con Silicatos, presencia de iones Carbonato con agua y reacción
de iones Bicarbonato con agua.
Tratamiento con Soda Cáustica (NaOH)
NaOH
Na+ + OH
-
Al perforar cemento o agregar Cal:
Ca(OH)2
Ca+ + OH
-
Ionización de tratamientos de lodos con Silicatos
Na2SiO3 + H2O
2Na + SiO2 + OH
-
Presencia de iones Carbonatos (CO3=)
CO3= + H2O
HCO3 + OH
-
HCO3 + H2O
H2CO3 + OH
-
Actualmente, se utilizan varios métodos para medir la alcalinidad de los lodos: Pf, Mf y
Pm, los cuales se miden determinando la cantidad de una solución ácida estándar que se
requiere para neutralizar la alcalinidad presente.
Pf y Mf:
28
Estos ensayos presuponen que la alcalinidad es debida a iones Carbonato, Bicarbonato y
Oxidrilo, y además da por supuesto que no hay agentes amortiguadores (Buffers)
presentes, La cantidad de ácido requerida para reducir el filtrado a un Ph de 8.3, es la
cantidad necesaria para neutralizar todo el hidróxido y para convertir los Carbonatos a
Bicarbonatos de la siguiente manera:
2Na2CO3 + H2SO4
2NaHCO3 + Na2 SO4
(Ph=8.3)
La adición de una cantidad mayor de ácido para titular del punto final Pf al punto final
Mf, convierte los Bicarbonatos a Dióxido de Carbono y agua. La cantidad de ácido
requerida depende de cuanto Bicarbonato exista a nivel de Ph
2NaHCO3 + H2SO4
Na2 SO4 + 2CO2 + 2H2O
(Ph=4.3)
Estas condiciones son validas si solo están presentes los iones Carbonatos,
Bicarbonatos y Oxidrilo .
Mf
0
Pf
4.3
7.0
CO3
HCO3
8.3
CO3
10.3
14
OH-
La interpretación simultánea del Pf y Mf, permite la determinación del origen y grado de la
alcalinidad del filtrado:
OHPf = 0
Pf = Mf
2Pf = Mf
2Pf < Mf
2Pf > Mf
0
Pf x 20
0
0
(2Pf-Mf) x 20
CO3-
HCO3-
0
0
Pf x 40
Pf x 40
(Mf- Pf) x 40
Mf x 20
0
0
(Mf-2Pf) x 20
0
Las partes por millón equivalente es una medida de la reactividad de cada ion.
Par tener una idea clara del ion contaminante, es preciso conocer los valores de Pf y
Mf. Una indicación de la presencia de Carbonatos y Bicarbonatos es un valor alto de la
alcalinidad total (Mf). Una separación notable entre valores de Pf y Mf confirma la
presencia de CO3 y HCO3
29
. Los Carbonatos predominan cuando el Pf es aproximadamente la mitad de Mf mientras
que los Bicarbonatos están presentes en un lodo que tenga un Ph menor de 10.3 y Mf
alto.
La experiencia demuestra que se puede correlacionar las fuentes u origen de la
alcalinidad en el lodo con las propiedades del mismo.
Si existe:
OHOH- y CO3
CO3= solamente
CO3= y HCO3
HCO3
Características del lodo
Estable. Buenas condiciones
Estable. Buenas condiciones
Inestable. Puede ser controlado
Inestable. Difícil de controlar
Malas condiciones, muy difícil de controlar
Lodos con problemas de Carbonatos y Bicarbonatos exhiben
altas viscosidades y
elevadas resistencias de gel y no responden a tratamientos normales. La pérdida de
filtrado puede aumentar.
El tratamiento químico preferido para la remoción de Carbonatos es precipitarlos como
Carbonato de Calcio insoluble.
Na2CO3 + Ca(OH)2
CaCO3 + 2NaOH
Los Bicarbonatos deben ser convertidos mediante adición de iones Hidroxido
NaHCO3 + Na(OH)
Na2CO3 + H2O
La conversión de Bicarbonato a Carbonatos comienza a un Ph de 8.3, la mayor parte de
esta conversión ocurre al llegar a un Ph = 10.3. El Bicarbonato restante es convertido a
Carbonato antes de llegar a un Ph de 11.4
Como los Bicarbonatos están presentes en un Ph menor de 10.3 y los Carbonatos a un Ph
mayor de 10.3, el tratamiento lo dictamina el Ph del lodo. Si Ph < 10.3 se puede usar Cal
o Cal con Yeso solamente y si es menor de 10.3 se usa Yeso y Soda Cáustica.
30
Filtración:
El fluido de perforación cuando se coloca sobre o se le hace circular a través de una
formación permeable, perderá parte de su fase liquida hacia el interior de esa
formación. Los sólidos del lodo se depositaran sobre las paredes del pozo formando una
capa llamada revoque.
En los lodos base agua, el filtrado es agua y en un fluido base aceite el filtrado es
aceite o gasoil. La filtración o pérdida de filtrado es el volumen de ese filtrado del
lodo; este proceso debe ser controlado durante la perforación para asegurar un
funcionamiento exitoso del lodo. Para esto es necesario controlar la cantidad o
velocidad de filtración, control del espesor y textura del revoque.
La formación de un revoque delgado y resistente sobre la superficie de las formaciones
e impedir una pérdida excesiva de filtrado forman parte de un control adecuado de la
filtración. Esto ayuda a minimizar los daños a la formación y mantiene un pozo estable
al disminuir riesgos de aprisionamiento de la tubería, mayor producción para
formaciones productivas, mejor interpretación de los registros eléctricos, estabilidad
del hoyo.
Debe existir una presión diferencial positiva entre el pozo y la formación para que
pueda ocurrir la filtración. Esta presión diferencial es la diferencia entre la presión
hidrostática del lodo y la presión de la formación
Una formación permeable tiene la capacidad de permitir que el fluido pase a través de
ella. El tamaño del espacio poroso influirá en el grado de conexión de los poros. Si el
fluido no puede penetrar a través de las rocas, se dice que la roca es impermeable y
por ende, no se puede formar revoque ni producirse perdida de filtrado, como es el
caso de las Lutitas. El grado de invasión por parte del filtrado influirá directamente en
el tamaño del revoque en las paredes de la formación, originando problemas
31
operacionales como aprisionamiento de herramientas por presión diferencial, problemas
de succión, suabeo, etc.
Si la formación permeable es productiva, los caminos potenciales para el paso de
hidrocarburos pueden ser bloqueados por una reacción adversa entre el filtrado y la
formación o por la entrada de sólidos del lodo en el interior de la formación. La
excesiva invasión por parte del filtrado puede cambiar las características de una
formación, lo cual hace difícil la evaluación de la formación con perfiles eléctricos.
En el pozo ocurren dos tipos de filtraciones: Dinámica y Estática. La dinámica tiene
lugar cuando el lodo esta circulando, el revoque se erosiona y por lo tanto es más
delgado que el revoque estático, pero sin embargo la perdida de filtrado es mayor.
La filtración estática tiene lugar cuando el lodo no esta en movimiento, el revoque se
hace más grueso con el tiempo dado que el revoque restringe el flujo de filtrado, la
tasa o velocidad de filtración con el tiempo. En el laboratorio, la filtración estática se
mide con ensayos a baja presión o a alta presión y alta temperatura (HT-HP -500 Lpc
de presión diferencial y temperatura >200° F)
Factores que afectan el filtrado:
Entre ellos se tienen: el tiempo, la temperatura, la presión y las características de los
sólidos del lodo.
Tiempo: La velocidad de filtración es directamente proporcional a la raíz cuadrada del
tiempo. Esta relación es solo una aproximación basada en la hipótesis de que la
permeabilidad del revoque es constante. La perdida de filtrado debe ser informada en
cm3/30 min.
32
Temperatura: A mayor temperatura, la velocidad de filtración es mayor, ya que
generalmente la viscosidad del petróleo o del agua en la fase continua del lodo se
reduce y también porque la alta temperatura produce cambios en el lodo.
Presión: El efecto de la presión sobre la velocidad de filtración depende de las
características del revoque. Si es muy compresible, un aumento de presión reduce su
permeabilidad y disminuye la perdida de filtrado. Si es incompresible, la velocidad de
filtración varia con la raíz cuadrada de la presión. En este caso, la permeabilidad del
revoque no es afectada con la presión. La compresibilidad del revoque depende del tipo,
tamaño, forma y distribución de los sólidos en dicho revoque.
El control de la permeabilidad del revoque depende del control de la velocidad de
filtración. Esta relación es directamente proporcional; partículas pequeñas forman
revoque de baja permeabilidad ya que están mas compactas.
La distribución de los sólidos en el revoque esta directamente relacionada con el grado
de dispersión del lodo. Una dispersión apropiada de las partículas coloidales, origina una
textura uniforme del revoque o superposición de partículas. En fluidos floculados, las
velocidades de filtración son altas, ya que el filtrado pasa fácilmente entre los flóculos.
33
Composición de los Fluidos de Perforación:
La fase liquida de un lodo es generalmente agua, petróleo o una mezcla de ambos, como
es el caso de una emulsión donde un liquido esta suspendido dentro de otro en forma de
glóbulos pequeños. El líquido suspendido es la fase interna de la emulsión y él liquido
dentro de la cual esta suspendida esta fase interna recibe el nombre de fase continua o
externa.
Los lodos base agua son los mas empleados en la perforación de pozos; pueden ser
nativos (no tratados), ligeramente tratados hasta intensamente tratados. Estos
últimos llamados también inhibitorios, reducen o inhiben la interacción del lodo con
algunas formaciones perforadas debido a la preferencia de cationes.
Componentes:
•
El agua, el petróleo, gasoil, necesarios para la preparación del volumen de lodo
requerido son añadidos desde superficie.
•
Las formaciones perforadas, líquidos o gases contenidos en ellas, sales ionizadas
procedentes de formaciones salinas, son fuente importante en el lodo.
•
Los aditivos empleados para modificar las características de los lodos. Agentes
densificantes como la Barita, Carbonato de Calcio y Sales solubles, Arcillas
viscosificantes, polímeros y agentes emulsificantes, hacen que los lodos se espesen
aumentando así su capacidad de transporte y suspensión de los recortes y materiales
sólidos densificantes.
Se pueden utilizar dispersantes para hacer mas fluidos los lodos; se emplean Arcillas,
polímeros, almidones, dispersantes y material asfáltico para reducir la filtración y el
daño a la formación, pegas diferenciales e interpretación de perfiles de pozos. Otros
aditivos de lodo incluyen lubricantes, inhibidores de corrosión, floculantes, etc. La Soda
Cáustica se añade para incrementar el Ph; existe otro tipo de aditivos como los
34
preservativos, bactericidas, emulsionantes y los ampliadores de temperatura cuya
función principal es mejorar el rendimiento de otros aditivos.
Se pueden distinguir dos fases en un lodo de perforación. El lodo es típicamente una
suspensión de sólidos en un líquido, al cual se le conoce como fase continua. La
suspensión de partículas sólidas o los glóbulos líquidos en el suspendidos, constituyen la
fase dispersa.
La viscosidad de un lodo esta reflejada en su fase dispersa. Si aumenta la
concentración en la fase continua, tiende a existir un adelgazamiento del lodo. El
filtrado proviene en gran parte de la fase continua, mientras que el revoque se forma a
partir de la fase dispersa. La fase continua de un lodo siempre es liquida, en cambio en
la fase dispersa se pueden hallar sólidos, líquidos o gases.
Fase Continua:
En lodos base agua la fase continua es el agua. Las sales disueltas en ella también
forman parte de la fase continua; los cationes Na
+
y Ca
++
y el anión OH
-
son de
particular importancia en el comportamiento de lodos base agua. Concentraciones altas
de estos cationes provocan inhibición de la hidratación de las arcillas. La concentración
de iones oxhidrilo se refleja en los valores de alcalinidad y en el Ph. Estos iones
mejoran la dispersión de las Arcillas e inhiben la corrosión.
Fase Dispersa:
Los glóbulos de petróleo emulsionado dan viscosidad al lodo y reducen su densidad. Al
añadir petróleo deliberadamente a un lodo base agua para reducir la fricción mecánica,
reducción de la perdida de fluido a través de las paredes del pozo, liberación de
tubería atascada por presión diferencial.
35
El aire o el gas pueden penetrar un lodo de perforación, provocando un aumento de su
viscosidad y disminución de su densidad. Este aire o gas puede provenir de formaciones
perforadas o de operaciones de superficie.
La Bentonita se hidrata en lodos de agua dulce hasta alcanzar un volumen aproximado
de 10 veces el que tenia en estado seca. Esto se debe a la atracción de moléculas de
liquido provenientes de la fase continua; esta agua entra a formar parte de la fase
dispersa, lo que explica la eficiencia de la Bentonita como emulsionante.
Además de las fases continua y dispersa, los fluidos de perforación están constituidos
por una fracción coloidal formada por sólidos hidratables con muchas cargas eléctricas
en superficies expuestas. Un ejemplo de ellos es la Arcilla, la cual debido a sus cargas
eléctricas permite reaccionar al tratamiento químico que se adicione al lodo para el
control de sus propiedades. En lodos base agua, esta agua retenida por las Arcillas pasa
a ser parte de la fase dispersa y de ella dependerá la efectividad de las arcillas como
viscosificante.
Las partículas coloidales se caracterizan por tener un tamaño menor de 2 micrones. Los
otros sólidos en el lodo constituyen la fracción inerte; la Barita, arena y otros sólidos
son ejemplo de esta fracción. Todos los sólidos, reactivos o inertes, presentes en un
lodo de perforación pertenecen a la fase dispersa. El comportamiento del lodo
dependerá de la cantidad de sólidos presentes en el sistema; la velocidad de
penetración es mayor mientras menor cantidad de sólidos exista. Sin embargo, existen
en un lodo de perforación sólidos deseables, los cuales contribuyen positivamente sobre
las propiedades del lodo, y de allí la justificación para su permanencia en el sistema. Un
ejemplo de ellos es la Barita y la Bentonita, densificante y viscosificante por
excelencia en un sistema de lodos base agua.
36
Las Arcillas y su Comportamiento:
Las Arcillas son materiales de la tierra que desarrollan plasticidad cuando se mojan; las
que absorben agua fácilmente se les llama hidrofílicas y las que no absorben agua
(cálcicas), se les denomina hidrofóbicas. En un lodo de perforación, la Arcilla (Bentonita
o gel) debe dispersarse completamente, pero no se quiere que las Arcillas perforadas
se dispersen para poderlas separar en la superficie.
Las Arcillas usadas en agua dulce son compuestos de Silicato de Aluminio hidratado,
de tamaño variable, formadas por capas u hojas alternadas de Sílica y Alumina. Cuando
están suspendidas en agua, las Arcillas exhiben varios grados de hinchamiento
dependiendo de su origen y la química y naturaleza coloidal de cualquier otra sustancia
presente.
La estructura típica de una arcilla es tipo Mica; sus laminas están compuestas por
plaquetas de cristal diminutas, apiladas cara con cara. Una placa simple es llamada capa
unitaria y consiste en una placa Octaedral constituida por átomos, bien de Aluminio (Al+
) o bien de Magnesio (Mg++), combinación octaedral con átomos de Oxigeno
++
OH
OH
Al
OH
+++
Mg
++
++++
OH
OH
OH
Si
O
OH
OH
OH
OH
++++
Si
OH
Mg
++
OH
++++
Si
O
OH
Diagramas esquematicos de las particulas de Arcilla ( Mont - Sodica )
37
Una o dos placas de Sílica Tetraedral, en donde cada átomo de Sílica (Si++++), esta
combinado con cuatro átomos de Oxigeno. La base del Tetraedro forma un reticulado
hexagonal de átomos de Oxigeno, de extensión de áreas determinadas
PLACA OCTAEDRAL
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
ATOMO MAGNESIO
OH
OXHIDRILOS
OH
OH
OH
OXIGENO
OH
HIDROXIL
SILICA, OCASIONALMENTE ALUMINIO
Enlace entre una placa Octaedral y dos placas Tetraedral a través de intercambio de átomos de Oxigeno
Estas placas son enlazadas y se mantienen juntas compartiendo átomos de Oxigeno
comunes.
38
El grado de sustitución, los átomos envueltos y las especies de cationes
intercambiables, son de gran importancia en la tecnología de fluidos de perforación,
debido a la influencia que ellos ejercen sobre las propiedades, tales como:
hinchamiento, dispersión y características reológicas y de filtración. Existen Arcillas
en cuyo reticulado o estructura cristalina, la capa tetraedral de una capa es adyacente
a la capa tetraedral de la siguiente, de tal forma que átomos de Oxigeno están
opuestos a átomos de Oxigeno. Como consecuencia de esto, la adherencia entre las
capas es débil y el clivaje es fácil. El agua puede penetrar entre las capas causando
aumento en el espaciamiento. Este tipo de Arcilla tiene una estructura expansiva que
aumenta grandemente su actividad coloidal. Todas las caras y no solamente las
superficies exteriores, están expuestas a hidratación y a intercambio de cationes.
CAPA TETRAEDRAL
CAPA OCTAEDRAL
CAPA TETRAEDRAL
ESPACIO
VARIABLE
CAPA UNITARIA
INTERCAMBIO DE
CATIONES Y
AGUA CRISTALINA
{
PUNTA DEL
CRISTAL
{
a
b
SUPERFICIE
BASAL
REPRESENTACION DIAGRAMATICA DE UN CRISTAL DE ARCILLA DE TRES CAPAS
La Montmorillonita es la más conocida de este grupo de Arcillas. Es constituyente
principal de las Bentonitas y se encuentra en formaciones arcillosas jóvenes que causan
hinchamiento cuando se perforan. Esta Arcilla se hincha grandemente debido a su
estructura expansiva.
39
Se han reconocido dos mecanismos de expansión: el cristalino y el osmótico. El
cristalino resulta de la absorción de capas de agua molecular sobre las superficies
basales del cristal, sobre ambas y sobre la superficie intercapas. La primera capa de
agua se mantiene sobre la superficie por enlaces de Hidrogeno al reticulado hexagonal
de los átomos de Oxigeno.
El hinchamiento osmótico ocurre debido a que la concentración de cationes entre las
capas es mayor que la parte de la solución. El agua es extraída de las capas,
aumentando el espacio y el desarrollo de las capas doble difusas
Floculación:
Las partículas coloidales se mantienen indefinidamente en suspensión debido a su
tamaño extremadamente pequeño. Cuando están suspendidas en agua pura, no pueden
aglomerarse debido a la interferencia entre las capas dobles altamente difusas; al
añadir un electrolito, estas capas son comprimidas y mientras más cantidad de
electrolitos se añade, mayor será el acercamiento entre estas partículas debido al
predominio de las fuerzas atractivas, produciendo un aglomeramiento de las mismas.
Las partículas se unen cara-arista y/o arista-arista. En este estado se incrementa la
asociación cara-borde entre las partículas, produciéndose una alta viscosidad y un
descontrol en la pérdida de filtrado (alta).
( CARA CON PUNTA )
( PUNTA CON PUNTA )
40
Agregación:
Antes de ser hidratada, la Arcilla consta de un gran número de capas agrupadas. Al
entrar en contacto con el agua, las capas se hidratan hasta que las fuerzas que las
mantienen juntas se debilitan. Las partículas están agrupadas cara a cara y pueden ser
separadas por agitación mecánica, por hidratación y por dispersión
Dispersión:
Cuando la fuerza de atracción entre las partículas se debilita por entrada de agua,
tendiendo a separarse individualmente. Las caras cargadas de forma negativa se atraen
con los bordes de las caras positivas. Es característica principal de este proceso el
aumento de viscosidad del lodo debido al aumento en él numero de partículas y al del
área de superficie.
Defloculación:
Separación de partículas de Arcilla por neutralización de las cargas eléctricas por los
Lignosulfonatos y Lignitos. Las partículas pueden separarse individualmente o en grupos
de dos o tres unidades.
41
Algo más sobre la Bentonita:
Es una Arcilla de granos finos con un porcentaje mínimo del 85 % de Montmorillonita.
Puede ser de alto o bajo rendimiento; la Bentonita Sódica es un ejemplo de la de alto
rendimiento y la Cálcica o sub-Bentonita es de bajo rendimiento.
La Bentonita Sódica tiene gran capacidad de hidratación y dispersión; En agua dulce se
hincha considerablemente hasta diez veces su volumen original, lo que no ocurre en
agua salada donde su rendimiento es menor, llegando a ocupar un volumen tres veces
mayor a su volumen original. Este tipo de Bentonita permite un mayor control del
filtrado y da mayor viscosidad que cualquier otro tipo de Arcilla.
La Bentonita Cálcica posee poca absorción del agua y por lo tanto no se puede hidratar
ni dispersarse; posee un rendimiento de 45 a 65 Bls/Ton en agua dulce.
La forma de mejorar el rendimiento de una Arcilla es mezclándola con un Polímero
Orgánico
( Poliacrolamida ), este se debe agregar durante el proceso de molienda en
cantidades desde 0.2 hasta un 2% en peso. Concentraciones mayores del Polímero
pueden producir procesos de adelgazamiento.
Entre las especificaciones API para la Bentonita (API 13A) están las siguientes:
• No mas del 4% de residuos al pasar por un tamiz de 200 Mesh.
• Filtrado de una misma mezcla menor de 15 ml
• Humedad menor del 10%
• La relación entre el punto cedente y la viscosidad plástica no debe exceder de 3
La gravedad específica de la Bentonita es de 2.35 y el Ph es de 8.0. Una mezcla de
agua/Bentonita en concentración de 20 Lbs/Bl da un peso de 8.6 Lpg y viscosidad de
embudo de 36 seg/qto gal.
42
Rendimiento de las Arcillas:
El rendimiento se define como él número de barriles de lodo de 15 centipoises de
viscosidad aparente que se puede preparar con una tonelada de Arcilla. Como es sabido,
la viscosidad aparente indica la máxima concentración de sólidos arcillosos que puede
aceptar una mezcla agua / Bentonita sin tratamiento químico, es decir sin utilizar
adelgazantes químicos.
Dependiendo de la concentración de sólidos arcillosos, el rendimiento variará
directamente proporcional a la misma. Si esta concentración es baja, el rendimiento
será bajo y del 25 al 50% de sólidos puede ser tolerado con un aumento
correspondiente de la densidad de 9.8 a 12.0 Lpg.
Los sólidos suspendidos tienen poco efecto sobre la viscosidad hasta un punto crítico
de aproximadamente 15 centipoises; en este punto crítico, el contenido de sólidos es
descriptivo del tipo de Arcilla en particular y es indicativo de su contenido de material
arcilloso. Por encima del punto crítico en la curva, se notará que el agregado de una
pequeña cantidad de sólidos arcillosos tiene un efecto relativamente grande sobre la
viscosidad.
Si se representa gráficamente la viscosidad con respecto al porcentaje de sólidos, se
obtendrá una curva de rendimiento que es característica de las Arcillas. Esta curva
indica la cantidad de sólidos que se pueden agregar al lodo manteniendo las condiciones
de bombeabilidad. Esto va a depender de la capacidad de esos sólidos para absorber
agua y del tamaño de las partículas. Si el material que se agrega es altamente coloidal,
como la Bentonita, el 6% de sólidos será el máximo que puede ser tolerado sin
tratamiento químico y la densidad de lodo será de alrededor de 10.4 gr/cc (8.6 Lpg), se
dice que esta Arcilla tiene alto rendimiento.
43
La naturaleza de la Arcilla seleccionada gobierna el rendimiento y comportamiento del
lodo. Si se usan aguas duras, mineralizadas, las Arcillas rinden menos y su
comportamiento es pobre. La naturaleza del agua es por consiguiente importante y
puede indicar la selección de la Arcilla adecuada y el tratamiento químico correcto. Si
el agua con la cual se va a preparar el lodo contiene mas del 5% de sal, la Bentonita
común pierde su propiedad galatinizante y entonces se debe utilizar una Bentonita
especial para agua salada, que contenga Atapulguita.
En la curva de rendimiento de Arcillas proporciona una clara comprensión de las
características que imparten las Arcillas, de allí la conveniencia de mantener un control
efectivo de sólidos que puede lograrse
a través de la dilución, el tamizado o
asentamiento
CURVA DE RENDIMIENTO PARA VARIAS ARCILLAS
PESO EN LIBRAS POR PIE CUBICO
63.7
67.5
8.5
9.0
71.2
75.0
78.7
82.5
86.2
90.0
PESO EN LIBRAS POR GALON
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
RE
ND
IMIE
NTO
MUN
ND
EB
AJO
ARC
ILLA
DE
DE
PER
FO
RAC
IO
CION
ARC
ILL
A
20
PERF
ORA
30
ARCIL
LA D
E
40
PER
FO R
ACIO
N CO
DE P
RIME
RA
50
BENTONITA
DE WAYOMIN
G
ViISCOSIDAD EN CENTIPOISES
60
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
PORCENTAJE DE SOLIDOS POR PESO
200 100 75
50
40
30
25
20
18
16
14
12
10
9
8
RENDIMIENTO (LODO DE 15 CENTIPOISES) EN BARRILES / TONELADA
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
25
30
PORCENTAJE DE SOLIDOS POR VOLUMEN
10
20
30
40
50
75
100
150
200
250
LIBRAS DE SOLIDOS POR BARRIL DE LODO
44
Aditivos utilizados en los lodos de perforación:
Los aditivos son compuestos de origen químico, orgánico o inorgánico que se utilizan en
los fluidos de perforación con la finalidad de lograr en algunos casos y de mejorar en
otros, algunas de sus propiedades afectadas por efecto de agentes externos a ellos.
De origen químico:
Densificantes:
Son materiales que al ser disueltos o suspendidos en el fluido de perforación,
incrementan la densidad del mismo permitiendo poder controlar las presiones de
formación, derrumbes en áreas geológicamente inestables. Cualquier sustancia que
posea una densidad más alta que el agua (8.33 Lpg) y que se pueda adicionar a un
sistema sin que afecte sus propiedades, puede ser utilizado como densificante. Los más
usados son:
Gravedad Especifica
Galena (SPb)
7.4 - 7.7
Hematita (Fe2O3)
4.9 - 5.3
Magnetita (Fe3O4)
5.0 - 5.2
Baritina (SO4Ba)
4.2 - 4.5
Siderita (CO3Fe)
3.7 - 3.9
Dolomita (CO3Ca CO3Mg)
2.8 - 2.9
Calcita (CO3Ca)
2.6 - 2.8
45
Viscosificantes:
La remoción de los recortes perforados por la mecha es una de las funciones mas
importantes del fluido de perforación. El uso de viscosificantes permite mejorar la
habilidad de remoción por parte del fluido y a la vez proporciona propiedades de
suspensión del material densificante durante las operaciones de viaje de tubería,
cuando el fluido esta en reposo.
Los materiales mas utilizados son Arcillas y Polímeros y entre ellos están:
Bentonita
Silicato de Aluminio y Sodio/Calcio
Atapulguita
Silicato de Aluminio y Magnesio
CMC
Derivado de Celulosa
Goma Xantha
Derivado de goma Xántica
HEC
Derivado de la Celulosa
Goma Guar
Goma de Polisacárido
Controladores de Filtrado:
La cantidad de fluidos que pasan hacia la formación permeable cuando el lodo esta
sometido a presión diferencial, debe ser controlada para así evitar posibles daños a las
formaciones productoras, evitar hinchamiento de Arcillas reactivas (hidrófilas), que
pueden originar problemas de inestabilidad del hoyo. La perdida de filtrado hacia la
formación se puede controlar de tres formas distintas: formando un revoque
defloculado sobre las paredes del hoyo, el cual forma una capa delgada y poco
permeable. Si la fase liquida que esta invadiendo la formación es viscosa (uso de
Polímeros), la tasa de filtración es mas reducida. Otra forma para lograr el control de
46
la filtración es mediante la creación de un revoque compresible, adicionándole al lodo
materiales coloidales como el Asfalto y los Almidones.
Los materiales más utilizados como controladores de filtrado son la Bentonita, los
Polímeros manufacturados, almidones y adelgazantes orgánicos.
Controladores de Reología:
La reología de un fluido de perforación se puede manejar controlando la concentración
del o los viscosificantes que utilice el sistema. Sin embargo, muchas veces no se puede
lograr ese control de la reología y se tienen que utilizar materiales adelgazantes,
dispersantes o defloculantes, los cuales son químicamente Aniónicos y se adhieren a las
partículas de Arcilla haciéndolas mas negativas, lo cual reduce las fuerzas de
atracción, incrementan la dispersión y con ello reducen la resistencia al flujo.
Estos materiales también reducen la filtración, disminuyen el revoque, contrarrestan
efectos de sales disueltas en el sistema, pueden actuar como emulsificantes de aceite
en agua y como estabilizadores del lodo a altas temperaturas de fondo del pozo. Los
más utilizados son: Taninos, Silicatos, Fosfatos, Lignitos, Lignosulfonatos modificados.
Controladores de Ph:
Son materiales que se utilizan para mantener un rango de Ph en el sistema con la
finalidad de asegurar la acción efectiva de otros aditivos empleados en el lodo. La
detección de contaminantes depende del control de los valores de alcalinidad y del Ph
del sistema, ya que se vera afectada la solubilidad o precipitación de materiales como
Polímeros,
Lignosulfonatos, etc.
Entre los materiales usados mas frecuentemente para el control del Ph se tienen los
siguientes:
Soda Cáustica ( NaOH ) ; Hidróxido de Potasio ( KOH ) ; Cal ( Ca(OH)2 )
47
Controladores de Pérdida de Circulación:
Materiales utilizados para minimizar o anular las pérdidas de fluido que se puedan
originar durante las operaciones de perforación. El tamaño de los mismos dependerá del
grado de pérdida que se tenga; y varia desde muy fino a grueso.
Entre los materiales más usados están: Mica, papelillo, fibra, Carbonato de Calcio, etc.
Lubricantes:
Su función es la de reducir la fricción producida por el arrastre y el torque en las
operaciones de perforación. Están constituidos por materiales como: Aceites minerales,
animales o vegetales, Surfactantes, Grafito, Asfalto, Polímeros, Alcoholes, Gilsonita,
etc.
El mecanismo de acción de los mismos es mediante su incorporación tanto en el revoque
producido por el lodo como sobre superficies metálicas (revestidor), formando una
película protectora la cual reduce la fricción entre la sarta y el hoyo.
Floculantes:
La remoción de sólidos del sistema de circulación contribuye a mejorar y controlar las
propiedades reológicas del fluido de perforación; es por ello que se debe tener un buen
control sobre los mismos, bien sea por medios mecánicos a través de los equipos de
control de sólidos, como de aditivos que permitan el encapsulamiento de los mismos
mediante la atracción o reemplazo de cargas causada por Polímeros.
Los materiales floculantes mas comunmente usados son los siguientes: Sales, Cal
hidratada, Polímeros sintéticos (Poliacrilamidas), Goma Guar, Polímeros Acrílicos, yeso,
etc.
Precipitantes:
48
La contaminación del fluido de perforación con compuestos orgánicos presentes en las
formaciones o introducidos al sistema durante las operaciones de cementación, como es
el caso de los Carbonatos, requieren ser removidos del mismo mediante la adición de
aditivos como la Cal o el Yeso los cuales reaccionan con los mismos y los convierten en
un precipitado insoluble. El Calcio a su vez se trata con adición de Soda Ash y el
Magnesio se remueve elevando el Ph a valores superiores a 10.0 con la adición de Soda
Cáustica.
Estabilizadores de Lutitas:
La presencia de Lutitas sensibles al agua (hidratables), puede originar serios problemas
durante la perforación del hoyo, entre los cuales están los derrumbes e hinchamiento
de las mismas con las consecuencias de atascamiento de la sarta de perforación,
repasos continuos luego de los viajes de tubería, cambio en la reología del lodo y los
consecuentes aumentos de los costos de perforación.
Para este tipo de formaciones se utilizan agentes especiales para estabilizarlas a
través del mecanismo de inhibición de las características de hidratación y la dispersión
de materiales arcillosos en el sistema.
Entre los materiales mas frecuentemente usados están los siguientes:
Polímeros naturales o sintéticos de alto peso molecular, Asfaltos, Cloruro de Potasio,
Cloruro de Calcio, Cal o Yeso.
Surfactantes:
Utilizados para modificar la tensión interfacial entre los sólidos / agua, agua-agua /
aire, etc. Los mas utilizados son:
Interfase
Función
49
Aceite / agua
Emulsificante
Agua / aire
Espumante o antiespumante
Acero / agua
Lubricante, inhibidor de corrosión
Acero / arcilla
Detergente
Arcilla / agua
Dispersante
Aceite / arcilla
Humectante
Anticorrosivos:
Minimizan la entrada de aire en la superficie de la sarta de perforación y así combaten
la corrosión por Oxigeno, CO2 y H2S.
Si el problema es presencia de oxigeno, se deben usar secuestradores para removerlas
efectivamente, entre estos están las sales solubles de Sulfitos y de Cromatos. La
remoción del H2S se puede lograr con materiales de Zinc.
Bactericidas:
La mayoría de los fluidos de perforación contienen materiales orgánicos susceptibles a
degradación. Organismos como bacterias, algas y hongos pueden existir en los lodos a
diferentes concentraciones de Ph. Entre los bactericidas están los Oxidantes y los no
oxidantes (Sulfuros orgánicos, Aminas cuaternarias, Aldeidos, Clorofenoles).
Minerales:
Barita (Sulfato de Bario BaSO4):
50
No se encuentra generalmente pura, o sea que puede estar contaminada con cuarzo,
calcita, anhidrita, etc. El color del mineral varía de gris claro a marrón, se origina en
ambientes sedimentarios y en rocas igneas y metamórficas.
La barita comercial debe tener una gravedad específica de no menos de 4.2 y contener
menos de 250 ppm de calcio, debe ser insoluble en agua e inerte.
La barita puede utilizarse para obtener densidades de hasta 22 lbs/gal en lodos base
agua y base aceite. Sin embargo, altas densidades producen altos valores reológicos
por el alto contenido de sólidos, por lo cual es recomendable utilizar materiales como la
Hematita en lugar de barita.
Carbonato de Calcio (CaCO3)
Utilizado como densificante
y como agente controlador de pérdida de circulación,
sobre todo en formaciones productoras. El CaCO3 no daña la formación y es
completamente soluble en ácido clorhídrico al 15%. La máxima densidad con CaCO 3 es
de 12 lbs/gal el tamaño del grano dependerá del uso que se le quiere dar, varía de 1-30
micrones con una gravedad específica de 2.6 – 2.8
Galena (Sulfuro de Plomo SPb)
Posee una gravedad específica de 7.4 – 7.7 utilizada generalmente para preparación de
píldoras de alta densidad. Es muy costoso y muy tóxico. Se pueden obtener densidades
hasta de 30 lbs/gal.
Lignitos
Tiene como función principal controlar el filtrado y estabilizar las propiedades del lodo
base agua a altas temperaturas. Este material es un liguito oxidado, con un contenido
de 80% de ácido húmico con pesos moleculares entre 300 y 4000.
51
Pueden ser sencillos, los cuales son pocos solubles y son utilizados en lodos de bajo PH.
Para mejorar la solubilidad se puede pretratar con Soda Cáustica, permitiendo que los
lignitos se disuelvan en forma más completas que los lignosulfanatos.
Los lignitos son solubles a un PH entre 10.5 y 11. Los lignitos complejos son pretratados
con Cromo y son utilizados en combinación con los lignosulfanatos para hacerlos más
efectivos, ya que el Cromo permite extender el rango de temperatura del lignito.
El lignito es ácido (PH=5) y no posee buenas propiedades adelgazantes en lodos con alto
contenido de calcio.
Se utilizan en sistemas de PH normal a alto y lodos de cal, es compatible con todos los
adelgazantes y poseen las características de alta tolerancia a influjos de agua salada.
Lignosulfanatos
Trabajan a todos los niveles de PH y en todos los fluidos base agua. Su composición es a
base de ferrocromo, cromo y zinc, los cuales ofrecen mayor estabilidad a temperatura
que cualquier otro producto químico. Resisten temperaturas de 400 a 500º F, durante
períodos cortos de tiempos, de no ser así, se degradan a 300ºF y dan lugar a la
formación de CO2 y H2S
El PH de los lignosulfatantes de cromo es de 4 y el de los lignosulfatantes de calcio es
de 7, al pretratarlos con soda cáustica se elevará su PH a 10.5
Entre sus propiedades están las de deflocular a los lodos, base agua, al neutralizar las
cargas eléctricas de las arcillas, incrementando la carga superficial de las mismas a
niveles de PH entre 90 y 100, lo cual causa repulsión entre estas partículas.
Cromolignosulfanato y ferrocromolignosulfanato son materiales orgánicos cuya función
principal es incrementar la estabilidad a altas temperaturas (hasta 350º F). Se pueden
utilizar en todo tipo de fluido base agua en concentraciones entre 1 – 20 lbs/bbl
52
53
Polimeros:
Es cualquier tipo de sustancia originada de unidades estructurales que se repiten en
cadena mediante un proceso de polimerización. Son coloides orgánicos de cadena larga
utilizados como viscosificantes, agentes controladores de filtrado, adelgazantes o
como encapsulantes de sólidos.
Las unidades estructurales que los forman se llaman monómeros, las cuales deben
tener por lo menos dos enlaces a los cuales se pueden agregar o ligar otros monomeros.
Entre los monomeros más comunes están el Etileno, el Propileno y el Estireno; sus
respectivos Polimeros son el Polietileno, el Polipropileno y el Poliestireno. Los
monómeros que intervienen en el proceso de polimerización pueden ser iguales
(homopolímero) o diferentes (copolímero). El peso molecular de un Polímero debe ser
mayor de 10000 y por lo menos debe tener 100 monómeros; las propiedades físicas y
químicas del Polímero son controladas por el peso molecular. El Polímero puede ser
lineal o ramificado, en el lineal la distribución de los monómeros es a lo largo de la
cadena, sin orden o en bloques, mientras que en el ramificado estos se unen en puntos
determinados de la cadena. Los Polímeros con estructura lineal son altamente
resistentes a la degradación termal mas no a la degradación mecánica donde se
disminuyen sus propiedades viscosificantes, como sucede cuando pasan a través de los
jets o boquillas de la mecha y a través de los equipos de control de sólidos.
Según su origen, los Polímeros se clasifican en naturales, modificados y sintéticos. Los
naturales son complejos, los monómeros son conocidos y de peso molecular variable, no
forman una solución verdadera (hidrocoloides), en vez de disolverse en agua, se hinchan
o hidratan. Ejemplo de ellos son: Almidón, Goma Guar y el XCD.
Los modificados son alterados químicamente para mejorar su tolerancia a la sal, su
solubilidad y su estabilidad térmica. Entre ellos se encuentra el HEC el cual es no iónico
54
e ideal para viscosificar salmueras, posee propiedades tixotrópicas y adelagazantes
excelentes, pero carece de punto cedente y fuerza gel.
Los polímeros sintéticos se originan de la reacción de un monómero repetidas veces. Los
Poliacrilatos y las Poliacrilamidas son polímeros sintéticos solubles en agua. Su costo es
menor que el HEC y el Almidón.
Según su estructura química, los Polímeros pueden ser los derivados de la celulosa y los
que se derivan de los alcoholes. Físicamente, pueden ser iónicos o no iónicos; los iónicos
son los que poseen cargas eléctricas, se ionizan en agua y el tipo de carga que van a
desarrollar, determinara su utilidad. Se clasifican en: Simples (aniónicos y cationicos),
los cuales poseen un grupo funcional, y los complejos (aniónicos, catiónicos y
anfotéricos), que tienen dos o mas grupos funcionales .
Los Polímeros aniónicos tienen cargas negativas y constituyen la mayoría de los
Polimeros usados en la industria petrolera: CMC, PAC.
Los catiónicos tienen cargas positivas y son generalmente del tipo amina; tienden a
flocular Arcillas, se adhieren a la superficie o cara de las Arcillas donde predominan
cargas negativas, donde desplazan algunos cationes y moléculas de agua. Precipitan
inmediatamente al reaccionar con Polímeros aniónicos.
Los Polimeros anfotéricos poseen cargas positivas y negativas y dependerá del grado de
Ph para que su comportamiento sea catiónico a bajo Ph y aniónico a alto Ph. Este tipo de
Polímeros floculan lodos con alto contenido de Bentonita (MBT> 12 Lb/bbl), Es
recomendable su uso solo cuando se tengan lodos con baja concentración de sólidos
reactivos.
Según su utilidad, los Polímeros se pueden clasificar en: Viscosificantes, floculantes,
reductores de filtrado, estabilizantes, defloculantes / adelgazantes.
Un Polímero actúa como Viscosificante cuando desarrolla viscosidad y ello dependerá
de factores como: demanda de agua, del tamaño de las partículas, que es función del
55
peso molecular del Polímero. Las partículas más grandes desarrollan viscosidad de
manera mas rápida. Otro factor es el tipo de ramificación; si es muy ramificado es
difícil producir viscosidad. La habilidad para encontrar agua en solución y poder
hidratarse es otro de los factores que le permitirán desarrollar viscosidad.
Algunos Polímeros son usados como Floculantes donde el mecanismo de floculación
entre
el Polímero aniónico y la partícula de Arcilla es mecánico. Las partículas se
aglomeran formando una masa que precipita por gravedad a medida que aumenta el
volumen. La floculación de sólidos depende de varios factores como capacidad de
hidratación, de su concentración, del ambiente iónico, del tipo de floculante, de la
dilución. La floculación puede ser total o selectiva. Los floculantes son emulsiones de
Polímeros, agua y aceite mineral.
Los Polímeros utilizados como Reductores de Filtrado controlan la perdida de agua al
taponear mecánicamente las formaciones permeables o al aumentar la viscosidad de la
fase liquida. El control del filtrado a través de la viscosidad es función de las cargas
negativas, del tamaño y forma del Polímero. Poliacrilatos de Sodio como el WL-100,
CYPAN, POLYAC, constituyen excelentes reductores de filtrado siempre y cuando se
utilizen en sistemas libres de Calcio. El THERMA-CHECK es un Polímero sintético muy
efectivo para bajar la perdida de agua y estabilizar la reología a temperaturas
cercanas a 300 °F.
Los Estabilizantes actúan cuando las partículas de Arcilla se parten adhiriéndose a las
cargas positivas de los bordes expuestos, aumentando la viscosidad de la fase acuosa,
reduciendo efectivamente la invasión del fluido ayudando a controlar el hinchamiento y
dispersión de la Lutita. Combinaciones de estos Polímeros con sistemas que contienen
sales de Potasio se han utilizado con mucho éxito en la perforación de Lutitas sensibles
al agua. Entre los mas usados están las PHPA (Poliacrilamida Parcialmente Hidrolizada)
como: POLY-PLUS, CYDRIL 5300, NEW DRILL, EZ_MUD.
56
En contraste con los viscosificadores, muchos Polímeros defloculantes tienen cadenas
mas cortas y por lo tanto un menor peso molecular. El proceso de Defloculación y
Adelgazamiento se diferencia del proceso de dispersión en que el defloculante separa
los flóculos en aglomerados ordenados, mientras que los dispersantes producen
inicialmente de floculación y luego separan y dispersan las partículas, permitiendo en
muchos casos, su fraccionamiento y la acumulación de sólidos finos.
57
Cómo Calcular la Cantidad de Aditivos en un lodo:
A medida que se va perforando, el volumen de lodo se va creando casi informalmente, o
sea, se agrega una cantidad de la fase continua (agua o aceite), reemplazando el
volumen de sólidos removidos del lodo y el fluido que se ha perdido hacia la formación o
en superficie.
El tratamiento con aditivos es hecho en superficie a través del embudo y del barril
químico; y la cantidad de los mismos dependerá de las propiedades del lodo ( Densidad,
viscosidad y pérdida de filtrado).
Para agregar estos materiales, se toma en cuenta las especificaciones del material,
generalmente
dadas
en
peso.
Los
procedimientos
exactos
para
determinar
matemáticamente las cantidades de aditivos son muy variables. El uso del balance de
masas es él mas usado.
V1 Dl1 + V2 Dl2 + …….Vn Dln = Vf Dlf
Donde: V: Volumen de mezcla
D: Densidad de mezcla
La densidad de la mezcla (Dlf) es la suma de las densidades de los materiales, por lo
tanto es necesario conocer las densidades de los materiales que intervienen en la
mezcla
Para densificar:
Al agregar material densificante o pesado, aumenta la densidad del lodo, pero también
puede incrementar el volumen del sistema. Si se desea tener un volumen de lodo de una
densidad Dl1 (Lpg), a partir de un volumen igual de un lodo mas liviano Dl (Lpg). La
58
densidad de la Barita es aproximadamente 35.5 Lpg; si se quiere preparar un barril de
lodo, el balance de masa será:
35.5
x Vol. de Barita + (1 - Vol. Barita) = Dl1
Vol Barita : Volumen de Barita a añadir por barril de lodo original
Vol. Barita = Dl1 - Dl / 35.5 - Dl
La Barita tiene una densidad de 1490 Libras por barril aproximadamente, entonces
para alcanzar la densidad deseada, se necesitarán para cada barril de lodo original X
libras de Barita:
X = 1490 (Dl1 - Dl) / 35.5 -Dl
Esta es la fórmula para la densificación con Barita sin aumento de volumen del sistema.
Si se desea densificar un lodo con densidad Dl añadiendo material densificante hasta
obtener un lodo con Dl2, siendo tolerable un aumento del volumen, el balance de masa
será:
35.5
x Vol. Barita + Dl = (1+ Vol. Barita) x Dl2
Vol. Barita = Dl2 - Dl / 35.5 - Dl
(Lbs de Barita)
X = Cantidad requerida por cada barril de lodo de densidad Dl (Lpg)
Para diluir:
Si por el contrario se desea disminuir la densidad del lodo, generalmente se obtiene
mediante adición de agua (lodos base agua). Al igual que en el proceso de densificación,
la adición de agua se puede calcular mediante dos métodos, los cuales dependerán de sí
59
se requiere o no el aumento del volumen del sistema. Si no se desea que haya un
aumento de volumen, se debe emplear la siguiente fórmula:
Vol. de agua a añadir = Dl - Dl1 / Dl - 8.33
(Bls)
El volumen de agua a añadir es igual al volumen de lodo original que hay que descartar
antes de añadir el agua. Si por el contrario, se desea tener un aumento del volumen, se
debe calcular él numero de barriles de agua que hay que añadir a cada barril de lodo
original para lograr la densidad Dl2 deseada:
Vol. de agua = Dl-Dl2 / Dl2 - 8.33
(Bls)
Se utiliza 8.33 Lpg para el caso de agua dulce, pero estas fórmulas pueden ser
adaptadas a cualquier tipo de fluido que se añada al sistema, solo bastará conocer la
densidad del mismo.
El porcentaje de Petróleo en volumen contenido en los lodos de perforación, se
determina a través de la retorta o destilador. El nivel líquido en la probeta graduada
menos el nivel de agua en la misma, da el porcentaje de petróleo.
El porcentaje de agua en lodos densificados se calcula igualmente mediante un ensayo
de retorta, la sal en la fase acuosa es retenida con los sólidos en ese tipo de ensayo,
por lo tanto, el nivel de agua de la probeta graduada es el porcentaje de agua no
corregido (U).
Para lodos no densificados o con poca cantidad de Barita, la siguiente formula es
generalmente mas precisa que una lectura de retorta:
U = 7.5 (21.66 - Dl) - 1.1 x V
Donde: Dl: Densidad del lodo, Lpg
60
V : Porcentaje de petróleo en el lodo
Si en la fase acuosa del lodo hay menos de 10000 ppm de sal, entonces U puede quedar
sin corregir. En caso contrario se tiene:
% Agua = U + C
C: Corrección por sal
C = 0.13 x ppm de sal x U / 300000
Si el porcentaje de petróleo y el porcentaje de agua han sido correctamente
determinados, el porcentaje de sólidos (en volumen), se puede calcular así:
% Sólidos = 100 - % agua - % petróleo
61
Tipos de fluidos de perforación:
Existen diferentes tipos de perforación y para cada una de ellas existe un tipo de
fluido específico. Sin embargo, para poder hacer un diseño del lodo de perforación
óptimo es necesario considerar varios factores entre los cuales están:
.- Selección adecuada del fluido de acuerdo a la profundidad, presión y temperatura
encontrados durante la perforación del pozo.
.- Debe tenerse un continuo y planificado mantenimiento del lodo para poder mantener
las propiedades reológicas, permitiendo obtener altas tasas de penetración, hoyos
estables y reducción de costos.
.- El conocimiento de las características litológicas es de gran importancia para la
planificación y selección del lodo a usar. Además, deben conocerse las características
del equipo de superficie, disponibilidad de aditivos y equipos de control de sólidos.
Los fluidos de perforación se pueden clasificar en tres grandes grupos:
Lodos base agua
Lodos base aceite
Lodos base gaseosa
Lodos Base Agua:
Son aquellos en los cuales la fase continua es el agua y es el medio de suspensión de los
sólidos. Entre los lodos base agua se pueden encontrar:
62
De Agua Fresca no- inhibidos:
Tienen como característica básica una fase acuosa que contiene sal a bajas
concentraciones y Arcillas sódicas; son simples, baratos ya que los aditivos
mas usados son viscosificantes, dispersantes, soda cáustica y Barita.
Son diseñados para perforar zonas arcillosas hasta temperaturas de 220 °F y son
difíciles de tratar cuando sufren contaminaciones. Este sistema esta
conformado de la siguiente manera:
Lodos de Agua Fresca:
Utilizado en formaciones duras, el agua utilizada puede ser dulce o salada dependiendo
de la disponibilidad. Se emplean altas velocidades anulares para la remoción de los
sólidos y se complementan con el bombeo de píldoras viscosas. En este sistema los
sólidos son removidos por sedimentación.
Lodos Nativos:
En casi todas las áreas, se consiguen formaciones arcillosas y lutíticas en superficie,
las cuales se mezclan con el agua formando lodos naturales que tienden a tener altas
viscosidades a medida que más se circula el lodo y por lo tanto requieren de una alta
dilución.
Son utilizados para perforar zonas superficiales hasta 1500’ ya que no requieren de
control químico y su densidad nunca sobrepasa
10.0 Lpg. No requiere control de
filtrado, ni de las propiedades reológicas. Su mantenimiento esta limitado a controlar
los sólidos durante la perforación.
63
Lodos de Agua-Bentonita:
Están constituidos por agua y Bentonita y tiene como característica principal tener una
buena capacidad de acarreo, con viscosidad controlada y control de filtrado. Es un lodo
de inicio, que permite mantener un buen revoque protector sobre las formaciones
perforadas, buena limpieza del hoyo. Se puede utilizar hasta 4000’con pequeñas
adiciones de Cal lo cual redunda en ahorros de dinero y tiempo.
Lodos con Taninos -Soda Cáustica:
Incluye lodos base agua con una mezcla de Soda Cáustica y Taninos como
adelgazadores, puede ser de alto bajo Ph. Es conocido como lodo rojo y puede ser
preparado a partir de lodos naturales requiriendo bajas cantidades de Bentonita para
obtener buenas propiedades. No son utilizados frecuentemente ya que son afectados
por altas temperaturas.
Lodos Base Agua Inhibidos:
Es un sistema cuya fase acuosa tiene una composición química que le permite evitar la
hidratación y desintegración de las Arcillas y Lutitas hidratables mediante la adición
de Calcio al lodo, lo cual permite el intercambio iónico para transformar las Arcillas
sódicas a cálcicas. A medida que las plaquetas de Arcilla se deshidratan, el agua
absorbida en la Arcilla se libera, produciéndose una reducción del tamaño de las
partículas e incremento del agua libre, con una reducción sustancial de la viscosidad.
Este intercambio iónico permite obtener un lodo con mayor cantidad de sólidos y
propiedades reológicas mínimas y más resistentes a contaminaciones severas.
La fuente de Calcio se obtiene con la adición de Cal, Yeso y Cloruro de Calcio y se
pueden obtener los siguientes tipos de fluidos:
64
Lodos de Salmueras de Formiato:
Termino aplicado a tres compuestos solubles en agua: Formiato de Sodio (NaCOOH),
Formiato de Potasio (KCOOH) y Formiato de Cesio (CsCOOH) las cuales son sales
alcalinas metálicas procedente de Acido Fórmico. Las salmueras de Formiato proveen
soluciones salinas de altas densidades y bajas viscosidades; no son dañinas la medio
ambiente y se biodegradan rápidamente, son antioxidantes poderosos que ayudan a
proteger a los viscosificadores y a los Polímeros reductores de filtrado contra la
degradación térmica hasta temperaturas de por lo menos 300 °F.
Son compatibles con las aguas de formación que contiene Sulfatos y Carbonatos, por lo
tanto reducen la posibilidad de dañar la permeabilidad por la precipitación de sales; su
costo es alto en comparación con otros sistemas.
Lodo a base de Polímeros y KCl:
Su propósito es el de inhibir por encapsulamiento y/o reemplazo de iones de
hidratación da las Lutitas de formación con alto contenido arcilloso, minimizando
problemas de derrumbes y ensanchamiento de hoyos. Se utiliza agua fresca o de mar
en su preparación, además de Polímeros y Bentonitas prehidratadas los cuales deben
agregarse lentamente al agua conjuntamente con el KCl hasta obtener la viscosidad
requerida. El Ph se logra con KOH en lugar de NaOH y se trata de mantenerlo entre
9.0 y 10.0. Se necesitan aproximadamente 1.5 Lb/bbl de KOH para obtener el mismo Ph
que se obtiene con 1.0 Lb/bbl de NaOH. El KOH proporciona 3000ppm de ion Potasio
(K) por cada Lb/bbl agregada.
En cuanto a las propiedades reológicas, este sistema de lodos proporciona altos puntos
cedentes, bajas viscosidades plásticas y altas perdidas de filtrado, para lo cual se usan
Poliacrilatos de Sodio (Drispac, CMC ), como controladores de filtrado.
65
Lodos tratados con Cal:
Se caracterizan por utilizar Cal (Ca(OH)2) como fuente de Calcio soluble en el filtrado.
Esta compuesto por: Soda Cáustica, Dispersante orgánico, Cal, Controlador de filtrado,
Arcillas comerciales.
Se pueden emplear en pozos cuya temperatura no sea mayor de 250°F ya que se pueden
gelificar en alto grado causando problemas graves durante la perforación. Tiene la
ventaja de soportar contaminación con sal hasta concentraciones de 60.000 ppm.
Lodos tratados con Yeso:
Utilizan Sulfato de Calcio (CaSO4) como electrolito para obtener la inhibición de las
Arcillas y Lutitas hidratables. Tienen un ph entre 9.5-10.5 y contienen
concentraciones de 600 - 1.200 ppm de Calcio en el filtrado. Han sido
utilizados para perforar zonas de Anhidritas pero tienen tendencia a
flocularse por deshidratación del lodo por temperatura. Se pueden tratar
con Lignosulfonato Ferrocrómico para el control de la viscosidad,
resistencia al gel y alcanzar altas densidades; son resistentes a
solidificación por temperatura debido a su baja alcalinidad.
Lodos tratados con Lignosulfonato de Cromo:
66
Los lignosulfonatos de Cromo se adhieren sobre partículas de Arcilla por atracción de
valencia del borde del enlace fracturado, reduciendo de esa manera la fuerza
de atracción entre las partículas y esto explica la habilidad del dispersante
para reducir la viscosidad y resistencia gel. Además, la presencia del Cromo
tiende a inhibir las Arcillas manteniéndolas en su condición natural. La
utilización de Lignosulfonatos provee las siguientes ventajas al ser usados:
Control de propiedades reológicas, Estabilidad del hoyo, Compatibles con
diversos aditivos, Controlador de filtrado, Mejor tasa de penetración, Gran
flexibilidad, Menor daño a las formaciones, Resistentes a la contaminación
química, Fácil mantenimiento.
Lodos en agua salada:
Este tipo de lodo tiene una concentración de sal por encima de 10.000 ppm hasta
valores de 315.000 ppm. La sal generalmente actúa como un contaminante en los
sistemas de agua dulce, produciendo incremento de viscosidad, de la resistencia de gel
y las perdidas de filtrado.
El poder de inhibición de la sal sobre las Arcillas se incrementa a medida que se
incrementa la concentración de sal. El anión Sodio proveniente de la sal provoca
floculación de la Arcilla hidratada, originando altas viscosidades con una adición mínima
de Bentonita; con el tiempo la masa del ion Sodio sobre la Arcilla hace disminuir las
plaquetas, se libera agua y entonces se produce una disminución de la viscosidad. Los
lodos salados tienen altas tasas de filtración, por lo que se hace necesario el empleo de
aditivos controladores de filtrado.
Los lodos salinos pueden ser utilizados en varias situaciones y las razones de su uso
pueden ser las siguientes: Para perforar zonas con agua salada y domos de sal para
67
evitar desmoronamiento de las formaciones a través de un equilibrio osmótico;
Pequeñas concentraciones de sal (3%) son suficientes para evitar la hidratación de las
Arcillas y Lutitas hidratables, en especial en zonas productivas; se pueden utilizar
cantidades suficientes de sal hasta alcanzar la saturación, poseen una baja viscosidad,
punto de cedencia alto y gran poder de inhibición.
Lodos de Bajo Coloide:
Son lodos de base agua con Polímeros como agentes viscosificantes y con bajo
contenido de Bentonita o compuesto coloidal, lo cual disminuyen la tendencia a la
floculación y degradación de los aditivos cuando puedan existir problemas de
hinchamiento de Arcillas, efectos de altas presiones y temperaturas, presencia de
formaciones solubles de Calcio, flujo de agua salada, intercalaciones de sal, etc.
La eficiencia durante las operaciones de perforación depende en alto grado del
contenido de sólidos coloidales y de la viscosidad plástica del fluido en la mecha; lodos
con un contenido de 5% por volumen de sólidos coloidales de baja gravedad, en
concentraciones de Bentonita menores de 15 LPB permiten obtener grandes beneficios
como: Incremento de la tasa de penetración, mejora en la limpieza del hoyo, mejora la
estabilidad del hoyo.
Este sistema de lodos con bajo contenido de Bentonita ha sido utilizado con resultados
positivos, reduciendo los costos del lodo hasta en un 30%, además de disminuir los
problemas colaterales como atascamientos diferenciales, hidratación de las Arcillas e
inestabilidad del hoyo.
68
Lodos Base Gaseosa:
Son fluidos de perforación cuya fase continua esta constituida por gas o aire, es
utilizado en áreas donde las perdidas de circulación son severas y también en zonas
extremadamente duras o altamente consolidadas, ya que este tipo de fluido permite
obtener altas tasas de penetración. Su utilización permite además una mayor eficiencia
y duración de la mecha, un control estricto sobre las perdidas de circulación, causa un
daño mínimo a las formaciones prospectivas y una evaluación continua e inmediata de los
hidrocarburos.
Los fluidos de base gas más utilizados son:
Lodo con Aire:
El aire que es circulado a presión para poder levantar los cortes hechos por la mecha
durante la perforación. Los cortes ya pulverizados por efecto de las altas velocidades,
son circulados hacia la superficie. Esto requiere de equipos especiales como cabezales e
inhibidores de polvo; además, el volumen de aire requerido es suplido por un sistema de
compresores.
La desventaja más importante del uso de este sistema de lodo es la posibilidad de
incendio y explosión en el fondo del pozo por diferentes causas como: Formación de
anillos de lodo entre los recortes de perforación y la humedad; al detener la
circulación, el gas comienza a acumularse produciéndose ignición cuando la relación
gas/aire alcanza el 15%.
Otra desventaja es la producción de chispas dentro del hoyo al perforar arenas de
Cuarzo con mechas de Carburo de Tugsteno, y por ultimo, la formación de agujeros
pequeños en la sarta los cuales al pasar aire presurizado a través de ellos, la fricción
producida hace que el gas recaliente la tubería produciéndose una zona de alta
temperatura que favorece la ignición de la mezcla.
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Lodos Espumosos con Niebla:
La presencia de acuíferos o hidrocarburos durante la perforación de un pozo, hace
necesario utilizar una mezcla de aire (40%) y jabones, los cuales forman un fluido
capaz de limpiar los cortes y producen un hoyo estable. Tienen la gran ventaja que si el
flujo de agua es muy severo, es necesario inyectar aire al agua para reducir la presión
hidrostática sobre la formación.
Sistema Viscoelástico:
Este tipo de fluido conocido también como fluidos de reología específica o fluidos
Biopolímeros son fluidos pseudoplásticos o sea con comportamiento independiente del
tiempo, caracterizados por tener propiedades viscoelásticas, o sea, viscoso como un
liquido y elásticos como un sólido. La viscoelasticidad es el grado de deformación o
esfuerzo elástico alcanzado por un fluido antes de iniciar su transformación de un
estado casi sólido a un estado casi liquido de allí se tiene que un fluido viscoso se
deforma o fluye al aplicarle tanto un esfuerzo como una deformación, pero no se
recupera cuando se suspende la fuerza, mientras que un fluido elástico recupera su
forma original al remover el esfuerzo, siempre y cuando la deformación no exceda el
limite elástico del material.
Los fluidos viscoelásticos se caracterizan por tener altas viscosidades a bajas tasas
de corte y desarrollar altos geles instantáneos pero frágiles y de fácil ruptura; además
ofrecen baja resistencia al flujo con mínima presión de fondo y exhiben un esfuerzo
verdadero de cedencia elevado que indica la transición del estado casi sólido al estado
casi liquido bajo condiciones de corte mínimo.
70
Estos fluidos se utilizan para la perforación de pozos horizontales y/o direccionales
por su gran capacidad de limpieza y suspensión aun en condiciones estáticas,
minimizando la formación de lechos o camada de ripios que usualmente se forman en la
zona de máxima desviación del pozo. Esta propiedad es medida en un viscosímetro
BROKFIELD, con el cual se puede hacer mediciones a velocidades de corte por debajo
de 3 RPM y tasas de corte inferiores a 5.1 seg-1.
Es importante conocer la relación existente entre la tasa de corte con la viscosidad
expresada en centipoises y permitir conocer la viscosidad efectiva del fluido en el
anular; para ello es necesario la utilización de Reogramas.
La interpretación de los valores de “n” y “K” es otro de los procedimientos para saber
el comportamiento de este tipo de fluidos; “n” indica la habilidad pseudoplástica del
fluido y el factor “K” el índice de consistencia, en otras palabras el esfuerzo cortante
de la viscosidad de un fluido correspondiente a una tasa de corte de un segundo
reciproco.
Los fluidos pseudoplásticos se caracterizan por dar valores bajos de “n” y altos de “K”
a bajas velocidades de corte, es por ello que es recomendable al usar estos fluidos,
tratar de mantener valores de “n” lo mas bajo posible y al mismo tiempo mantener
valores de “K” lo suficientemente altos como para proveer una buena capacidad de
limpieza,
Los fluidos viscoelásticos son sistemas sencillos y fáciles de preparar. Se preparan con
agua fresca o salmuera no saturada y alrededor de cuatro a seis aditivos químicos. El
uso de salmuera en su preparación ofrece ventajas como no dañar la formación por
carecer de sólidos suspendidos, además, aminora la perdida de viscosidad que sufren
los polímeros con elevadas temperaturas y por ultimo, evita la precipitación del
viscosificador cuando es necesario agregar alguna Acrilamida Catiónica para
complementar la acción inhibitoria del fluido.
71
En la preparación de los sistemas viscoelásticos no se utilizan Arcillas comerciales
como viscosificantes y de control de reología ya que estas son afectadas por los
Polímeros usados como inhibidores produciéndose un intercambio iónico entre los
sólidos arcillosos y los aditivos usados para la inhibición y además por que estos sólidos
causan problemas de taponamiento y dan geles progresivos dependientes del tiempo. En
remplazo de las Arcillas comerciales, se utilizan Biopolímeros obtenidos mediante un
proceso de fermentación bacteriana. Estos dan viscosidad y capacidad de suspensión,
mejoran la hidráulica, disminuyen los problemas de torque y arrastre y reducen las
perdidas de presión en flujo turbulento, permitiendo obtener menores presiones de
bomba, altas tasas de flujo, mejor resistencia de los motores de fondo y mayores tasas
de penetración. Los Biopolímeros son generalmente aniónicos y proporcionan excelentes
propiedades pseudoplásticas, bajos valores de “n” y perfiles planos que facilitan una
buena limpieza del lodo. Son poco resistentes a altas temperaturas (250 °F), pero su
estabilidad térmica puede ser mejorada manteniendo una alta concentración de sal en
el sistema. Al igual que el resto de los componentes de este tipo de fluido. Los
Biopolímeros son afectados severamente pos el cemento producto de las diversas
cementaciones que se realizan durante el proceso de perforación. Es por ello que se
deben tomar las precauciones para evitar el contacto del fluido con el cemento. El
Calcio es otro de los contaminantes que debe mantenerse por debajo de 100 ppm para
que no altere las condiciones del fluido.
El filtrado de los fluidos viscoelásticos se controla con Almidón natural o modificado, el
Ph del sistema debe mantenerse entre 7 y 9 ya que variaciones por encima o por debajo
de esos valores causarían perdida de viscosidad y disminución de la capacidad de
acarreo y limpieza del fluido.
72
Los fluidos viscoelásticos minimizan los problemas de arrastre, mejoran las condiciones
hidráulicas en la mecha, se obtienen mejores tasas de flujo y de penetración y reducen
las perdidas de presión en flujo turbulento.
Algunos de los sistemas viscoelásticos utilizados por la industria para la perforacián
de pozos horizontales son: FLO-PRO, PER-FLO, THIXSAL, BARADRIL y VISPLEX
73
Sistema K-Mag:
Es un lodo Lignosulfonato, ya que uno de sus componentes, el XP-20 es un Lignito de
Cromo, el cual es conectivo de los lodos Lignosulfonatos; posee cualidades
inhibidoras que tienden a mantener las arcillas de la formación en su condición
natural. Provee un excelente control de la reología del lodo, asi como da estabilidad
de las paredes del pozo, control de filtrado debido al efecto taponante de las sales
Ferrocrómicas y a la buena dispersión que se logra a temperaturas elevadas,
manteniendo bajo pH entre 9 y 10.5 y un Pf entre 0.1 y 0.5, características estas
que son propias de lodos Lignosulfonatos.
Son utilizados en zonas con presencia de Lutitas inestables, poco consolidadas, en
presencia de Domos de sal y en áreas con altas presiones y temperatura.
El sistema K-MAG es un sistema base agua, ya que puede ser utilizado en cualquier
lodo base agua o convertirlo a sistemas K-MAG, lo que indica que tiene alguna
afinidad con los sistemas base agua. Es compatible con todos los aditivos comunes
para lodos.; esta diseñado para controlar o minimizar el efecto sobre las Lutitas
hidratables, disminuye el riesgo de embolamiento por presencia de arcilla Gumbo y
aumenta la tasa de penetración..
74
Sistema BARADRIL-N:
Pertenece a la familia de fluidos “Dril-in” de Baroid, los componentes básicos del
sistema son Celulosas no iónicas modificadas y Biopolímeros para la suspensión de
Almidones modificados y Celulosas para pérdida de fluido, salmuera para el peso
para balancear la salinidad de la formación o prevenir la migración de arcillas y los
agentes puenteantes como lo son el Carbonato de Calcio o las sales para reducir la
invasión de fluido.
Este sistema se ha formulado y diseñado específicamente para perforar cuando
existe alteraciones de las paredes del pozo tanto vertical como horizontalmente.
Puede usarse en Potasio, Sodio o Salmueras de Carbonato de Calcio, agua de mar,
agua fresca o soluciones de Bromuro de Sodio.
La distribución del material de puenteo en este sistema minimiza la invasión de la
partícula y la perdida de fluido hacia la formación. Ya que el daño a la formación
puede ocurrir de la dispersión de partículas, la migración de los sólidos finos, la
hidratación de las arcillas a cambio de la humectabilidad, es necesario realizar un
estudio del comportamiento antes de diseñar este sistema.
Entre los beneficios del sistema están:
•
Proporciona
estabilidad
al
hoyo,
mientras
se
perforan
formaciones
permeables
•
Contiene un ácido soluble y no perjudicial a los espacios porosos
•
Permite el incremento de densidad para el control de presiones
•
Impide que sólidos entren a la zona de producción, ya que el agente
puenteante tiene distribución correcta de tamaño de partículas para asegurar
delgabilidad y un revoque de permeabilidad baja.
75
Sistema PERFLOW-DIF:
Este sistema aísla la zona productora contra daños; proporciona lubricidad,
inhibición, suspensión de sólidos y ripios y da estabilidad a las paredes del pozo. Los
espacios porales permanecen intactos durante la realización de las operaciones y son
fácilmente removidos al poner el pozo en producción.
Es utilizado como contenedor de la perdida de filtrado, baja penetración de fluido,
fluido de empaque En este sistema se utiliza un Carbonato de Calcio metamórfico como
agente de puenteo, el cual es muy puro y con una distribución del tamaño de las
partículas cuidadosamente seleccionado.
El agente de puenteo combinado con Polímero viscosificante y agentes de control de
filtración, forman un revoque delgado en la superficie de la formación expuesta,
proporcionando un control instantáneo de la filtración, lo cual permite la protección de
las formaciones productoras de daños.
El sistema simplifica los procedimientos de limpieza del equipo, reduciendo los días de
perforación ya que evita pasos costosos que se requieren con fluidos convencionales.
76
Lodos Base Aceite:
Una mezcla heterogénea de dos líquidos (aceite y agua ), uno disperso dentro del
otro, crean una emulsión, la cual requiere de un agente emulsificante para que sea
estable. Los lodos inversos están basados en una emulsión donde el agua es la fase
dispersa y el aceite la fase continúa. El agua no se mezcla con el aceite pero
permanece suspendida formando pequeñas gotas. Característica principal de una
buena emulsión es la no separación de las fases.
El agua dispersa en forma de gotas, tiende a actuar como un sólido. A medida que se
aumenta la cantidad de agua emulsionada, aumentara la viscosidad.
Al aumentar la concentración de aceite, un lodo inverso se hace mas fluible. La
dilución en aceite bajara la viscosidad, bajando la concentración total de sólidos y
agua.
El agua actúa como viscosificante y contribuye sustancialmente a los geles, control
de filtrado y suspensión de la Barita. Las gotitas emulsificadas más pequeñas,
producen mayores viscosidades, mejor suspensión del material y menor filtrado.
El sistema de lodos inversos es más estable mientras menor sea la cantidad de agua,
ya que la distancia entre las gotitas es aumentada reduciendose asi el chance de que
coalezcan.
Cuando se añade aceite, la emulsión se vuelve mas estable porque la distancia entre
las gotas es mayor. Agregando agua, se reduce la estabilidad porque la distancia
entre las gotitas de agua es reducida.
El control de sólidos es de gran importancia, ya que a medida que aumentan en el
sistema, la emulsión se hace más débil, ya que estos absorben y se humedecen en el
aceite, originando que haya menos aceite disponible para mantener la separación
entre las gotas de agua
77
La calidad de una emulsión se puede probar de varias formas: midiendo la estabilidad
eléctrica, aplicando un voltaje a través de dos electrodos al sistema, y se aumenta
este hasta que fluya una cantidad predeterminada de corriente. La medida de
emulsión es indicada por el flujo de corriente y la estabilidad por el voltaje en el
punto de flujo. El aceite como fluido no conductor, no conducirá corriente; el agua si
la conduce y en emulsiones inversas, el agua emulsionada en el aceite. Por lo tanto, el
grado de emulsificación puede ser indicado por la estabilidad eléctrica.}
Otra prueba para determinar la estabilidad eléctrica de la emulsión es la utilización
del filtroprensa de Alta Presión y Alta Temperatura. Si existe agua en al filtrado,
entonces la estabilidad de la emulsión se esta rompiendo y se necesitan mas
emulsificantes. Si no hay agua en el filtrado y la estabilidad eléctrica es baja, el
lodo esta en buenas condiciones.
Los lodos base aceite tienen la propiedad de estabilizar Lutitas con problemas. Si
esta presurizada, se puede perforar con un lodo de emulsión inversa con densidades
de 0.2-0.4 Lbs/gal menor que el requerido para un lodo base agua.
Estos lodos fueron usados con mucho éxito luego que se comprobó a nivel de
laboratorio que poseen la propiedad única de desarrollar fuerzas osmóticas frente a
formaciones de Lutitas, trayendo como resultado la extracción del agua de la Lutita,
cuando suficiente cantidad de Cloruro de Calcio disuelto estaba presente en la fase
acuosa del lodo base aceite.
Cuando la fase acuosa del lodo contiene una salinidad mayor que la del fluido de
formación, se produce un efecto osmótico; la membrana semipermeable producida
por el jabón de alto peso molecular en el lodo de emulsión inversa, deja entrar o salir
agua si las condiciones son tales que pueda generarse una presión osmótica. Se sabe
que el agua migra de una solución menos salina a otra de mayor salinidad, si esta
78
presente una membrana semipermeable. Es por este fenómeno que una emulsión
inversa puede realmente deshidratar formaciones lutíticas o arcillosas.
Lodos base aceite Vs. Lodos base agua
1.
La preparación inicial de los lodos base aceite toma mas tiempo y su costo es
mayor al de los lodos base agua.
2.
El costo de mantenimiento de los lodos base aceite a altas temperaturas es
menor.
3. Los problemas de torque, arrastre y atascamiento de tubería se minimizan
bastante con lodos base aceite.
4. El problema de contaminación ambiental es mayor con los lodos base aceite.
5. Los lodos base aceite son menos afectados por los contaminantes comunes.
6. La toma y análisis de núcleos resulta mejor con los lodos base aceite.
7. El trabajar con lodo base aceite resulta más peligroso para el personal del
taladro.
8. La rata de penetración con lodos base aceite es menor.
9.
El problema de derrumbes de formaciones lutíticas es menor cuando se usa lodo
base aceite.
10. Las probabilidades de pérdida de circulación con lodo base aceite son mayores,
ya que estos dan mayores ECD
11. Los lodos base aceite permiten perforar bajo balance.
12. El problema de corrosión es menor con los lodos base aceite.
13. El problema de asentamiento de barita es mayor con los lodos base aceite.
14. Las propiedades reológicas de los lodos base aceite son menores.
15. El agua libre es un contaminante para los lodos base aceite.
16. La interpretación de los perfiles resulta más difícil con lodo base aceite.
79
17. El desplazamiento con lodo base aceite es más problemático.
18. Los hoyos perforados con lodo base aceite son mucho más calibrados.
Componentes de un lodo de Emulsión Inversa:
Emulsificante:
Mezcla de ácidos grasos usado para aprisionar agua en aceite con la finalidad de
mantener un fluido de perforación estable. Es el componente básico de los lodos
base aceite; la concentración correcta de emulsificante permitirá una buena
emulsificación, suspensión y el control de filtrado. Una regla que debe cumplirse es
que debe mantenerse siempre la concentración de Cal en por lo menos la mitad de la
concentración de libras por barril usada para el emulsificante.
Controlador de Filtrado:
Es un coloide orgánico dispersable en aceite; ayuda a la suspensión de sólidos y
provee estabilidad a alta temperatura a los lodos base aceite. Requiere de un
emulsificante para trabajar adecuadamente.
Arcillas Organofílicas:
Tienen una estructura Bentonítica que desarrolla un esfuerzo de geles, necesitan un
aditivo polar como agua para desarrollar una fluencia máxima. Las Arcillas
organofílicas aumentaran las propiedades del cuerpo y suspensión a los lodos base
aceite aun a temperaturas muy altas.
Humectante:
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Es un Surfactante Olioamídico graso y un emulsificante de agua en emulsión de
aceite. Forma una emulsión ligera y deberá ser usado junto o como suplemento de
emulsificante. Imparte estabilidad a alta temperatura a un lodo de emulsión inversa
y es agente humectante rápido en aceite en el tratamiento de sólidos humedecidos
de agua.
Espaciadores:
Son utilizadas para preparar fluidos especiales de lodos base aceite, tanto
densificados como livianos para aliviar aprisionamientos diferenciales. Constituyen
una mezcla especial de emulsificantes, lubricantes, gelificantes y otros aditivos que
forman un fluido de emulsión inversa cuando son mezclados con aceite Diesel y agua.
También son usados para separar el lodo base aceite del cemento durante las
operaciones de cementación.
Cloruro de Calcio:
Al mezclarlo en la fase acuosa de la emulsión inversa, proveerán una fuerza osmótica
capaz de deshidratar formaciones mojadas de agua.
Algunos cálculos en lodos base aceite:
81
Procedimientos de ensayo en lodos base aceite
Densidad:
Varían de 7.0 a 22.0 lpg. Se usa barita para incrementar la densidad, se puede usar
cloruro de calcio disuelto en la fase acuosa del lodo. Para reducir la densidad del lodo
se agrega aceite, agua o una combinación en la relación correcta.
Viscosidad de Embudo:
Es afectada por la temperatura, debido a que la temperatura reduce la viscosidad
del aceite mucho más rápido que la del agua.
Reología:
Es más compleja que la de un lodo base agua, se regula mediante el control de
sólidos, el contenido de agua y la adición de químicos se determina mediante el
viscosímetro rotacional de seis velocidades y una copa térmica (120º F). En lodos
pesados base aceite, la viscosidad plástica es ligeramente mayor que para lodos base
agua. Se aumenta agregándole agua o sólidos y se baja agregándole aceite y con los
equipos de control de sólidos.
El punto cedente se aumenta con un gelificante o agua y se baja con aceite o un
surfactante. La fuerza gel se aumenta agregando agua o arcilla organofílica y se
baja mediante la adición de aceite.
Filtrado:
Determina la estabilidad de la emulsión, se corre a 500º PSi y 300º F. El filtrado de
un lodo base aceite debe ser 100% aceite y por lo general su valor es cero.
Si hay presencia de agua en el filtrado HPHT, es indicativo del rompimiento de la
emulsión y de la necesidad de adicionar Emulsificante o un agente humectante.
Estabilidad Eléctrica:
82
Es un indicativo de la calidad de la emulsión del agua en el aceite. Esta prueba no
indica que un lodo este o no en buenas condiciones, solo indica la tendencia que tiene
el lodo a mejorar o empeorar. Se mide con un probador de onda sinusoidal como el
FANN modelo 23 – D.
Para medir la estabilidad eléctrica se aplica un voltaje a través del electrodo
sumergido en el lodo y se aumenta gradualmente, más o menos 250 voltios/minuto,
hasta que se establezca un pase de corriente a través de las gotas de agua, una luz
roja indicará el flujo de corriente.
Mientras mas pequeñas sean las gotas, mayor será el voltaje requerido para
establecer un flujo de corriente y mayor será la estabilidad. Si hay una caída
repentina en el voltaje, indica una posible entrada de agua, por lo que hay que
agregar Emulsificante.
Si el voltaje disminuye lentamente, puede ser indicativo de que la emulsión se está
debilitando y se requiere adición de Emulsificante. Para densidades del lodo entre 8
– 12 lpg es aceptable una estabilidad eléctrica de 400 voltios o más. En lodos
pesados la estabilidad eléctrica puede variar de 500 a 2000 voltios.
Sólidos:
En lodos base aceite los sólidos deben estar completamente humedecidos con aceite
ya que de no ser así, se desestabiliza al emulsión. Los sólidos absorben el aceite y se
humedecen entonces la estabilidad eléctrica baja. La barita humedecida con agua
forma grandes flóculos que tienen alta tasa de asentamiento.
Relación Aceite / Agua :
% Aceite en la fase liquida = % Aceite por volumen x 100
% Total fase liquida
% Agua en la fase liquida = % Agua por volumen x 100
83
% Total fase liquida
% Total fase liquida = % Agua por volumen + % Aceite por volumen
Relación aceite / agua = % Aceite en la fase liquida
% Agua en la fase liquida
Del análisis de retorta se calcula él % de aceite en la fase liquida
Como cambiar la relación Aceite / Agua:
Ejemplo:
Cambiar la relación aceite/agua de 200 barriles de lodo base aceite a 86/ 14
Análisis de retorta:
Aceite = 70
Agua
= 16
Sólidos = 14
Relación aceite / agua = (70 / 70+16 ) x 100
( 16 / 70+16 ) x 100
Relación aceite / agua = 81 / 19
Se cambiara la relación de 81/19 a 86 / 14. Se requiere para ello aceite.
Se debe calcular la cantidad de aceite requerida:
200 x 0.70 = 140 bbls de aceite
200 x 0.16 = 32 bbls de agua
% Aceite requerido en fase liquida=
Vol aceite original (bbl) + Vol (aceite nuevo)
Vol aceite original + Vol agua+ Vol (aceite nuevo)
0.86 = (140 + Vol ) / (140 +32 +Vol)
0.86 (172 + Vol) = 140 + Vol
Vol = 7.92 / 0.14 = 57 bbls
84
Se necesitan 57 barriles de aceite para cambiar la relación a 86 / 14
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Ventajas y usos de los lodos base aceite:
 Usos:
Disminución de pegas por presión diferencial
Perforación de formaciones solubles en agua e hidratables
Perforación de pozos desviados
Toma de núcleos
Perforación en zonas con altos gradientes de temperatura
Perforación en zonas con alta cantidad de sólidos incorporados
En ambientes corrosivos
Perforación en formaciones de sal o Anhidrita
En formaciones de baja presión
Perforación bajo balance
o Ventajas:
No es afectado por altas temperaturas
No es afectado por formaciones solubles
Prevé el aprisionamiento
Protege contra la corrosión
Resistente al fuego
Reducción de torsión y arrastre
Tipos de lodo Base Aceite:
Lodo base aceite con control de filtrado (sistema convencional):
Se aplican en áreas con zonas de perdida de circulación o en formaciones con presión
subnormal. Son sistemas bastante estables y resistentes a la contaminación y a altas
temperaturas. Entre sus desventajas esta la disminución de la tasa de penetración y el
alto costo inicial; para su preparación se puede utilizar aceite diesel o aceite mineral.
Ejemplo de estos sistemas: Invermul, Enviromul, Versadril, Versaclean
Lodo base aceite con relación 50/50:
85
Este sistema se utiliza en zonas ambientalmente sensibles, donde el descarte de ripios
es problemático; de allí que la cantidad de aceite a usar se reduce. Debido a esto, la
emulsión formada es poco estable y requiere de grandes cantidades de emulsificantes
para poder mantener la estabilidad eléctrica entre 200-300 Voltios. Su costo de
mantenimiento y el consumo de Cloruro de Calcio son altos
Lodo base aceite sin control de filtrado (sistema relajado):
En su formulación no esta el emulsificante primario ni Lignito como controlador de
filtrado; se logra mejorar la tasa de penetración y minimizar costos iniciales
del lodo, es un sistema poco estable a altas temperaturas y requiere un mayor
consumo de aceite.
Lodo 100 % aceite:
Es un sistema de lodos que tiene como característica principal no contener agua, esta
formulado totalmente a base de aceite mineral o de otra naturaleza. E l grado de
toxicidad de un producto se conoce mediante pruebas basadas en el ensayo de 96 horas
LC50, mediante el cual se determina la concentración en ppm, que causa la muerte al
50 % de la especie marina durante un tiempo de exposición de 96 horas. Las especies
utilizadas para esta prueba son camarones de la clase Mysidopsis.
El sistema 100% aceite se utiliza para la toma de núcleos en forma original y sin
alteración; utiliza un emulsificante débil el cual absorbe agua de la formación y
emulsionarla de manera efectiva en el lodo y no producir daños ala formación. Utiliza
como controlador de filtrado un asfalto especial que no contiene surfactantes e
igualmente como el resto de los lodos base aceite, utiliza Cal viva en pequeñas
concentraciones, la cual reaccionara con el emulsificante para formar un detergente en
el caso de producirse una invasión de agua proveniente de la formación.
86
Los aceites 100% son poco tolerantes a la contaminación con agua (solo hasta 5%), y en
caso de tener mas de 5% de invasión de agua, es fácil conseguir la conversión a una
emulsión inversa. Además, este sistema presenta perdidas de volumen en superficie
como producto de la gran adherencia del lodo con el ripio.
Entre algunos de los sistemas 100% aceite se tienen: Baroid 100, Trudrill, Uni-Mul-Lt,
Carboclean, Versaclean.
Sistemas Sintéticos:
Son sistemas que utilizan en su preparación bien sea un aceite sintético, un aceite a
base de ester o un aceite farmacéutico. Están formulados principalmente por una polialfa-olefina (PAO) y una salmuera; el PAO es un líquido sintético que no contiene
componentes aromáticos. Se utilizan en su preparación emulsificantes primarios,
humectantes, arcillas organofílicas, cal y en caso necesario se pueden utilizar
modificadores reológicos.
Son sistemas con muy elevados costos por barril, por lo cual se requiere realizar
estudios previos de factibilidad económica para su aplicación; además, son sensibles a
la contaminación con Calcio o Yeso y a temperaturas mayores de 300 °F. _
87
Contaminación de los fluidos de perforación:
Durante las operaciones de perforación se pueden adicionar al lodo de una forma
directa o de las formaciones atravesadas materiales que pueden contaminarlo causando
cambios no deseados en las propiedades físico-químicas del mismo.
En algunos casos, los componentes del lodo pueden transformarse en contaminantes. Un
ejemplo es la disminución de tasa de penetración por el incremento de sólidos producto
de existencia de cortes de perforación no removidos, Bentonita agregada en exceso y
alto contenido de Barita en el sistema.
Sin embargo, los contaminantes que más afectan las propiedades de los fluidos, son
aquellos que requieren de tratamiento químico para ser removidos. El tratamiento debe
contrarrestar al contaminante y sus efectos.
Existen contaminantes que se pueden predecir y por ende puede ser pretratado el
fluido para evitar que los mismos causen problemas. Entre estos contaminantes están:
el cemento, agua contaminada, sal, Sulfuro de Hidrogeno y Dióxido de Carbono.
En lodos base agua, el agua es el ingrediente de control de todos los sistemas, ya que
disuelve, suspende y rodea todos los otros ingredientes que constituyen el sistema. Por
lo tanto, al saber el comportamiento químico de una sustancia con el agua, se podrá
también saber cual será la reacción de ella con el fluido de perforación.
Es bueno recordar que los compuestos son moléculas formadas de un átomo o grupo de
átomos. Al disolverse los electrolitos en agua, se subdividen en unidades más pequeñas
cargadas eléctricamente llamadas iones que pueden ser un elemento o una combinación
de elementos. Algunos elementos son: Na (sodio), O (oxigeno), H (hidrogeno), C
(carbono). Estos al disociarse en agua se transforman en Na++, Cl -, H +, OH -
88
Contaminación con Cloruro de Sodio (sal):
La contaminación con sal puede provenir de varias fuentes y entre ellas se pueden
encontrar: agua de preparación del lodo, estratos de sal atravesados durante la
perforación, flujo de agua salada, etc. Esta contaminación con sal no se puede remover
del lodo con químicos; la sal dentro del lodo cambia la distribución de cargas en la
superficie de las arcillas, originando floculación que causa aumento de las propiedades
reológicas y de la perdida de filtrado.
Ya que la sal no puede ser precipitada por medios químicos, las concentraciones de sal
serán eliminadas solamente con dilación con agua dulce.
Dependiendo de la severidad de la contaminación, se escogerá el agente usado para
reacondicionar el lodo. Sistemas de lodos tratados ligeramente con Lignosulfonato
pueden tolerar hasta 10000 ppm de sal.
Cuando se encuentran flujos de agua salada, las altas concentraciones de Na +, tiende a
reemplazar algunos de los iones H
+
en la superficie de las Arcillas y reduce el Ph
ligeramente.
Contaminación con Calcio:
Al igual que la sal, el Calcio constituye otro de los contaminantes de los fluidos de
perforación. Puede incorporarse al lodo en el agua de mezcla, cuando se perfora
cemento luego de una cementación, al perforar formaciones de Anhidrita o yeso.
Igualmente el agua connata de las formaciones penetradas frecuentemente contienen
Calcio y pueden transformarse en fuentes de contaminación con Calcio.
El ion Calcio tiende a reemplazar los iones Sodio produciendo floculación y agregación
de partículas de Arcilla. El efecto de contaminación con Calcio sobre los lodos es un
89
aumento en la perdida de fluido, del punto cedente, resistencia de gel y reducción de la
viscosidad plástica.
La contaminación con Calcio producida por agua de formación o Anhidrita, se trata
usualmente con Soda Ash. Si el Ph esta por debajo de 10.0 se aplica cualquier prueba
especifica de Calcio para asegurar que el Magnesio no este presente.
Los tratamientos excesivos con Soda Ash dan Carbonatos solubles en exceso que
pueden ocasionar problemas reológicos.
Contaminación con Cemento:
Ocurre cuando durante las operaciones de perforación se cementan tuberías de
revestimiento y se perforan tapones de cemento. El cemento contiene varios
compuestos (Silicato Tricálcico, Silicato de Calcio y Aluminato Tricálcico) los cuales
reaccionan con el agua para formar Hidróxido de Calcio (Ca(OH)2), produciendo la
contaminación del fluido de perforación.
La Cal causa en el lodo reacciones químicas que afectan grandemente a las propiedades
geológicas y perdida de fluido. La presencia de iones OH aumentan el Ph drásticamente
y las características de la Arcilla. Los sistemas de agua dulce-Bentonita son floculados
por el cemento; para mantener un fluido de perforación bajo en Calcio se debe usar
tratamiento químico para remover la contaminación con cemento. Se debe controlar el
Ph mientras se remueve el Calcio y el exceso de Cal del sistema.
Un saco de cemento de 94 Lbs. puede
producir 74 Lbs de Cal, las cuales podrán
reaccionar con el fluido de perforación. Si se conoce el volumen de cemento a perforar,
se podrá hacer mejores predicciones de tratamiento.
90
Para remover químicamente 100 mg/l de Calcio originado de la Cal, se requerirán
aproximadamente 0.0735 Lbs/bbl de Bicarbonato de Sodio o 0.097 de SAPP.
La
reacción entre la Cal y el Bicarbonato de Sodio es así:
CaOH + NaHCO
CaCO3 + H2O + Na
3
+
Debe tenerse mucho cuidado al pretratar el lodo, ya que un sobretratamiento con
Bicarbonato de Soda o SAPP puede afectar las propiedades del fluido de perforación
peor que una contaminación con cemento. No es apropiado pretratar con mas que 0.5 a
0.75 Lbs/bbl de Bicarbonato de Soda. Los Lignosulfonatos y Lignitos son más
apropiados como agentes de pretratamiento debido a que ellos amortiguan el Ph y
ayudan a deflocular el sistema.
El removimiento del ion Calcio con Bicarbonato previene contaminación pero no corrige
el daño hecho al sistema dispersado; es necesario usualmente tratar con defloculantes
para obtener las propiedades reológicas deseadas. Para volver las propiedades de
filtración y de revoque alteradas por la contaminación, se usa Bentonita prehidratada,
CMC o Drispac.
Contaminación con Anhidrita y Yeso:
Durante el proceso de perforación se pueden encontrar minerales y compuestos
formando parte de la corteza terrestre. Entre ellos están la Anhidrita y el yeso que
son compuestos de Sulfato de Calcio. El yeso es Sulfato de Calcio en agua de
cristalización (CaSO 2H2O), mientras que la Anhidrita es la forma anhidra (sin agua)
del Sulfato de Calcio.
La contaminación con Anhidrita es similar a la contaminación con cemento, ya que
ambos contribuyen con el ion Calcio que origina la floculación. No causa aumento del Ph
ya que suple un radical SO4
=
en lugar de un radical OH -; el radical sulfato contribuye
91
a la floculación de los sólidos de arcilla. Concentraciones altas de Anhidrita hacen que
aumenten los iones Calcio por encima de 200 ppm, afectara la viscosidad aumentándola
y la perdida de fluido se puede volver incontrolable.
Al surgir problemas de contaminación con Anhidrita, estos se pueden controlar
manteniendo un fluido con bajo contenido de Calcio precipitando este químicamente de
la solución, puede ser convertido en un sistema de lodo de Yeso. Si la contaminación es
pequeña. El Calcio se puede remover con Soda Ash. Se requieren aproximadamente
0,093 Lbs/bbl de Soda Ash para precipitar 100 ppm del ion Calcio (Ca ++ ).
CaSO4 + Na2 CO3
CaCO3 + Na2SO4
Se forma Sulfato de Sodio soluble que puede ocasionar problemas de floculación con
tratamientos prolongados, es por esta razón que es recomendable un fluido base de
Calcio cuando se va a perforar Anhidrita masiva con un sistema de agua dulce.
Contaminación con Carbonatos:
En los fluidos de perforación, los Carbonatos solubles se pueden introducir de una
variedad de fuentes de CO2; si se genera internamente o entra al lodo de una fuente
externa, este reacciona inmediatamente con los iones Oxihdrilos alcalinos para formar
los iones HCO3 – y CO3 =. Se establece un equilibrio químico que es controlado por las
concentraciones de iones H + y OH – o por el Ph del lodo:
CO 2 + OH HCO3 + OH -
HCO3 –
CO3 = + H2O
El ion HCO3 predomina en el rango comprendido entre 6.3 a 10.3 de Ph’s y para Ph
sobre 10.3 el ion CO3
=
predomina. Este Ph es deseable para la remoción química de los
Carbonatos solubles a CaCO3 insoluble:
CA
++
+ CO3
CaCO3
92
Si se selecciona Cal como tratamiento químico para la remoción del CO 3 =, el Ph del lodo
no necesita exceder 10.3, debido a que los iones OH
–
formados de Cal, quedan
disponibles para levantar el Ph y convertir HCO3 en CO3++ para la remoción subsecuente
como:
Ca (OH ) 2 + CO3 =
CaCO3 + 2OH -
Contaminación por degradación de componentes químicos del lodo:
Se puede definir degradación como un cambio irreversible de un componente del fluido
que reduce la capacidad del aditivo para controlar una determinada propiedad.
Por lo tanto es necesario un mantenimiento constante de los componentes del
lodo para saber así sus capacidades y prevenir problemas con el sistema de
lodos. Al avanzar durante la perforación de un pozo, mayor será la posibilidad
de degradación de los componentes del lodo y mayores serán los gastos y el
tiempo de mantenimiento del mismo en condiciones.
Existen varios tipos de degradación, entre ellos están:
Degradación bacteriana:
Este tipo de degradaciones causado por una bacteria durante su etapa de desarrollo y
por supuesto requiere de condiciones apropiadas (minerales, potencial de Hidrogeno
adecuado y Temperatura), así como de agua como fuente de vida. Al suspender alguna
de estas condiciones, se evitara el desarrollo de las mismas.
El control del Ph del lodo es uno de los factores más importantes para prevenir la
degradación bacteriana, ya que las bacterias se desarrollan a bajas temperaturas y en
un Ph entre 5.0 y 9.0.
Se detecta por un olor a material orgánico en descomposición. El uso de bactericidas
(materiales inorgánicos como la sal, el Cromo), evitan su crecimiento.
93
Degradación Térmica:
Ocurre por distintos mecanismos como la hidrólisis (reacción de una sal para formar un
ácido y una base), reacción entre dos o más componentes del lodo. La degradación
térmica será más rápida a mayor temperatura; casi todos los aditivos químicos tienden
a sufrir degradación entre 250 °F hasta 400 °F. Se recomienda evaluar los aditivos a
la máxima temperatura de fondo registrada, utilizar mantenimiento adecuado al lodo,
mantener un Ph > 10.6, efectuar pruebas pilotos en el campo para optimizar el uso de
aditivos, para prevenir la degradación térmica.
Degradación por oxidación:
Es la degradación producida por oxidantes como el Oxigeno, solamente ocurre a
elevadas temperaturas y siempre se complementa con la degradación térmica. La
presencia de agentes químicos, la concentración de aditivos químicos sensibles a la
degradación por temperatura, son factores que contribuyen a la degradación por
oxidación. La concentración de Oxigeno puede evitarse mediante la aplicación de
ciertas técnicas como
lo son: Mantenimiento del lodo con geles bajos y uso de
antiespumantes, utilización de equipos de control de sólidos para evitar el menor
contacto del lodo con la atmósfera y eliminar las filtraciones de aire en las líneas de
succión de la bomba.
Contaminación con sólidos:
Quizás el peor contaminante de un fluido son los sólidos producidos durante la
perforación de un pozo. Estos sólidos afectan las propiedades geológicas y la velocidad
de penetración, además contribuyen al desgaste de las tuberías y equipos de
perforación, y además causan daños a las formaciones productivas afectando el costo
94
del pozo. La concentración de sólidos perforados se pude reducir por dilación,
floculación selectiva o por medio de equipos de remoción mecánica.
La contaminación con sólidos no tiene efecto sobre las propiedades químicas del lodo,
pero sin embargo, proporciona signos iniciales como cambio en la densidad del lodo,
viscosidad plástica, resistencia del gel, punto cedente, aumento del MBT.
La remoción mecánica constituye una solución importante al problema de los sólidos en
el lodo durante la perforación. Debe incluirse zarandas o vibradoras, desarenadores,
deslimadores y centrifugas.
El control de sólidos por medio de la dilación, resulta generalmente costoso, ya que por
cada barril de agua adicionado se tiene que agregar cierta concentración de aditivos en
libras por barril para mantener la concentración del volumen total del lodo y las
propiedades del mismo en el rango deseado.
95
Cálculos Básicos en Fluidos de Perforación:
Antes y durante la perforación de un pozo se debe preparar y mantener grandes
cantidades de lodo, los cuales ocuparan un volumen especifico tanto en el hoyo como en
los equipos de superficie.
Comenzando con los equipos de superficie, a continuación se presentan los cálculos de
los volúmenes ocupados por el lodo en el hoyo perforado:
Volumen en los tanques:
En un taladro de perforación pueden existir varios tipos de tanques, dependiendo de su
forma y medida. Así se pueden tener:
Tanque Rectangular:
A
B
D
A =Largo
B= Profundidad
D= Ancho
Volumen (Bls)=
Largo (pies) x Ancho (pies) x Profundidad (pies)
96
Tanque Rectangular con Angulo:
Se toma la distancia de la parte de arriba (A) y se le suma la distancia de la parte de
abajo (B) y se divide entre 2
Largo = A+B / 2
Volumen (Bls)=
Largo (pies) x Ancho (pies) x Profundidad (pies)
Tanque Cilíndrico:
2
Volumen (Bls)=
2
Diametro (pies) x 3.1416 x Profundidad (pies)
97
Volumen en el Hoyo:
A medida que se avanza en profundidad durante la perforación de un pozo, la mecha va
haciendo o fabricando el hoyo y por supuesto será este el lugar donde se encuentra el
fluido de perforación. Imaginemos el pozo como un cilindro cuyo diámetro debe ser en
teoría, el mismo diámetro de la mecha.; sin embargo, debido a la diversidad de
formaciones existentes y a sus características de consolidación, hacen que el diámetro
del hoyo generalmente sea mayor que el de la mecha.
A nivel de campo, existen varios métodos para saber en realidad cual es el verdadero
diámetro o Caliper del pozo, cuestión que es de gran ayuda al momento de calcular los
volúmenes reales del pozo tanto para el proceso de perforación como la cementación
del mismo. Sin embargo, y como una guía para el cálculo del volumen del hoyo abierto,
se considera el diámetro del hoyo igual al diámetro nominal de la mecha.
Vol. hoyo (Bls) = Diametro2 (pulg) x Longitud (pies) x 0.000972
D
Hoyo perforado
L
Tuberia de Perforacion
98
Al correr el revestidor, también se necesita conocer el volumen de lodo en el mismo, lo
cual facilitará saber la cantidad o volumen de cemento que se requiere colocar en el
espacio anular:
Vol. Revest (Bls) = Diametro2 (pulgadas) x Longitud (pies) x 0.000972
Igualmente, durante la perforación es necesario conocer la capacidad y desplazamiento
de la tubería de perforación que se este utilizando; Esto permitirá saber durante un
viaje de tubería si el pozo esta tomando la cantidad de barriles teóricos durante el
llenado del pozo (sacando tubería) y si en el momento de meter tubería, la cantidad de
lodo desplazada debe concordar con el volumen teórico de desplazamiento de la
tubería.
Estos volúmenes de capacidad y desplazamiento de la tubería de perforación están
tabulados para diferentes diámetros; el conocimiento de estos volúmenes permite al
operador tener una herramienta para detectar en cualquier momento problemas
operacionales como pérdidas de circulación y arremetidas, los cuales si no se detectan
a tiempo pueden causar daños mayores.
99
Capacidad y Desplazamiento de la Tubería de Perforación:
El volumen total del hoyo incluye el volumen del hoyo abierto mas el volumen dentro del
revestidor.
Capacidad de la tuberia
de perforacion
D int.
Espacio Anular
D ext.
Tuberia de Perforacion
Hoyo perforado
Volumen Hoyo = Vol.hoyo abierto + Vol. revest.-Desplaz.tub. perf
Volumen desplaz. = (Diam. Ext. )2 - (Diam. Int.)2 x Longitud (pies) x 0.000972
El desplazamiento y la capacidad de la tubería de perforación varían de acuerdo al
diámetro nominal de la misma y existen tablas especificas para cada tipo de tubería de
perforación.
Densidad Equivalente de Circulación (ECD)
Presión hidráulica efectiva ejercida por el lodo. Es el efecto combinado de la
densidad del lodo y de la fuerza requerida para circular el fluido a través del
sistema.
En flujo turbulento se logra disminuir la caída de presión bajando la velocidad de
circulación y en flujo laminar, bajando el punto cedente.
100
Valores altos de ECD pueden causar fracturamiento de la formación y pérdida de
fluidos.
ECD = Dens del lodo + caída de presión (lbc/pul2)
Profundidad * 0.052
Caída de presión en la mecha:
Pm = W * V2 (lbs/pulg2)
1120
W = densidad del lodo en lbs/gal
V = velocidad a través de los jets (píe/seg)
V = 0.32 * GPM (píe/seg)
Área
GPM = galones por minuto
Área = área de los jets en pulg2
Potencia Hidráulica en la mecha:
Habilidad que tiene el fluido de perforación de remover los recortes del fondo del
hoyo sin reperforarlos y sin disminuir la tasa de perforación. Es función de la caída
de presión en los jets y del caudal de la bomba.
HHPB = PB * GPM
1724
PB = Caída de presión en los jets (lbs/pulg2)
GPM = Caudal de la bomba.
101
La potencia hidráulica es máxima cuando la caída de presión a través de la mecha es
por lo menos, el 66% de la presión de bomba.
A mayor caudal, mayor será la fuerza de impacto
Volumen Anular:
Es el volumen que se encuentra entre la tubería de perforación y las paredes del hoyo o
del revestidor
Vol. Anular = (Vol. del hoyo con tubería) - (Cap. tubería) - (Desplaz. Tubería)
Vol. Anular = (Dhoyo2 - Dtub.2) x Longitud x 0.000972
Caudal de la Bomba:
El lodo inicia su recorrido a través de todo el sistema de circulación partiendo de la
succión de la bomba (s) de lodo y completa el ciclo al retornar a superficie y volver al
tanque de succión. Cuando se realiza un tratamiento del lodo, es necesario conocer el
tiempo requerido para que el lodo realice el ciclo completo.
Generalmente, el volumen de lodo bombeado es medido en Galones por minuto o Barriles
por minuto; el caudal de la bomba dependerá de su funcionamiento, la velocidad a la
cual trabaja y el tamaño del liner instalado.
Caudal = (Bls x Embolada) x (Embolada x min)
(Bls/min)
2
Bls x Embolada = Diam. (pulg.) x Long (pulg.) x 0.003238
Caudal = (Diam.2 (pulg.) x Long (pulg.)) x (Embolada x min)
Las bombas
(Bls/min)
Duplex generalmente trabajan con un 90% de eficiencia o menos
dependiendo de sus condiciones de trabajo. Las Triplex , por su mecanismo de trabajo,
su eficiencia es considerada en un 100% pudiendo variar hasta un 95%.
Tiempo de Circulación:
102
Es el tiempo requerido para que el lodo cumpla el ciclo de circulación, hay que
considerar el volumen de lodo y el caudal de la bomba. Los cálculos puede que no sean
exactos debido a que es difícil determinar algunas veces la cantidad exacta de lodo en
el hoyo abierto.
Tiempo Fondo Arriba:
Es el tiempo requerido para que el lodo suba desde la mecha a través del espacio anular
y llega a superficie. Se puede calcular así:
T fondo arriba (min) = Volumen anular (Bls) / Caudal de la bomba (Bls/min)
Volumen Anular = Vol. hoyo (Bls) - Desplaz. Tubería (Bls)
Tiempo Circulación Completa:
Es el tiempo necesario para que todo el volumen de lodo (vol. hoyo + vol.tanques), realice
una circulación completa:
Tiempo Circulación Completa = Volumen total de lodo (Bls) / Caudal bomba (Bls/min)
Velocidad Anular:
La velocidad anular ayuda a transportar los recortes o ripios de perforación a la
superficie. Se determina con el caudal de la bomba y el volumen anular. Varía
dependiendo de las operaciones de perforación. Velocidades anulares altas pueden
ocasionar problemas de erosión
y rangos bajos de velocidad pueden ocasionar
problemas de empaque de la tubería.
Velocidad Anular (pies/min) = Caudal bomba (Bls/min) [ 1029/ (D.hoyo2) -(D. tub2) ]
Velocidad Critica:
103
Es la velocidad anular a la cual el modelo de flujo cambia de Laminar a Turbulento.
Dentro de la tubería de perforación, se puede calcular así:
Vc = 1.078 VP + 1.078
(VP) 2 + 12.34 ( D) 2 x PC xW / W (D)
Dentro del espacio anular:
Vc = 1.078 VP + 1.078
(VP) 2 + 9.256 ( Dh - Dp ) 2 x PC xW / W (Dh-Dp)
104
Bibliografia:
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* IMCO “Tecnología Aplicada a Lodos”, IMCO Services. Halliburton, Houston Texas,
1981
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* “Problemas Asociados a los Fluidos de Perforación” CIED, Febrero, 1997
* “Applied Drilling Engineering”, SPE Textbook Series Vol. 2. A. Bourgoyne Jr.,K.
Millhelm, M. Chevernert, F.S. Young Jr., 1991
* “Perforación de pozos”, Tomos IV y IV. Programa de Especialización e Operaciones
de Perforación y Producción de Pozos Petroleros. Convenio MEM-LUZ-PDVSA .R.
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105