comparación del rendimiento de emulsificantes en la elaboración

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
REGIÓN POZA RICA-TUXPAN
“COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO DE EMULSIFICANTES EN
LA ELABORACIÓN DE UN FLUIDO DE BAJA DENSIDAD (FBD)”
TESIS
PARA APROBAR EL EXÁMEN DEMOSTRATIVO DE LA
EXPERIENCIA RECEPCIONAL EN EL PROGRAMA DE INGENIERÍA
QUÍMICA
PRESENTA:
CITLALLI BLANCO SALGADO
MISAEL MALDONADO HERNÁNDEZ
ASESOR:
LUIS ELÍAS CÁRDENAS
POZA RICA, VER.
27 DESEPTIEMBRE 2011
ÍNDICE
CAPÍTULO I
Introducción
Objetivo
2
Planteamiento del problema
2
Justificación
3
Hipótesis
3
CAPÍTULO II
Marco Teórico
2.1 Fluidos de control
4
2.1.1 Fluidos base agua
5
2.1.2 Fluidos base aceite
9
2.2 Emulsiones Directas
11
2.2.1 Tipos de emulsión
13
2.2.2 Composición de una emulsión directa
14
2.2.3 Propiedades de una emulsión directa
15
2.3 Emulsificantes
20
2.3.1 Clasificación y designación de emulsificantes
21
2.3.Propiedades de los emulsificantes
25
2.3.3 Comportamiento químico en los fluidos de emulsión directa
29
2.3.4Importancia y aplicaciones de los emulsificantes
31
2.4 Fluidos de baja Densidad
33
2.4.1 Propiedades importantes en la elaboración de un fluido de baja densidad
y equipos utilizados
34
CAPÍTULO III
Metodología
3.1Métodos de prueba
42
CAPÍTULO IV
Resultados
51
Conclusiones generales
62
Bibliografía
63
Glosario
64
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
En la perforación de pozos se encuentran zonas depresionadas o fracturadas que
requieren de fluidos de baja densidad para perforarlas; tradicionalmente se han
utilizado fluidos aireados y/o espumas, los cuales son poco versátiles en su
aplicación.
Actualmente, los fluidos de control
(aceite en agua)
utilizados son emulsiones estables directas
e inversas (agua en aceite)
estabilizados con emulsificantes
específicos.
Estos deben superar las desventajas a las que están sometidos, como son la baja
estabilidad a la temperatura, resistencia al flujo del fluido, gelatinosidad y bajo poder
de inhibición en arcillas hidratables que se encuentran intercaladas entre las rocas.
En el presente trabajo solo se estudiarán las emulsiones directas (soluciones de
aceite en agua). Para poder formar esta solución se tiene que lograr la dispersión de
las partículas de aceite en agua. Esto implica llevar las partículas de aceite al menor
tamaño posible y poder distribuirlas en el agua de tal manera que no se puedan
separar entre ellas.
Para lograr la estabilidad se necesita de un emulsificante que es el encargado de
equilibrar las partículas de aceite en agua. El emulsificante tiene que tener una
característica anfífila
es decir que no solo debe tener afinidad con el aceite
(hidrófobo) si no que también con el agua (hidrófila).
La parte hidrófila la es la que permite que la partícula se pueda mantener
suspendida en el agua de manera estable, mientras que la parte hidrófila es la que
rodea a la partícula de aceite. Esto indica que el emulsificante es el factor clave para
lograr la dispersión de las partículas de aceite en agua y formar nuestra emulsión
directa que cumpla con las características necesarias para su utilización.
1
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Hoy en día el tema de solubilizar aceite en agua o viceversa tiene una importancia
relevante puesto que estas soluciones se han vuelto necesarias para la exploración
y producción de petróleo.
Objetivo
El objetivo de la presente tesis es la comparación del rendimiento de
3
emulsificantes en la elaboración de un fluido de baja densidad, teniendo en cuenta
propiedades específicas como: las reologías, tixotropías y
la temperatura como
propiedad fundamental, para lo cual se seguirá la metodología descrita mas
adelante, así como la normatividad.
En el capítulo II se presenta el marco teórico que sustentara el presente trabajo.
En el capítulo III se expondrá la metodología que se siguió para determinar que
emulsificante tiene el mayor rendimiento en la elaboración del
fluido de baja
densidad (FBD).
Posteriormente en el capítulo IV se muestran los resultados obtenidos de dichas
pruebas, para finalmente obtener las conclusiones adecuadas acerca de que
emulsificante es el más eficaz sin olvidar la bibliografía consultada.
Planteamiento del problema
La problemática surgió a partir de que en la planta de fluidos de la unidad operativa
de perforación Poza Rica-Altamira hubo quejas de los fluidos de baja densidad que
se enviaban a los pozos, no tenían un buen rendimiento ya que se rompían con
facilidad a determinada temperatura y esto llevó a efectuar diversas pruebas para
hallar el porqué de esta separación de fases. El motivo vital para realizar las pruebas
fue la sustancia principal llamada emulsificante, la cual hace que dos sustancias
2
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
líquidas se dispersen (agua-aceite). Este problema fue el factor por el cual se dio a
la tarea de constatar si en verdad el emulsificante era la causa de dicha separación.
Para lo cual se monitorearon los lotes de emulsificante para ver sus condiciones
para posteriormente preparar fluido de baja densidad con estos emulsificantes y
analizar sus propiedades y parámetros requeridos.
Justificación
Este tema se eligió tomando en cuenta la importancia que tienen los fluidos de
control, específicamente los fluidos de emulsion directa, para la industria
petroquímica, principalmente en la planta de fluidos Poza rica- Altamira. Además de
que este trabajo ayudo a investigar las causas por la cuales los fluidos de baja
densidad no tenían un buen funcionamiento en pozo.
Hipótesis
Demostrar cual, de los tres emulsificantes que se utilizaron, le dio mayor estabilidad
al fluido de baja densidad elaborado, antes y después de someterlo a 120 °C.
3
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Fluidos de control
Un fluido de control es generalmente una suspensión de sólidos, líquidos o gases en
un líquido
El siguiente cuadro agrupa los diferentes tipos de fluidos de control que se usan
comúnmente.
1. Espumas
1. Fluidos
base agua
2. Salmueras
a) Sódicas
b) Cálcicas
c) Con polímeros y densificantes
3. Fluido bentonítico
4. Fluido cromolignosulfonato
emulsionado (CLSE)
5. Agua dulce
Fluidos de
control
1. Fluido base aceite
(Emulsión inversa)
1. Fluidos
base aceite
2. Fluido de baja densidad
(Emulsión directa)
4
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1.1 Fluidos base agua
Se dice generalmente base agua porque el agua dulce se usa como fluido y no lleva
mezclado ningún otro elemento.
El uso de fluidos de control base agua, por su bajo costo en la preparación, manejo y
mantenimiento son los comúnmente usados; debiéndose extremar cuidados en
aquellos que utilizan base agua dulce, ya que la pérdida de esta, bloqueará el
yacimiento.
Principales fluidos base agua
Espumas
Las espumas son mezclas de agua, un agente espumante y un gas sometido a
presión. Tienen densidades desde 0.10g/cm3 hasta 0.96 g /cm3. A Continuación se
muestran sus ventajas y desventajas en la tabla 2.1
Tabla 2.1 Ventajas y desventajas de las espumas
Ventajas
Desventajas
-Permite grandes velocidades
-Solo se emplean como fluidos de limpieza.
anulares: de 400 a 500 pies/min.
-Son afectadas por la profundidad y
-No dañan las formaciones
temperatura (hasta 3050 metros).
productoras.
-No son recuperables.
Fuente: Manual de fluidos de control nivel 2, IMP-PEMEX
Aplicaciones:
a) Desarenamiento de pozos
b) Limpieza de pozos (utilizando tubería flexible).
c) Desplazamiento de fluidos.
5
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Salmueras
Son soluciones de sales con agua. Son los fluidos que menos causan daño a las
formaciones productoras. Su uso en las operaciones de terminación y reparación de
pozos son para limpieza de los mismos.
Pueden separarse como:
a) Salmueras sódicas y cálcicas sin sólidos en suspensión.
b) Salmueras sódicas y cálcicas combinadas con sólidos en suspensión que son
solubles con HCl.
Aplicaciones:
a) Permiten fácilmente la introducción de aparejos de bombeo neumático porque
estos fluidos no tienen sólidos en suspensión.
Salmuera sódica
Es una solución formada por agua dulce y sal en grano (NaCl) su densidad máxima
es de 1.19 g/cm3. En la siguiente tabla se muestran las ventajas y desventajas al
utilizar estos fluidos.
Tabla 2.2 Ventajas y desventajas de la salmuera sódica
Ventajas
Desventajas
-Limitaciones en el rango de densidad.
-Nulo poder de arrastre por no contener
-No dañan a la formación ya que son sólidos en suspensión.
fluidos libres de sólidos.
-Son corrosivos.
-Su costo es muy económico.
-Son irritantes.
-Al rebasar el límite de saturación se
precipita la sal.
Fuente: Manual de fluidos de control nivel 2, IMP-PEMEX
6
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Aplicaciones:
- Permiten fácilmente la introducción de aparejos de bombeo neumático porque
estos fluidos no tienen sólidos en suspensión.
Salmuera cálcica
Es una solución de cloruro de calcio en agua. Su densidad máxima es de 1.39
g/cm3. Ver la tabla 2.3 sus ventajas y desventajas al utilizarlas.
Tabla 2.3 Ventajas y desventajas de la salmuera cálcica
Ventajas
Desventajas
- No daña las formaciones
- Son corrosivas
- Son irritantes
- Al rebasar el límite de saturación se precipita la sal
Fuente: Manual de fluidos de control nivel 2, IMP-PEMEX
Aplicaciones:
- Control y limpieza de pozos especialmente si se mezcla con una arcilla cálcica.
Salmuera con polímero y densificante
Son soluciones con sales a las que se agregan polímeros para dar viscosidad y
gelatinosidad al fluido, así como densificantes para incrementar el valor de su
densidad. A continuación se muestran en la tabla 2.4 las ventajas y desventajas al
utilizarlas
7
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Tabla 2.4 Ventajas y desventajas de la salmuera con polímero y densificante
Ventajas
-
Al densificarlo puede
Desventajas
-
aumentar su densidad hasta
3
1.45 g/cm .
-
-
suben considerablemente.
-
No contienen sólidos en
suspensión evitando dañar la
Los costos al agregar polímeros
Son irritantes sobre todo en la
salmuera cálcica.
-
Cuando la temperatura pasa de 100
formación.
°C se degradan causando problemas
Son fácilmente solubles en
de asentamiento.
ácidos.
-
Causan problemas de generación de
espuma.
Fuente: Manual de fluidos de control nivel 2, IMP-PEMEX
Fluido cromolignosulfonato emulsionado (CLSE)
Es un fluido bentonítico densificado al que se la agregan lignosulfonatos,
cromolignitos, y diesel como emulsificante.
Es un fluido base agua tratado y como estos consta de 3 fases:
Fase liquida- agua
Fase coloidal – arcilla
Fase inerte – sólidos en suspensión
Los sólidos en suspensión deseables son la barita y el carbonato de calcio. Los
indeseables son los recortes de cemento, fierro y arena. En la tabla 2.5 se muestran
las ventajas y desventajas al utilizar un fluido cromolignosulfonato.
8
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Tabla 2.5 Ventajas y desventajas de un fluido cromolignosulfonato emulsionado
Ventajas
-
-
-
Desventajas
Se densifica con barita hasta 2.24 gr/ cm3
-
Costo elevado.
y con carbonato de calcio hasta 1.30 g/
-
Requiere mayor
cm3 siendo este producto fácilmente
control en su
disuelto con tratamiento de ácido.
tratamiento.
Se emulsionan con diesel al 20 % en
-
El filtrado es agua,
volumen sin necesidad de agregar
dañando ésta a la
emulsificante.
formación.
Son estables a altas temperaturas y
presiones.
Fuente: Manual de fluidos de control nivel 2, IMP-PEMEX
2.1.2 Fluidos base aceite
Son fluidos en los que la fase continua, es el aceite y la fase discontinua o dispersa
es el agua. La ventaja principal de estos fluidos es que la pérdida de filtrado (el
aceite) no daña a la formación pero su degradación con agua dulce obligará a
extremar cuidados en su mantenimiento.
Fluido de emulsión inversa
Es una emulsión inversa de aceite y agua. Para interrelacionar sus fases se requiere
agitación vigorosa y un agente emulsificante (jabón o detergente).
A continuación se muestra la tabla 2.6 con las ventajas y desventajas al utilizarlos.
9
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Tabla 2.6 Ventajas y desventajas de un fluido de emulsión inversa
Ventajas
Desventajas
-Evita dañar la formación por filtración de
-Su costo es mayor que el fluido
agua.
bentonítico.
-Se puede preparar el fluido con densidad
-Requieren de una atención especial (no
menor que el agua dulce.
debe mezclarse con otros tipos de
-La viscosidad es fácil de controlar con
fluidos).
diesel y agua.
-Irritante.
-No se contamina fácilmente con gas.
-
Fuente: Manual de fluidos de control nivel 2, IMP-PEMEX
Aplicaciones:
Control y limpieza de pozos.
Fluidos de baja densidad (FBD)
Tabla 2.7 Ventajas y desventajas de los fluidos de baja densidad
Ventajas
Desventajas
-Permite densidades de 0.81 a 0.92 g/cm3. -No es densificable por que la
-Permite altas viscosidades de 70 a 1000
temperatura le afecta demasiado.
seg.
-Al agregar agua en exceso pierde sus
-A pesar de su alta viscosidad permite
propiedades.
establecer excelente bombeo.
-No se contamina con cemento.
Fuente: Manual de fluidos de control nivel 2, IMP-PEMEX
10
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Su característica principal se debe a la mezcla de líquidos de diesel-agua
emulsionados en forma directa y está particularidad nos la proporciona el tipo de
emulsificante que se emplea. En la tabla 2.7 se observan las ventajas y desventajas
al utilizarlos.
Aplicaciones:
Se utiliza exclusivamente en pozos depresionados como fluido de control y limpieza.
2.2 Emulsiones Directas
Se llama dispersión a un sistema polifásico en el cual una fase se encuentra en
forma fragmentada (dispersa) dentro de otra (fase continua). Existen varios tipos de
sistemas dispersados (ver tabla 2.8) y cada uno tiene una característica particular.
Tabla 2.8 Diferentes tipos de dispersión
Dispersión
Fase
Fase
Suspensión
Sólido
Liquido
Emulsion
Liquido
Liquido
Espuma
Gas
Liquido
Fuente: http://www.wikipedia.com/dispersiones
En una dispersión es importante enfatizar la importancia del tamaño de los
fragmentos de la fase dispersada. El comportamiento de la dispersión y su efecto
depende en buena parte de los fragmentos.
De estos tipos de dispersión, se abordará en esta tesis la dispersión liquido-liquido,
específicamente en las emulsiones directas.
11
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Una emulsión es un sistema termodinámicamente inestable constituido por dos
fases inmiscibles, de las cuales una se encuentra dispersa en otra en forma de gotas
y cuyo diámetro generalmente es mayor a 1μm.
En las emulsiones directas la fase externa o continua es el agua, por lo que la fase
dispersa o interna es el aceite. Estas son dispersiones están formadas por dos
sustancias aceite/agua, y empíricamente es conocido que aceite y agua no se
mezclan.
En efecto, una vez que se juntan en un mismo recipiente, por más que se
incremente la agitación, temperatura u otra variable, después de un tiempo
determinado estas dos sustancias tienden a separarse y formar dos fases.
Para entender el comportamiento específico que tiene el aceite y el agua hay que
tener las características propias que tiene cada uno, que hacen que estas dos
sustancias no se puedan mezclar.
Para empezar hay que hacer énfasis en el tipo de líquido que cada uno representa:
por un lado nos encontramos con el aceite que es un líquido no polar, es decir un
líquido cuyas moléculas no tienen momento bipolar permanente (esto es una carga
positiva por un lado y una carga negativa por el otro), en contraparte con el agua que
es un liquido polar concentrado con una carga positiva en cada átomo de hidrógeno
y una carga negativa sobre el átomo de oxígeno.
Por lo que se deduce que el aceite y agua nunca serán solubles una en otra debido
a las altas diferencias en la polaridad que estas sustancias presentan.
Para lograr esta estabilización lo que se necesita es una sustancia que pueda rodear
la partícula de agua de manera que esta no quede en contacto directo con el aceite
haciendo que la repulsión entre el liquido polar y no polar disminuya (reducción de la
fuerza o tensión interfacial), haciendo la partícula mas estable.
12
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.2.1 Tipos de emulsión
En la mayoría de las emulsiones los dos líquidos involucrados son el agua (W) y el
aceite (O), aunque en raras ocasiones se encuentran puros. La fase acuosa puede
consistir en soluciones de sales, azúcares, colorantes y materiales coloidales
hidrofílicos. La fase oleosa puede consistir de mezclas de aceites esenciales,
hidrocarburos, ceras, resinas y en general de materiales hidrofóbicos. Para formar
una emulsión estable es necesario incluir un tercer componente denominado agente
emulsificante.
Fig.1 Tipos de emulsiones
Al mezclarse el aceite con el agua pueden formarse dos tipos de emulsiones: si el
aceite se dispersa en el agua se tiene una emulsión de aceite en agua (O/W.
Alternativamente si el agua es la fase dispersada se tiene una emulsión de agua en
aceite (W/O), como se muestra en la Fig.1.
Las emulsiones tienden a exhibir la mayoría de las propiedades del líquido que
forma la fase continua.
13
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Entre los factores que afectan el tipo de emulsión formada cuando se mezclan aceite
y agua están:
a) Las proporciones relativas de las fases.
b) El tipo y concentración de los agentes emulsificantes
c) El método de preparación de la emulsión.
2.2.2 Composición de la emulsión directa
Como ya se dijo, las emulsiones directas contienen dos fases liquidas inmiscibles,
una de las cuales esta dispersada en la otra en forma de glóbulos. La fase dispersa,
discontinua o interna (aceite) es el líquido desintegrado en glóbulos, mientras que el
líquido circundante es la fase continua o externa (agua) y cuya estructura es
estabilizada por un emulsificante.
En ausencia de emulsificante la dispersión líquido-líquido coalesce rápidamente,
pero en presencia del mismo, ésta presenta una cierta segregación gravitacional y la
coalescencia de las gotas es retardada notablemente.
Las cantidades relativas de la fase dispersa y continua influyen sobre las
propiedades. Debajo de 20 % de fase externa la emulsión se puede considerar con
poca interacción de las gotas entre si, lo que permite modelizar ciertos
comportamientos. Por otro lado están las emulsiones de alto contenido de fase
externa, en las cuales las gotas de la fase interna ocupan más del 60 % del
volumen.
Las interacciones entre las gotas dominan los efectos, más allá del 75 % las gotas
están literalmente al contacto y la emulsión se torna muy viscosa.
La concentración del agente emulsificante es variable pero en la práctica existen
dos limites. Debajo de una concentración mínima del orden de ppm (0.1% por
ejemplo) no hay bastante emulsificante para estabilizar la emulsión.
14
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Pasando algunos porcentajes (5% por ejemplo) no se gana nada aumentando la
concentración del emulsificante.
2.2.3 Propiedades de una emulsión directa
Las propiedades de una emulsión son esenciales y por lo general
las más
importantes son: viscosidad, color, estabilidad y su facilidad de formación.
Viscosidad
La viscosidad es otra propiedad importante de las emulsiones. Puede suceder que la
viscosidad de la emulsión no sea superior a la de la fase exterior aislada como es el
caso de las emulsiones diluidas. La viscosidad aumenta con la cantidad de la fase
continua y manteniendo siempre la relación aceite/agua. Para estos sistemas que
dan, siguiendo la concentración, emulsiones aceite-agua y agua-aceite la curva de
viscosidad en función de la relación de volúmenes podrá presentar un máximo en las
cercanías del punto de inversión.
La viscosidad de las emulsiones puede ser afectada de manera sorprendente por
cambios relativamente mínimos en la naturaleza y en la concentración del
emulsificante.
La viscosidad de las emulsiones está directamente ligada a la estructura y a la
relación en volúmenes de las fases dispersa y continua.
Una viscosidad elevada disminuye la frecuencia de colisiones entre los glóbulos
dispersados y por tanto la energía de colisión por lo que resulta ser favorable a la
estabilidad de la emulsión.
15
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Esta propiedad que caracteriza la resistencia de un fluido a desplazarse; en una
emulsion depende de numerosos factores que por lo general son de carácter físicoquímico.
a).- Viscosidad de la fase externa e interna.
b).- Concentración
c).- Color
d).- Estabilidad
Viscosidad de la fase continua
Una viscosidad alta en la fase externa disminuye el coeficiente de difusión y la
frecuencia de colisión de las gotas, por lo que se incrementa la estabilidad de la
emulsión. Una alta concentración de las gotas también incrementa la viscosidad
aparente de la fase continua y estabiliza la emulsión. Este efecto puede ser
minimizado calentado la emulsión.
Viscosidad de la fase discontinua
Juega un papel importante solo si existe un movimiento de convección dentro de las
gotas. Este movimiento es por lo general despreciable, en particular la viscosidad de
la fase interna es mucho mayor que la viscosidad de la fase externa, como en
muchos casos prácticos. Para emulsiones de aceites muy viscosos en agua, se halló
que la viscosidad de la fase interna no tiene prácticamente ninguna influencia.
Sin embargo se debe tener bien claro que a menor viscosidad de la fase interna
(menor diámetro de las gotas) se puede producir un efecto de aumento aparente de
la viscosidad de la emulsion cuando disminuye la viscosidad de la fase interna, no
por la baja viscosidad de la fase interna sino por el menor tamaño de las gota de la
emulsión.
16
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Proporción de la fase interna
Es un factor importante en la viscosidad de los sistemas dispersados tanto
emulsiones como suspensiones sólidas. En efecto perfectamente razonable desde el
punto de vista intuitivo considerar que a mayor contenido de gotas, mayores
interacciones entre gotas y por lo tanto mayor viscosidad.
Tamaños de gotas
El tamaño de gotas y su distribución tiene una influencia sobre la viscosidad de las
emulsiones. Gotas muy pequeñas menores de 10 micrómetros generalmente
producen emulsiones más estables. Una amplia distribución de tamaños de
partículas resulta en general una emulsión menos estable.
Concentración
Al aumentar la concentración de emulsificante, disminuye el tamaño de gotas con el
resultante de viscosidad. Sin embargo estudios recientes han demostrado que la
viscosidad puede estar considerablemente afectada por la formulación.
En realidad, parece que la viscosidad de la emulsión es considerablemente baja
para los sistemas de tensión interfacial ultra baja; el tamaño de gota de tales
sistemas debe ser muy pequeño, pero la velocidad de coalescencia es también muy
rápida.
Se supone que con muy baja tensión superficial, las gotas pueden alargarse
paralelamente a las líneas de flujo y así reducir considerablemente sus
interacciones. Es lo que se observa en la movilización de aceite en un medio poroso
por el proceso de drenaje micelar.
Color
Generalmente se observan que las emulsiones tienen un color blanco cremoso, sin
embargo puede haber excepciones. Por un lado, están las emulsiones cuya fase
17
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
dispersa tiene partículas tan pequeñas que la emulsión se ve transparente. Esto
mismo sucede cuando los dos líquidos que conforman la emulsion tienen el mismo
índice de refracción.
Actualmente hay un caso especial en que, si los dos líquidos tiene el mismo índice
de refracción pero distinto poder óptico dispersante, se observan emulsiones de
colores.
Estabilidad
La estabilidad de una emulsión es la propiedad más importante, y el sistema no será
clasificado como emulsión sino cumple con un mínimo de estabilidad. Se mide la
estabilidad por la velocidad con la cual las gotas de la fase dispersa se agrupan para
formar una masa de líquido cada vez mayor.
Tal información no se puede obtener experimentalmente si no mediante variación en
la distribución del tamaño de gota con el tiempo. Desde el punto de vista
experimental tal medición implica que se tome una muestra o que se diluya el
sistema completo con un gran exceso de fase externa.
Por lo tanto la estabilidad de una emulsión se relaciona en general con el volumen
de las fases separadas. Después de algún tiempo el sistema se separa propiamente
en tres zonas: una zona central que contiene una nata o emulsión de alto contenido
de fase interna y dos fases separadas (la interna coalescida y la externa clarificada).
Se ha demostrado recientemente que estos criterios dan resultados satisfactorios
cuando se le da una interpretación adecuada.
Cuando las películas llegan a alcanzar un espesor de 200Å, son susceptibles de
romperse. Las emulsiones pueden ser rotas (demulsificasión) por tres mecanismos
provocando así la formación de un volumen separado.
18
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
a).-Sedimentación.
Se trata de un proceso causado por la acción de la gravedad y produce un gradiente
vertical de concentración de las gotas sin variar la distribución del tamaño de las
mismas.
La sedimentación se refiere más que nada a la caída de las gotas de aceite en el
agua debido a la diferencia de las densidades entre las dos fases (continua y
dispersa).
b).- Agregación
Es el agrupamiento de dos o más gotas. Se debe al crecimiento de las gotas a
costa de las más pequeñas desapareciéndolas totalmente.
Este proceso sucede a la velocidad que es función de la solubilidad de la fase
dispersa en la fase continua y se debe a que la presión interna de las gotas es
mayor en las gotas más pequeñas.
c).- Coalescencia
Resulta ser la temperatura el factor más importante a la hora de controlar la
coalescencia, ocurre cuando las gotas originales pierden su identidad y se funden en
gotas más grandes reduciendo el área de interfase total. Si la capa que los
emulsificantes forman alrededor de las gotas se inestabiliza, es cuando ocurre la
coalescencia, y esta es la etapa final en la vida de una gota dentro de una emulsión.
Los dos factores más importantes para la estabilidad de las emulsiones son:

La existencia de una película interfacial que se puede considerar como una
envoltura alrededor de cada glóbulo dispersado

Una débil tensión interfacial gracias a los emulsificantes que se adsorben
positivamente en la interfase.
19
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
La formación de una película interfacial ha sido explicada en términos de su
naturaleza física y química. Esta teoría satisface en gran medida las particularidades
de la emulsificasión.
La estabilidad a temperaturas elevadas, algunos agentes químicos y la resistencia a
la acción mecánica, son otras pruebas importantes para romper emulsiones. Por
ejemplo, el agregado de un ácido convierte un jabón en el correspondiente ácido
graso que no es un emulsionante.
2.3 Emulsificantes
Los emulsificantes también llamados surfactantes o agentes de superficie activa, son
especies químicas con una naturaleza polar-no polar, con tendencia a localizarse en
la interfase formando una capa monomolecular adsorbida en la interfase (entre las
fases hidrofílica e hidrofóbica). Esta ubicación impide el tráfico de moléculas que van
de la superficie al interior de líquido en busca de un estado de menor energía,
disminuyendo así el fenómeno de tensión superficial.
Es por eso que para considerar a un producto como emulsificante,
este debe
cumplir con ciertas características esenciales:

Ser soluble en las fases del sistema

Reducir la tensión superficial e interfacial

La concentración en la interfase ser mayor que la disuelta en el liquido

Formar una capa monomolecular en la interfase

Prevenir la coalescencia de las gotas dispersas.
20
CAPÍTULO II
Existen
muchos tipos
MARCO TEÓRICO
de
agentes
emulsificantes:
proteínas,
polisacáridos,
fosfolípidos, ésteres de sorbitán de ácidos grasos, sólidos finamente divididos como
el carbón y la bentonita.
La fase en la que el agente emulsificante es más soluble, como una regla general,
tiende a volverse a la fase externa.
2.3.1 Clasificación y designación de emulsificantes
Las formas de clasificar a los emulsificante son diversas por lo que es útil tener
ciertos métodos:
Los productos emulsificantes objeto de esta norma en sus dos tipos, se clasifican en
un sólo grado de calidad.
De acuerdo con su resistencia térmica el producto se designa en dos tipos:

Resistencia térmica baja (temperatura máxima de utilización 120 °C)

Resistencia térmica alta (temperatura máxima de utilización 150 °C)
Otra clasificación se basa en un amplio sistema
de las clases importantes de
agentes emulsificantes.
1.- Materiales activos en la superficie (tensoactivos)
2.- Materiales naturales
3.- Sólidos finamente divididos
La clase más importante es la de los materiales activos en la superficie (tenso
activos) ya que representan el principal tipo usado en la industria. La clasificación se
fundamenta en el poder de disociación del emulsificante en presencia de un
electrolito y de sus propiedades fisicoquímicas.
21
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Existen dos categorías principales:
a) Iónicos
Según la carga que posea la parte que presenta la actividad superficial serán:

aniónicos

catiónicos

anfóteros
Los emulsificantes iónicos tienen fuerte afinidad por el agua, motivada por su
atracción electrostática hacia los dipolos del agua, puede arrastrar consigo a las
soluciones de cadenas de hidrocarburo.
Dentro de los que se ionizan en agua, se encuentran:

Emulsificantes aniónicos
Son aquellos que en solución, al ionizarse, el grupo hidrófobo queda cargado
negativamente. Están constituidos por una cadena alquílica lineal o ramificada que
va de 10 a 14 átomos de carbono, y en su extremo polar de la molécula se
encuentra un anión. Se caracterizan por la existencia en su molécula de cationes
orgánicos e inorgánicos (Na+, K+, Ca+, NH4+ etc.) y una parte hidrofílica que contiene
los grupos aniónicos (-COO-, -SO3-, -O-PO3- etc.) unido a la fracción orgánica. Son
de importancia por su empleo en la elaboración de detergentes de uso domestico e
industrial. Ejemplo de ellos seria el: dodecil sulfato de sodio.

Emulsificantes catiónicos
Son aquellos que en solución se ionizan, quedando el grupo hidrófobo cargado
positivamente. Son compuestos de por lo menos una cadena de 8 a 25 átomos de
carbono, son derivados de ácidos grasos o de un derivado petroquímico y un
nitrógeno cargado positivamente, el anión suele ser un Cl -,Br-, OH-, -SO4-2 etc. La
mayoría están constituidos por una cadena larga de sales de amonio cuaternario o
22
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
sales de alquilaminas. La cadena larga es el grupo hidrofóbico y el grupo hidrófilo
pequeño y altamente ionizado lo constituye el nitrógeno cuaternario.
Su importancia industrial radica en su eficiencia bactericida, germicida, algicida etc.
Como representante de este grupo se encuentra el bromuro de cetil amonio; en
general son compuestos cuaternarios de amonio o una amina grasa en medio acido.

Emulsificantes anfotéricos
Presentan en su molécula grupos catiónicos y aniónicos, formados por una cadena
de grasa y un nitrógeno cuaternario, contenido en un radical aniónico, son productos
estables en sistemas ácidos y alcalinos.
Su importancia industrial se orienta hacia el área cosmética, por su buena tolerancia
cutánea y en la elaboración de limpiadores alcalinos e inhibidores de corrosión.
b) No iónico
Sin ionizarse se solubilizan mediante un efecto combinado de un cierto número de
grupos solubilizantes débiles (hidrófilos) como el éter, y OH-. Son derivados
polioxietilenados y polioxipropilenados, y obtenidos del sorbitán y alcalonamidas
grasas.
Tienen la ventaja de que son estables frente a la mayoría de los productos químicos
en las concentraciones usuales de empleo, al no ionizarse en agua no forman sales
con los iones metálicos y son igualmente efectivos en agua blanda o dura. Su
naturaleza química los hace compatibles con otros emulsificantes (catiónicos,
aniónicos etc.)
Sus características los hacen realmente valiosos como materias primas, son base
para la elaboración de diversos productos de industria: látex, textiles procesos de
metales, pinturas en emulsion, petróleo, limpiadores etc.
23
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Como representantes están los alcoholes grasos como por ejemplo el nonil fenol
etoxilado (nonanol etoxilado).
Balance hidrofílico -lipofílico (HLB)
Hoy se conoce un sistema para seleccionar emulsificantes, que es el sistema de
balance hidrofílico- lipofílico (HLB) como una medida de la afinidad relativa del
emulsificante para las fases aceite-agua.
Por lo que este valor indica la solubilidad en aceite o agua de un emulsificante, y
por lo tanto indica que emulsión se tenderá a formar. La escala original del HLB va
de 1 a 20, aunque algunos emulsificantes tienen valores mayores.
Tabla 2.9 Escalas de HLB y su uso
HLB
Uso
4-6
Emulsificante para W/O
7-9
Agente humectante
8-18
Emulsificante para O/W
Fuente: Manual de operaciones unitarias, Jaime Vernon Carter
El valor de HLB es quizás el criterio más empleado para clasificar y emplear
emulsificantes; aquellos con HLB bajos (menor a 8) muestran mayor solubilidad en
aceite y son por ello más efectivos para preparar emulsiones W/O; por el contrario,
los emulsificantes con HLB alto (mayor a 14) son más solubles en agua y por lo
tanto se recomiendan para preparar emulsiones O/W, Como lo muestra la tabla 2.9
Así como cada emulsificante tiene su propio HLB, cada sustancia que se puede usar
para crear una emulsión tiene un HLB requerido, que es el que debería tener el
emulsificante para poder emulsionar con la sustancia.
24
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Esto no quiere decir que cualquier emulsificante con ese HLB funcione para esa
sustancia, sino que también hay que considerar la estructura química tanto del
emulsificante como de las sustancias que se le van a incorporar en la emulsión. El
HLB requerido sirve para una determinada emulsión, es decir para una emulsión de
ciertas características con una concentración determinada de aceite o agua, así
como una cierta viscosidad.
En el caso de los emulsificantes iónicos hay que considerar la proporción relativa de
la parte hidrofílica que es baja, la ionización hace que la molécula en si sea más
hidrofílica, luego no se puede asignar un HLB de manera directa como en el caso de
los emulsificantes no iónicos.
2.3.2 Propiedades de los emulsificantes
Las propiedades generales y comportamiento de los emulsificantes se deben más
que nada a la conducta dual de sus moléculas (hidrófilo-lipófilo), es así como esa
dualidad entre estas dos secciones de molécula y el equilibrio entre ellas es la que
da al compuesto sus propiedades activas en la superficie.
Como ya se dijo, los emulsificantes se emplean en la elaboración de emulsiones
para facilitar la emulsificasión y dar estabilidad a la misma.
Tensión Superficial
Es la fuerza que se requiere para romper la superficie entre dos líquidos no
miscibles.
En la interfase entre dos líquidos inmiscibles existe una cantidad de energía libre
que surge del desbalance en las fuerzas cohesivas entre los dos líquidos.
Esta energía causa que la interfase se contraiga para formar un área interfacial lo
más pequeña posible.
25
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En una emulsión la fase dispersa siempre tiende a formar glóbulos esféricos ya que
de esta manera se tiene el área interfacial más pequeña por unidad de volumen de
líquido.
Estas gotas tienden a coalescerse para formar gotas más grandes, con el fin de
reducir aún más el área interfacial. En una emulsión cruda este proceso continúa
hasta que se logra la separación de las dos fases por completo.
Por el otro lado, la formación de la emulsión involucra la creación de un gran número
de nuevas interfases, lo cual es contrario a la tendencia de disminuir el área
interfacial. A mayor tensión interfacial menor estabilidad de la emulsión.
Eficacia de un emulsificante en la estabilidad de una emulsión
La eficacia de un emulsificante depende, entre otros factores del modo de agitación
de su intensidad y la forma en que el emulsificantes ha sido introducido. El papel de
la agitación es ante todo de dividir las dos fases, de tal forma que una de las fases
se convierta en pequeñas gotitas.
La energía mecánica necesaria que hay que aplicar en esta operación es tanto
menor, cuanto la tensión interfacial sea más pequeña. Los diferentes molinos
coloidales y homogenizadores son aparatos concebidos para obtener la máxima
desintegración sobre los fluidos, en el sentido de la formación de glóbulos finos y
uniformes. En algunos sistemas, si la tensión superficial es muy pequeña, la
emulsificación se producirá espontáneamente sin agitación.
Los agentes emulsificantes pueden seleccionarse según el tipo de emulsión: los
hidrófilos para emulsiones aceite en agua; ejemplo de ellos son compuestos polares
con una cadena no-polar ó más complejos como gomas, almidones y proteínas.
26
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Los lipófilos servirán para emulsiones agua en aceite, la fase en la que el
tensoactivo es preferentemente soluble, es la fase continua.
La eficacia de un agente emulsificante puede determinarse por un ensayo sobre un
mezcla patrón, aceite-agua siguiendo una técnica definida y observando las
propiedades de la emulsión formada. Normalmente se mide la estabilidad y se
determina la dimensión de partícula.
Solubilidad
Se describe normalmente en forma categórica el hecho de que lo ideal es que la
solubilidad en ambas fases sea de un orden similar, lo anterior es necesario pero no
suficiente. Para generar cambios en las propiedades de la interfase
o en las
propiedades internas de cada fase constituyente, el emulsificante debe ser soluble y
además distorsionar las fases (es decir el emulsificante debe ser soluble pero no
demasiado compatible con las fases líquidas).
La solubilidad en medios acuosos decrece con:
a).- Un incremento del largo de la cadena alifática correspondiente al grupo
hidrofóbico. Por ejemplo el grupo fenilo es equivalente a una cadena alquilita lineal
de 3 a 4 carbonos.
b).- Un incremento del número de oxipropileno oxibutileno en la molécula. Si el
emulsificante es iónico la solubilidad decrece con un incremento de la fuerza iónica,
en particular si existen contra iones polivalentes.
En el caso de emulsificantes no iónicos la solubilidad disminuye con un aumento de
temperatura. Cuando la temperatura pasa de un cierto valor denominado punto de
enturbiamiento, estos tipos de emulsificantes pueden perder bastante su actividad
27
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
superficial o interfacial, pero su capacidad de solubilización puede verse
incrementada en forma significativa.
La solubilidad en medios acuosos aumenta con el número de grupos iónicos en la
molécula de emulsificantes, con el incremento de nivel de entrecruzamiento
(instauración) presente en los grupos hidrofóbicos.
Espumación
Otra propiedad importante de los emulsificantes es la capacidad de formar espuma.
La cantidad de espuma normalmente es medida en términos de “altura de espuma”
debido a que se utilizan sistemas tubulares para determinar la eficiencia en su
formación, pasa por un máximo con incremento del largo de la cadena alquilita
correspondiente a la parte hidrofóbica de la molécula de emulsificantes. Además,
disminuye si el grupo no polar comienza a ser ramificado o insaturado. Por otra parte
se ha demostrado que la facilidad para formar espuma disminuye en forma
considerable por cualquier factor que induzca a un aumento de superficie cubierta
por el emulsificante. En los emulsificantes no iónicos la capacidad de formar espuma
decrece en forma drástica en el punto de enturbiamiento. Los emulsificantes iónicos
son menores espumantes que los no iónicos lo que podría deberse a la alta
estabilidad que tienen las cabezas polares a través de la repulsión electrostática
entre los dos lados de la película (Capa muy fina de una sustancia) de la espuma.
Adicionalmente se ha demostrado que también existe un máximo poder de
espumación en la zona crítica del tensoactivo.
2.3.3 Comportamiento químico en los fluidos de emulsión directa
Los emulsificantes se caracterizan por tener una estructura molecular que contiene
un grupo que posee poca atracción (antipatía) por el solvente, conocido como grupo
28
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
liofóbico, junto a otro grupo que tiene fuerte atracción por el solvente llamado grupo
liofílico. Si el solvente es el agua a estos grupos se le conoce como porciones
hidrófobas e hidrofílicas, normalmente el grupo hidrofóbica
es una cadena de
carbonos lineal o ramificada mientras que la porción hidrofílica es un grupo con
cierto carácter polar.
Cuando el emulsificante está presente en bajas concentraciones en un sistema, se
adsorben en la superficie o la interfase, modificando substancialmente la energía
interfacial de tales sistemas. Así pues, cuando un emulsificante se disuelve en agua,
se produce una adsorción de las moléculas de dicho emulsificante en la superficie
del agua, disminuyendo así su tensión superficial, lo cual es una medida de la
disminución de la energía libre superficial del sistema.
Si se trata de un sistema aceite/agua/emulsificante, el emulsificante se adsorbe en la
interfase aceite-agua, disminuyendo la energía libre interfacial.
Fig. 2 Estructura del agente Tensoactivo (acido esteárico)
Los emulsificantes como ya se había mencionado son agentes tensoactivos que
reducen la tensión interfacial entre las gotas de aceite o agua como se muestra en la
29
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Fig. 2. Éstos estabilizan la mezcla al ser parcialmente solubles en aceite y agua. Por
lo general los emulsificantes son alcoholes de cadena larga, ácidos grasos o
polímeros y como ya se vio pueden ser aniónicos, catiónicos o no iónicos.
Gota de aceite
Agua
Fig. 3 Disposición del emulsificante alrededor de una gota de aceite.
Un extremo de la molécula de emulsificante tiene una afinidad con el agua mientras
que el resto de la molécula tiene una afinidad con el aceite. Las partículas de
emulsificante forman un revestimiento alrededor de las gotas de agua para impedir
que estas se fusionen, como se ilustra en la figura 3.
El grupo hidrófilo ejerce un efecto solubilizante y tiende a llevar a la molécula a
disolución completa, en cambio el grupo lipófilo debido a su insolubilidad tiende a
contrarrestar la tendencia del otro. Si se logra el equilibrio adecuado entre los dos
grupos se observa que el emulsificante no se disuelve por completo, ni queda sin
disolverse todo ya que una parte se concentra en la interfase con sus moléculas
orientadas de tal forma que los grupos hidrófilos se orienten hacia la fase acuosa y
los lipófilos hacia la fase oleosa.
30
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.3.4 Importancia y aplicaciones de los emulsificantes
Los emulsificantes tienen una importante aplicación en diferentes áreas de
producción y operación. En este trabajo solo se mencionarán las aplicaciones más
comunes incluyendo la aplicación a la que está orientada este tema, que son los
fluidos de perforación.

Productos alimenticios

Productos agrícolas

Sustancias químicas sanitarias

Farmacéutica y cosméticos

Emulsiones industriales

Fluidos de control
Productos alimenticios: La mayoría de los productos comestibles se encuentran en
estado de emulsión. Las más conocidas por su consumo diario son: la leche,
manteca, mayonesa, aderezos de ensaladas, salsas y helados entre otros.
Productos agrícolas: Ejemplo de esto son los insecticidas, herbicidas y fungicidas.
La
preparación
de
emulsiones
insecticidas
comprende
los
concentrados
emulsionables del disolvente con la sustancia tóxica.
El tóxico-químico como el DDT ó algún fosfato orgánico se disuelve en un disolvente
barato y se agrega un emulsificante soluble en cantidad suficiente para que se
pueda dispersar fácilmente.
Sustancias químicas sanitarias: Los desodorantes se suministran con frecuencia en
forma de emulsión.
Los detergentes
para las manos deben ser formulados con disolventes
emulsionados.
31
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En algunos pulimentos de metales y para automóviles se combinan la cera, el
abrasivo y el disolvente en forma de emulsión. Aunque a veces es difícil que tengan
buena estabilidad.
Farmacéutica y cosméticos: Muchos preparados farmacéuticos y cosméticos como
las pomadas y las cremas necesitan de las emulsiones para dispersar en ellas
vitaminas y hormonas. Por lo general la mayoría son emulsiones óleo-acuosas.
Ejemplo de ellos son las cremas para afeitar, lociones para repeler insectos, crema
para el cutis entre otros.
Emulsiones industriales: Gran cantidad de ceras y aceites se emulsionan para su
aplicación en textiles, acabos de papel y lubricantes marinos. Algunos emulsificantes
también se usan en electrolitos para baterías, lacas para pinturas, tintas para
imprentas y fundentes para soldadura etc.
Fluidos de control: Los fluidos de control se utilizan en la industria petrolera como
ayuda en la perforación de pozos, su principal función es facilitar la perforación del
agujero dentro de un yacimiento con el mínimo daño a los instrumentos de
perforación y a la formación rocosa.
La utilización de los emulsificantes se manifiesta principalmente en la siguiente
función:

Disminución de las fuerzas retentivas de los fluidos en el medio poroso,
La acción bajo tensora de los emulsificantes permite reducir las fuerzas capilares en
el medio poroso, este efecto tiene mayor importancia en formaciones de baja
permeabilidad, donde las fuerzas retentivas causan que los hidrocarburos no fluyan
con la energía disponible.
32
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.4 Fluidos de baja densidad (FBD)
La elección del fluido de perforación deberá ser realizada con el propósito de evitar
riesgos operativos, reducir costos, tiempos de perforación y maximizar la
productividad del pozo. Los fluidos de perforación se clasifican en: base agua, base
aceite y aireados como ya se mencionaron anteriormente.
Además tienen otra clasificación como: Newtonianos (relación lineal entre esfuerzo y
velocidad de deformación) y No – Newtonianos. Los fluidos de perforación
especialmente las emulsiones entran en la clasificación de No-newtonianos.
Estos fluidos no newtonianos (pseudoplásticos) se caracterizan por una disminución
de su viscosidad y de su esfuerzo cortante, con la velocidad de deformación.
En esta investigación se trabajara con fluidos de perforación que están constituidos
por una emulsión directa, específicamente con fluidos de baja densidad (FBD), los
cuales tienen una densidad menor de 1,0 g/cm 3, por lo regular la densidad es de
0.81 – 0.92 g/cm3, y cuentan con una relación 70% aceite externa y 30% agua
interna y 1% de emulsificante como mínimo y como máximo relaciones 90/10. Su
aplicación esta condicionada a pozos o áreas depresionadas, pues actúa como
fluidos de control, estático y de limpieza.
2.4.1 Propiedades importantes en la elaboración de un fluido de baja densidad
y equipos utilizados
Densidad
La densidad de un fluido de baja densidad (FBD) es la masa por la unidad de
volumen y puede expresarse en diversas unidades: libras por galón (ppg), libras por
pie cúbico (pcf) o gramos por centímetro cúbico (g/cm 3). La densidad se determina
utilizando una balanza de lodos, la cual se muestra en la Fig. 4, la cual consiste en
33
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
una taza (con tapa), en el extremo de un vaso graduado. Una cuchilla del brazo
reposa sobre una base de apoyo, una pesa corrediza sobre el brazo se acerca a la
cuchilla o se aleja de ella, hasta balancear la taza llena de fluido.
Fig. 4 Balanza de lodos
Antes de usar una balanza para lodos es necesario conocer su calibración y se hace
con agua dulce destilada dando una lectura de 1 g/cm3 = 8.33 lb/galón. Si no existe
nivelación con este valor deberá ajustarse su tornillo o bien, con sus balines si es de
este tipo. La densidad se lee directamente.
La densidad es una propiedad muy importante ya que gracias a su correcto manejo
se logra el control del pozo: manteniendo la presión hidrostática igual o ligeramente
mayor que la presión de formación.
Reológicos
La reología es la ciencia que trata la deformación y flujo de materia. En su estudio
también incluye el comportamiento de los fluidos sometidos a diferentes tipos de
esfuerzos.
Las propiedades reológicas se definen a partir de la relación existente entre fuerza o
sistema de fuerzas y su respuesta ya sea como deformación o flujo. Todo fluido se
34
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
va a deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas
externas.
Las propiedades reológicas fundamentales son la viscosidad aparente, plástica y el
punto de cedencia.
Viscosidad aparente (μa)
Es la resistencia al flujo de un fluido, causada principalmente por las fuerzas de
atracción de sus partículas y en menor grado por la fricción creada entre ellas a una
determinada velocidad de corte.
Viscosidad plástica (μp)
Es la resistencia al flujo debido a la fricción mecánica, generada por el rozamiento y
concentración de los sólidos entre si y la viscosidad de la fase liquida que los rodea.
Esta definición nos lleva a dos conclusiones:
-
A mayor densidad o concentración de sólidos por volumen, la fricción entre
las partículas aumentará por incrementarse el rozamiento entre ellas; y bajo
tales condiciones, la viscosidad plástica, que es una medida de fricción, se
incrementará aumentando también la viscosidad aparente.
-
Si se disminuye el diámetro o tamaño de las partículas sólidas, también
aumentará la viscosidad plástica porque se aumentara el área de superficie
de las partículas y esto incrementará el rozamiento y la fricción entre ellas.
Siempre que se pretenda reducir la viscosidad plástica es necesario disminuir la
concentración
de
sólidos
por
medio
de
aparatos
mecánicos,
dilución
o
sedimentación. La unidad utilizada es el centipoise (cp).
35
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Punto de Cedencia (Pc)
Parte de la resistencia al flujo de un fluido, causada por las fuerzas de atracción de
las partículas en suspensión, esta fuerza atractiva es a su vez causada por las
cargas eléctricas sobre las superficies de las partículas dispersas en la fase fluida.
Este grado de resistencia depende del tipo, tamaño y cantidad de dichas partículas.
El punto de cedencia (esfuerzo requerido para iniciar el flujo) disminuye a medida
que las fuerzas de atracción son reducidas, la reducción de esté también reducirá la
viscosidad aparente. Sus unidades son las libras sobre 100 pies cuadrados (lb/100
ft2).
La medición de las propiedades reológicas de un fluido es importante en el cálculo
de las pérdidas de presión por fricción, para determinar la capacidad del fluido.
Para las mediciones simples de viscosidad se emplea el embudo Marsh; este mide
la velocidad de flujo en un tiempo medido. La viscosidad de embudo es el numero de
segundos requerido para que 1000 mL de fluido pasen a través de un tubo de 3/16
pulgadas de diámetro, colocado a continuación en un embudo de 12 pulgadas de
largo con capacidad de 1500 mL, consta de un cono de plástico con una malla con
abertura de 1/16 (malla 12) en su entrada , por el cual se hará pasar nuestro fluido,
para evitar que cualquier partícula sólida obstruya en la salida del fluido , hasta
llenarse en la marca correspondiente este embudo se coloca en un soporte metálico
a una altura de 4 pulgadas (aprox. 10 cm).
Se coloca tapando el orificio inferior, en la parte de abajo se coloca un recipiente de
un litro de capacidad en la cual caerá el fluido para después tomar el tiempo en el
cual el recipiente llega a un litro, sus unidades son segundos Marsh. Este valor
obtenido es un valor cualitativo de la viscosidad del fluido.
36
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Fig. 5 Embudo Marsh
Se obtiene una mejor medición de las características reológicas mediante el empleo
de un viscosímetro electrónico rotatorio de lectura directa y de cilindros concéntricos
(viscosímetro FANN 35), como se ilustra en la figura 6.
Este tiene un espacio anular entre dos cilindros, la muestra de fluido es contenida
en este espacio y la camisa exterior gira a una velocidad constante, lo cual produce
cierta torsión sobre el flotante o cilindro interior.
El movimiento del flotante es restringido por un soporte de torsión y un dial
conectado registra el desplazamiento del flotante a varias revoluciones por minuto
de la camisa exterior. Este viscosímetro tiene velocidades de 3, 6, 100, 200, 300 y
600 r.p.m.
Con estas lecturas obtenidas en el viscosímetro rotatorio FANN 35 podemos obtener
3 lecturas que se convierten fácilmente en los 3 parámetros reológicos: viscosidad
plástica, aparente y punto de cedente. Para esto se recurren a 3 fórmulas básicas
que se darán en la metodología (capítulo III).
37
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Fig. 6 Viscosímetro FANN 35
Tixotrópicas
La tixotropía es la propiedad demostrada por algunos fluidos que forman una
estructura de gel cuando están estáticos, regresando luego al estado de fluido al
aplicarles un esfuerzo de corte. La mayoría de los fluidos demuestran esta
propiedad, debido a la presencia de partículas cargadas eléctricamente, o se
enlazan entre si para formar una emulsión.
Esta propiedad es determinante para lograr la función de suspensión de recortes, ya
que la fuerza de gelatinosidad de un fluido define su capacidad para mantener estos
sólidos en suspensión.
La bentonita y otras arcillas coloidales, así como los polímeros, se añaden a los
fluidos con el fin de aumentar la fuerza de gelatinosidad.
Gelatinosidad y punto de cedencia
Estas dos propiedades, reológicas y tixotrópicas, están en función de la fuerza de
atracción de las partículas. Al disminuir el punto de cedencia, también disminuye la
gelatinosidad; sin embargo un valor bajo en el punto de cedencia no será indicativo
de que la gelatinosidad sea cero.
38
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Tipos de gelatinosidad
Para conocer el valor de la fuerza de gel, se utiliza el viscosímetro de lectura directa
FANN 35 utilizado para determinar las características tixotrópicas de los fluidos, es
decir mide la capacidad de desarrollar una estructura de gel rígida o semirígida
durante el periodo de reposo. Para ello se hacen 2 mediciones de resistencia del gel:
después de 10 segundos y de 10 minutos de reposo, respectivamente. Un amplio
margen entre la lectura inicial de gel y la lectura a los 10 minutos se denomina gel
progresivo e indica acumulación de sólidos, pero si la lectura inicial y la de 10
minutos son ambas elevadas, con un pequeño margen de diferencia entre los dos,
estamos en presencia de un gel instantáneo ( indica que hay floculación). Las
unidades de medición son lb/100 pie2.
La gelificación no debe llegar a un punto más alto que el que se necesita para
cumplir esas funciones ya que la resistencia de gel mide las fuerzas de atracción.
Las resistencias de gel excesivas pueden causar complicaciones como: la retención
de aire en el fluido.
La temperatura propiedad fundamental (efecto térmico)
La temperatura tiene un efecto muy fuerte en la estabilidad de la emulsión.
Incrementando la temperatura se incrementa la difusión de las gotas, decrece la
viscosidad de la fase externa, disminuye la película interfacial y se modifica la
tensión superficial. Todos estos cambios disminuyen la estabilidad de la emulsión.
Cuando se calienta una emulsión por ejemplo si el emulsificante es de tipo iónico,
este se enturbia a determinada temperatura (punto de enturbiamiento). Por encima
de esta temperatura la solución se separa en 2 fases (formando micelas por debajo
del emulsificante).
39
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En general el calentamiento tiene las siguientes desventajas:
1.- Reduce la viscosidad de la fase continua.
2.- Incrementa el movimiento browniano y la colisión de las gotas de agua para su
coalescencia.
3.- Promueve una mejor distribución del emulsificante.
4.- Debilita la película de emulsificante que rodea las gotas.
Es muy importante determinar el efecto de la temperatura sobre los fluidos de
perforación que circulan a través de los huecos perforados.
El Horno rolador OFITE, ver figura 7, es una ayuda muy efectiva en la determinación
de los efectos térmicos que experimentan los fluidos de perforación circulando en las
operaciones de perforación. La disminución del fluido de perforación dentro de las
celdas presurizadas, ver figura 8, demuestra efectivamente los efectos térmicos
sobre la viscosidad y el comportamiento de varios aditivos, como los dispersantes y
coloides orgánicos expuestos a elevadas temperaturas. Las muestras de fluidos son
colocadas dentro de una celda sellada, el cual es normalmente una celda de
decadencia de acero inoxidable, que puede ser presurizada de tal forma que se
eleva el punto de ebullición del líquido contenido en dicha celda. En estos hornos
también pueden usarse las celdas de los filtros prensa, alta presión, alta
temperatura. Estas celdas se colocan dentro del horno, sobre los denominados
roladores, se calientan termostáticamente y se agitan por el movimiento que imparte
un motor sobre los roladores en un período de tiempo determinado.
40
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Fig. 7 Horno rolador
Fig. 8 Celdas de rolado
41
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
El sistema y la metodología propuesta para comprobar el rendimiento de los
emulsificantes en la elaboración de un fluido de baja densidad (FBD) se basó en las
normas que en cada prueba se mencionarán.
Las condiciones a las cuales se llevaron a cabo estas pruebas son de 25°C (298°K)
y presión atmosférica (14.696 psi) a excepción de la estabilidad térmica que se
trabajó a 120 °C.
Las pruebas fueron realizadas en el laboratorio de la planta de fluidos unidad
operativa de perforación Poza Rica-Altamira, donde se analizaron utilizando
relaciones 70/30 y 1 % de emulsificante lo cual facilitará el control de la evaluación
del fluido.
Además se utilizaron 3 tipos de emulsificantes diferentes para su posterior
comparación y determinar cual nos da un mejor rendimiento en la elaboración del
fluido de baja densidad de acuerdo a los parámetros establecidos.
3.1 MÉTODOS DE PRUEBA
Elaboración del fluido de baja densidad
El procedimiento determina la capacidad del emulsificante para mantener la
emulsión aceite en agua después de que ha sido sometida a temperatura.
La normatividad por la cual se rige este procedimiento es -NMX-L-153-SCFI-2004
Reactivos y materiales

Aceite diesel limpio, que cumpla con la especificación de PEMEX

Agua corriente

El emulsificante a utilizar (en los resultados se especificará el nombre de cada
uno)
42
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA

Jeringa de 20 mL

Recipiente de 2000 mL

Probetas graduadas de 1 000 mL una para medir el aceite/agua
Aparatos

Mezclador tipo dispersor con regulador de velocidad, flecha de 28 cm. de
longitud y diámetro de 2 cm. aproximadamente, cabeza tipo duplex, motor de
½ CF o 1 CF

Timer (medidor de intervalos de tiempo con alarma)
Preparación y acondicionamiento de la muestra
a) Determinar la cantidad de agua y diesel a agregar mediante la relación 70/30
y 1% emulsificante para un total de 2000 mL.
Diesel: 2000 mL*70%= 1400 mL
Agua: 2000 mL*30%= 600 mL
Emulsificante: 2000 mL*1%= 20 mL
Restándole a cada una de las fases:
Diesel Total: 1400 mL – 10 mL = 1390 mL
Agua Total: 600mL – 10mL = 590 mL
1980 mL + 20mL = 2000mL
Todos estos volúmenes se miden con las probetas graduadas cada uno
respectivamente.
a) b) Agregar los 590 mL de agua en el recipiente de 2000 mL y póngalo en
agitación (35 a 40 rpm.) para posteriormente agregar poco a poco los 20 mL
de emulsificante, esto para evitar que el emulsificante se quede adherido en
43
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
la pared del recipiente si se agrega de forma rápida. Se deja agitando por 30
minutos, es aquí donde utilizamos los timers para monitorear perfectamente
los tiempos.
b) Una vez que transcurrieron los 30 minutos, adicionar lentamente los 1390 mL
de diesel limpio, este también se agrega poco a poco para que nuestra
mezcla emulsifique correctamente. Se deja agitar por 30 minutos, es aquí
donde utilizamos los timers de nuevo
c) Posteriormente ya que hayan trascurrido los 30 minutos restantes, apagar
nuestro
agitador y
vaciar el fluido de baja densidad para realizar las
diferentes pruebas correspondientes.
Determinación de densidad
API-RP—13B-1 (Referencias de estándar de prácticas recomendadas para prueba
en campo de los fluidos de perforación base aceite).
Recomendaciones:
Equipo de protección de personal completo: ropa de algodón (overol y/o bata)
zapato cerrado y lentes de seguridad.
Material y Reactivo

Muestra de fluido de baja densidad

Agua corriente

Franela
Equipo

Balanza de lodos tradicional

Balines para calibración
44
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
Procedimiento
a) Colocar la base sobre una superficie firme nivelada.
b) Comprobar que esté calibrada (agua corriente)
c) Llenar la copa con el fluido que se va a pesar.
d) Colocar la tapa girándola permitiendo salir fluido por el orificio central de la
purga para liberar el aire o gas atrapado
e) Tapar el orificio con un dedo, lavar o limpiar con una
franela impregnada
de agua o diesel según sea el tipo de fluido (agua/aceite) y secar el exceso de
agua.
f) Colocar la balanza sobre su soporte; correr al pilón para lograr su nivelación
hasta centrar la burbuja del nivel.
g) Leer sobre la escala la densidad del fluido en el borde del brazo graduado
h) Registrar la densidad del fluido en la bitácora.
i) Eliminar el fluido de la copa después de su uso. Lavar la tapa, la copa, la
balanza completa y secarla a fin de mantenerla lista para su siguiente uso.
NOTA: Si no da el valor deseado ajustar el tornillo de balance o ajustar la cantidad
de balines estos se encuentran en el brazo graduado.
Viscosidad Marsh
Referencias
NOM-EC-17025-IMNC-2000 (Requisitos generales para la competencia de los
laboratorios de ensayo y calibración).
API-RP—13B-1 (Referencias de estándar de prácticas recomendadas para prueba
en campo de los fluidos de perforación base aceite).
45
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
Recomendaciones:
Equipo de protección de personal completo: ropa de algodón (overol y/o bata)
zapato cerrado, lentes de seguridad y guantes.
Reactivos y materiales

Fluido de baja densidad previamente preparado (FBD)
Aparatos

Embudo Marsh

Posillo Marsh graduado 1500 mL

Soporte universal y anillo metálico

Cronómetro o reloj
Procedimiento
a) Colocar el embudo en forma vertical y tape el orificio inferior con un dedo.
b) Vierta una muestra de fluido a través de la malla colocadora hasta el ras de
ésta, esto evitará que pasen algunos sólidos presentes a su interior y puedan
obstruir la salida.
c) Con el pocillo graduado abajo del embudo, a una distancia aproximada de 4
pulgadas uno de otro, y de tal forma que se vean las escalas, retirar el dedo
del orificio.
d) Con cronómetro o reloj verificar los segundos que tarda en llenarse el pocillo
hasta el valor de 1,000 cm3 (1 litro) Reporte en segundos el tiempo que tarda
en escurrir un litro de fluido; esa será la medida de su viscosidad en segundos
Marsh.
46
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
Determinación de las propiedades reológicas (viscosidad aparente, plástica y
punto de cedente).
Referencias
NOM-EC-17025-IMNC-2000 (Requisitos generales para la competencia de los
laboratorios de ensayo y calibración).
API-RP—13B-1 (Referencias de estándar de prácticas recomendadas para prueba
en campo de los fluidos de perforación base aceite).
Recomendaciones:
Utilizar el equipo de protección personal adecuado: lentes y guantes.
Reactivos y materiales

Fluido de baja densidad preparado anteriormente (FBD)
Aparatos

Viscosímetro
FANN 35 rotacional y todos las partes por las que esta
constituida: camiseta, copa metálica, bob o cilindro rotatorio etc.

Medidor de intervalos de tiempo (timer).
Procedimiento
a) Acondicionar el viscosímetro FANN 35 utilizando correctamente el cilindro
rotatorio correspondiente (bob), para evitar que se zafe al momento de
prenderlo.
b) Vaciar el fluido de baja densidad (FBD) previamente preparado en la copa
metálica hasta la marca indicada.
c) Subir la copa hasta la marca correspondiente para evitar que tope con el rotor
y falle.
47
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
d) Se determina en el viscosímetro las lecturas a 600, 300, 200, 100, 6 y 3 rpm.
(Anotar los resultados en su bitácora). Recupere este fluido para su posterior
utilización.
Expresión de resultados
Va = L600 / 2
Vp = L600 – L300
Pc = L300 - Vp
Donde:
Va= es la viscosidad aparente, en cp (centipoise)
Vp= es la viscosidad plástica, en cp (centipoise)
Pc = es el punto de cedente, en lb/100ft2
L600 es la lectura a 600 rpm.
L300 es la lectura a 300 rpm.
Para determinar las propiedades tixotrópicas (resistencia de gel)
Reactivos y materiales

Fluido de baja densidad preparado anteriormente (FBD)
Aparatos

Viscosímetro
FANN 35 rotacional y todos las partes por las que esta
constituida: camiseta, copa metálica, bob o cilindro rotatorio etc.

Medidor de intervalos de tiempo (timer).
48
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
Procedimiento
a) Agitar
la
muestra
en
el
viscosímetro
FANN
35
a
600
rpm
por
aproximadamente 10 segundos, apague el motor y espere 10 segundos mas
para su lectura.
b) Tomar la deflexión máxima de la lectura de 3 rpm y regístrela como esfuerzo
de gel de 10 segundos (Gel0).
c) Restablecer la agitación a 600 rpm por 10 segundos, apagar el motor y dejar
reposar 10 minutos.
d) Tomar la deflexión máxima de la lectura de 3 rpm y regístrela como esfuerzo
de gel 10 minutos (Gel10).
Expresión de resultados
Gel0/10= Lectura de la deflexión máxima/Lectura de la deflexión máxima
Donde:
Gel0 = gel inicial en lbf/100 ft2
Gel10= gel final en lbf/100 ft2
Efecto Térmico
El procedimiento determina la capacidad del emulsificante para mantener la
emulsión aceite en agua después de que ha sido sometida a temperatura.
Reactivos y materiales

Fluido de baja densidad previamente preparado (FBD)

Probetas de 500 mL y 1 000 mL
49
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
Equipo

Celda de bronce o acero inoxidable para añejamiento dinámico, de 500 mL
con válvula de presurización.

Horno para añejamiento dinámico con rodillos internos, control de
temperatura regulada a 120°C o 150°C ± 3°C y control de tiempo.
Procedimiento
a) Transferir aproximadamente 360 mL de la muestra de fluido a una celda de
rolar y tape correctamente para evitar fuga de fluido.
b) Añejar dinámicamente durante 12 h a la temperatura especificada de acuerdo
con su clasificación térmica (120°C).
c) Enfriar la celda, para depresionarla abra lentamente la válvula, sí observa que
hay pérdida de fluido recupérelo sin voltear completamente la celda, y termine
de vaciar el resto del fluido a la probeta de 500 mL.
d) Permita al fluido de la probeta reposar 30 minutos y mida la separación de
aceite. Recuperar el fluido para uso posterior.
Expresión de resultados
Aceite (%) =100 x (A / B).
Donde:
A es el volumen del aceite separado, en mL.
B es el volumen total, en mL.
NOTA 1 – Los resultados obtenidos al aplicar los métodos de prueba de esta norma,
se pueden reportar en un formato similar al de las especificaciones.
50
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
51
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
En este capítulo se darán a conocer los resultados obtenidos en las pruebas
efectuadas de los análisis: reológicos, tixotrópicos y efecto térmico, además de la
verificación de la densidad y viscosidad Marsh requeridas.
Para la elaboración de nuestro fluido de baja densidad (FBD) se tomaron como
muestra
3 tipos de emulsificantes base agua, extraídos de la
tabla
4.1 que
contiene los emulsificantes mas utilizados en la industria petrolera, particularmente
en la planta de fluidos Poza Rica- Altamira..
Tabla 4.1 Emulsificantes utilizados
Emulsificante
D-ACC 106 “emuls acido”
Base agua
Clarian´t
Base agua
Emul 25 A
Base agua
Q-mul I (primario)
Base aceite
Q-mul II (secundario)
Base aceite
Q-mul direct
Base agua
Q-mul Gel
Base aceite
De estos emulsificantes se tomaron tres, los cuales son base agua, ya que éstos
tienen mayor medida de la afinidad relativa para las fases aceite-agua de nuestra
emulsión.
Los emulsificantes que se utilizaron fueron: Clarian´t, Q-mul direct y Emul 25A,
ilustrados en las figuras 9,10 y 11, con los cuales se realizaron
pruebas para
determinar cual de éstos era el más eficiente en la elaboración del fluido de baja
densidad (FBD).
51
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
En la siguiente tabla se comparan las propiedades intensivas del sistema
aceite/agua.
Tabla. 4.2 Comparación de densidad y viscosidad
Emulsificantes
Densidad(g/cm3)
Viscosidad Marsh
Clarian´t
0.86
168”
Q-mul direct
0.88
200”
Emul 25A
0.88
208”
De acuerdo con la tabla 4.2 se puede afirmar que los fluidos de baja densidad (FBD)
elaborados tienen las condiciones óptimas para su utilización, ya que éste debe
tener un peso con rango de 0.86 – 0.92 g/cm3 aproximadamente, y la viscosidad
Marsh debe de ser mayor de 120”.
Fig.9 Emulsificante
clarian´t
Fig.10 Emulsificante
Q-mul direct
Fig.11 Emulsificante
Emul 25A
Resultado de las pruebas reológicas
A continuación se darán a conocer, mediante la tabla 4.3, las lecturas obtenidas
mediante el viscosímetro FANN 35.
52
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
Tabla 4.3 Lecturas del viscosímetro a sus respectivas revoluciones
Lecturas(rpm)
Clarian’t
Q-mul direct
Emul 25A
L600
138
114
97
L300
90
70
63
L200
73
49
50
L100
49
32
33
L6
11
5
7
L3
8
4
4
Posteriormente se realizó la tabla 4.4 con los resultados, obtenidos de los
parámetros reológicos, mediante las siguientes fórmulas.
Va= L600 / 2
Vp= L600 – L300
Pc= L300 - Vp
Tabla 4.4 Resultados de los parámetros reológicos
Emulsificante
Viscosidad
Viscosidad
Punto de
aparente(cp)
plástica(cp)
cedencia
(lb/ 100 ft2)
Clarian´t
69
48
42
Q-mul direct
57
44
26
Emul 25A
48.5
34
29
53
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
Al comparar los parámetros de las propiedades reológicas se concluyó que el
emulsificante Clarian’t le da a nuestro fluido las condiciones optimas ya que en su
viscosidad aparente obtuvo la mayor resistencia a fluir debido a la atracción entre
partículas a una determinada velocidad (fricción).
En la viscosidad plástica el emulsificante Clarian`t también es el que tiene mayor
resistencia a fluir generada por el rozamiento y la concentración de los sólidos entre
sí.
Respecto al punto de cedencia el óptimo es Q-mul direct, ya que entre menor sea su
punto de cedencia mejor será el control del fluido en las pérdidas de filtrado.
Resultados de las pruebas tixotrópicas
En la tabla 4.5 se muestran los resultados obtenidos de las pruebas tixotrópicas.
Tabla 4.5 Resultados de los parámetros tixotrópicos
Emulsificante
G0 (Ib/100ft2)
G10 (Ib/100ft2)
Clarian´t
8
8
Q-mul direct
4
5
Emul 25A
5
7
Con respecto a las pruebas tixotrópicas se puede concluir que los tres son geles
progresivos por que percibieron un aumento en el reposo. Por lo deducido el gel
inicial debe ser menor que el gel 10.
Resultado de las pruebas del efecto térmico
Con respecto a su densidad de preparación y su viscosidad Marsh los cambios se
muestran en la tabla 4.6
54
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
Tabla 4.6 Densidad y viscosidad Marsh después de someterlo a 120°C
Densidad(g/cm3)
Emulsificantes
Viscosidad Marsh
Clarian´t
0.86
160”
Q-mul direct
0.87
191”
Emul 25A
0.87
203”
El análisis térmico permite determinar los cambios físicos y químicos en función de
la temperatura. Al afectar la temperatura las muestras, el calor transferido a los tres
fluidos incremento la energía de las moléculas que compone al sistema, provocando
un incremento de la energía interna del sistema, para determinar el calor transferido
necesitamos conocer los calores específicos, los cuales se muestran en la tabla 4.7.
Tabla 4.7 Calores específicos de los componentes de un fluido de baja densidad.
Elemento
Calor especifico( kca/kg°C)
25°C
120°C
Agua
1.0
1.1
Diesel
0.5
1.75
Emulsificante
0.40
0.52
Fuente: Yunus Cengel 2007, calores específicos de una emulsión. PEMEX exploración y producción
La energía interna es igual a:
∆U= Q +W
Donde:
Q= calor ganado o perdido
W= trabajo realizado
55
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
El calor se calcula con la siguiente formula:
Q= mCp (t1 – t2 )
Donde:
m= masa de la emulsión (Kg.)
Cp = capacidad calorífica de la emulsión (kca/kg°C)
t1 = temperatura inicial del sistema (°C)
t2 = temperatura final del sistema (°C)
Calculando la capacidad calorífica de la mezcla para cada componente:
Cp mezcla = Cp1x1 + Cp2x2 +…….Cn+1xn+1
C p mezcla = Cp1+ Cp2
2
Cp mezcla= 1.00Kcal
Kg °C
+ 1.1Kcal
Kg °C = 1.05 Kcal.
Kg. °C
Cp mezcla= 0.5Kcal + 1.750Kcal
Kg °C
Kg °C
2
= 1.125Kcal
Kg °C
Cp mezcla = Cp1x1 + Cp2x2 +…….Cn+1xn+1
Porcentajes de cada componente:
Agua
Cp= 1.05Kcal
Kg °C
Cp = 1.05Kcal (.36*.30) = 0.1115
Kg °C
Diesel
Kcal
Kg °C
Cp= 1.125Kcal
Kg °C
56
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
Cp=1.125Kcal (.36* .70) = .2814Kcal
Kg. °C
Kg. °C
Emulsificante
Cp= 0.46Kcal
Kg °C
Cp= 0.46Kcal (.36* .01) = 0.001656 Kcal
Kg °C
Kg °C
Cp mezcla= (1.05Kcal * 0.1115) + (1.125Kcal * 0.2814) + (0.175Kcal*0.0016)
Kg. °C
Kg. °C
Kg. °C
Cp mezcla =0.4342Kcal
Kg. °C
m=ρv
m=masa de la emulsión
ρ= densidad de la emulsión
v= volumen
m1= (860 kg. /m3) (0.00036 m3)
m= 0.3096 kg
m2= (880 kg. /m3) (0.00036 m3)
m= 0.3168 kg.
m2=m3
Sustituyendo valores encontramos el calor absorbido por el sistema:
Q1 = (.3096 Kg.) (0.4342Kca ) (120°C – 25°C)
Kg. °C
Q1 = 12.47 Kcal
Q2 = (.3168 Kg.) (0.4342Kca) (120°C – 25°C)
Kg. °C
Q2 =13.6 Kcal
Calculando el trabajo generado por el sistema:
57
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
W=γo/w +ΔA
Donde:
W= trabajo empleado ó incremento de energía libre de superficie
γo/w= tensión interfacial entre el diesel y el agua (0.013623 cal/m2)
ΔA = área libre superficial
El área libre superficial esta dada por:
ΔA = v/ dvs
Donde:
v= volumen del sistema
dvs= distancia entre gotas de la emulsión (m)
ΔA = (0.00036 m3)/ (1* 10-8 m)
ΔA = 36000m2
Calculando el trabajo obtenemos:
w= (0.013623 cal/m2) (36000m2)
w= 490.42 cal = 0.490 Kcal
Obteniendo el calor total del sistema:
Q1 = 12.47 Kcal + .490 Kca = 12.96 Kcal
Q2 =13.6 Kcal + .490 Kca = 14.09 Kcal
La temperatura afecta nuestra emulsión disminuyendo las propiedades reológicas
(ver tabla 4.8 y tixotrópicas (ver tabla 4.9), ya que hace que disminuya la viscosidad.
Éste no solo puede ser el factor, ya que también afecta el comportamiento del
emulsificante adsorbido en la interfase.
58
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
Tabla 4.8 Resultados de los parámetros reológicos después de someterlos a
temperatura (120°C)
Emulsificante
Viscosidad
Viscosidad
Punto de
Aparente(cp)
Plástica(cp)
cedencia
(lb/ 100 ft2)
Clarian´t
65
39
52
Q-mul direct
55
42
26
Emul 25A
______________
______________
_______________
Las muestras introducidas al horno rolador, a todas se les transfirieron la misma
cantidad de calor y solo una emulsión se rompió, quizás el emulsificante era de mala
calidad ya que también recibió la misma cantidad de calor.
Tabla 4.9 Resultados de los parámetros tixotrópicos después de someterlos a
temperatura (120°C)
Emulsificante
G0 (Ib/100ft2)
G10 (Ib/100ft2)
Clarian´t
7
8
Q-mul direct
4
5
Emul 25A
_________________
__________________
De las figuras 12, 13,14 se obtuvieron las siguientes relaciones, las cuales se
muestran en la tabla 4.10, con respecto a su fase dispersa separada.
Aceite (%) =100 x (A / B)
59
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
Fig.12.Utilizando
Fig.13 Utilizando
Fig.14 Utilizando
emulsificante clarian´t
emulsificante Q-mul
emulsificante Emul 25A
direct
Donde:
A= volumen del aceite separado, en mL.
B= volumen total, en mL.
De un total de 360 mL de muestra.
Emulsificante Q-mul direct
Aceite (%) =100 x (A / B)
Aceite (%) =100x (36mL/360mL)
Aceite (%) = 10%
Emulsificante Clarian´t
Aceite (%) =100 x (A / B)
Aceite (%) =100x (10mL/360mL)
Aceite (%) = 2.7% = ligera separación
Emulsificante Emul 25ª
Aceite (%) =100 x (A / B)
Aceite (%) =100x (252mL/360mL)
Aceite (%) = 70% = Emulsión rota
60
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
Tabla 4.10 Porcentajes de separación del fluido de baja densidad a temperatura de
120°C
Emulsificante
Aceite (%) =100 x (A / B)
Clarian´t
Ligera separación
Q-mul direct
10%
Emul 25A
Emulsión totalmente rota
Después de hacer una comparación del rendimiento de los emulsificantes en la
elaboración del fluido de baja densidad, a la temperatura de 120° C, se llego a la
conclusión de que los parámetros reológicos y tixotrópicos que
experimentaron
cada una de las muestras mostraron ligeros cambios con respecto a la muestra
inicial (sin someterla a temperatura), por lo que el emulsificante Clarian’t es el que
tiene más rendimiento con respecto a los demás ya que soporto la temperatura
(120°C) sin romper la emulsion(ligera separación), caso contrario al Emul 25ª que
rompió completamente y al Q-mul direct que tuvo una separación del 10 % tanto en
la superficie (aceite) como en el fondo (agua).
61
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
CONCLUSIONES GENERALES
Tomando en cuenta todos los resultados obtenidos de las pruebas realizadas, para
la comparación del rendimiento de emulsificantes en la elaboración de un fluido de
baja densidad (FBD), y tomando como referencia los parámetros y propiedades
establecidas se llegaron a las siguientes conclusiones.
Respecto a la densidad y viscosidad Marsh, los tres emulsificantes (Clarian´t, Q-mul
Direc, Emul 25A) cumplieron con los parámetros permisibles en la elaboración del
fluido de baja densidad (FBD).
Las propiedades reológicas de los sistemas evaluados a las condiciones normales
de temperatura y presión, las cuales se llevaron a cabo mediante el viscosímetro
FANN 35, el emulsificante Clarian’t obtuvo una mayor viscosidad aparente y plástica,
mientras que en el punto de cedencia el Q-direct obtuvo el menor punto de cedencia
con especto a los demás es decir tendrá un mejor control en las pérdidas de filtrado.
La resistencia de gelatinosidad no debe ser excesiva para evitar complicaciones
como por ejemplo la retención de aire en el sistema. Por lo que la fuerza estática de
las partículas cuando se enlazan para formar la emulsion en estado estático a 10
segundos y 10 minutos no debe excederse de Gel0=4 y Gel10= 6lb/100ft2.
Con respecto a el efecto térmico que es la propiedad fundamental y que nos
importa.; después de comparar y analizar las propiedades reológicas y tixotrópicas,
así como el de observar la estabilidad en un lapso de tiempo se llego a la conclusión
de que el emulsificante mas eficiente, en la elaboración del fluido de baja densidad,
fue el Q-mul direct de acuerdo a los resultados obtenidos de los parámetros.
62
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
63