TEMA 5 – TIPOS DE FLUIDOS DE EPRFORACION 1. INTRODUCCION No existen dos lodos iguales, aún en el caso de que los lodos sean inicialmente muy semejantes, los efectos diversos de los elementos de la formación y el manejo que se haga de los lodos en superficie introducirán diferencias. A pesar de ello, es posible establecer amplias clasificaciones de los lodos. Los fluidos de perforación están clasificados dentro de 3 categorías:
Fluidos de Perforación Base Agua (WBM). Fluidos de Perforación Base Aceite (OBM). Fluidos de Perforación Neumáticos (PF). FLUIDOS DE PERFORACIÓN
FLUIDOS BASE ACEITE
FLUIDOS BASE AGUA
FLUIDOS NEUMÁTICOS
DIESEL
NO-INHIBIDO
GAS SECO
ACEITE MINERAL
INHIBIDO
NIEBLA
HIDROCARBURO NO PETROLERO
POLIMERICO
ESPUMA
LODO AIREADO
2. FLUIDOS BASE AGUA Los fluidos base agua son los fluidos de perforación mas extensamente usados. Son generalmente fáciles de preparar, baratos de mantener y pueden ser formulados para cubrir una gran cantidad de problemas de perforación. Podemos dividir los fluidos base agua dentro de 3 subclasificaciones.
Fluidos Inhibidos. Fluidos No-Inhibidos Fluidos Poliméricos. 1
FLUIDOS BASE AGUA
NO-INHIBIDO
INHIBIDO
POLIMERICO
AGUA PURA
BASE CALCIO
NO-DISPERSO
NATIVO
BASE AGUA SALADA
ALTA TEMPERATURA DESFLOCULADO
AGUA/ BENTONITA
BASE POTASIO
LIGNITO/ LIGNOSULFONATO (DESFLOCULADO)
2.1. FLUIDOS NO-INHIBIDOS Estos lodos son simples y poco costosos. Generalmente están compuestas de arcillas nativas o bentonita comercial con algo de soda cáustica o cal. También pueden contener desfloculantes y/o dispersantes tales como: Lignitos, Lignosulfonatos o Fosfatos y tal vez algo de Barita como material densificante. Los fluidos no inhibidos son generalmente usados como Lodos de Inicio de Perforación (Spud Mud). Los Lodos No-Inhibidos son subdivididos dentro de los siguientes tipos:
Agua Pura. Lodos Nativos. Lodos de Agua-Bentonita. Lodos de Lignito/Lignosulfonatos (Desfloculado).
2.1.1. Agua Pura A veces es el mejor fluido para perforar formaciones duras, compactas y con presiones vecinas a la normal. El agua empleada varia entre “agua dulce” y “salmuera saturada”, dependiendo de la disponibilidad de agua y de la naturaleza de las formaciones. 2
El agua pura es un fluido newtoniano y es por eso que requiere altas velocidades anulares para limpiar el pozo. Ocasionalmente se bombean tapones viscosos para limpiar el pozo de los recortes. Usualmente se añade soda cáustica o cal para el control de la corrosión. 2.1.2. Lodos Nativos En algunas áreas, las formaciones perforadas contienen arcillas o lutitas productoras de lodo. Cuando se bombea agua hasta el fondo del pozo durante la perforación, este retorna con sólidos nativos dispersos. La viscosidad aumenta con la circulación continua y el resultado es un lodo nativo. La dilución puede ser necesaria para controlar la excesiva viscosidad y de la misma manera, pequeñas cantidades de bentonita pueden ser agregadas para incrementar la viscosidad y tener un mejor control del filtrado. Usualmente se añade soda cáustica o cal para el control de la corrosión. 2.1.3. Lodos de Agua Bentonita La bentonita dispersa en agua fresca produce un lodo con buena capacidad de levantamiento de los recortes, buen régimen de penetración y usualmente u adecuado control de filtrado. Este lodo de agua bentonita es comúnmente usado como lodo de inicio de perforación (Spud Mud), para perforar los tramos superficiales, sin embargo a veces se usa para perforaciones profundas. Se puede incrementar la viscosidad agregando más bentonita o agregando un polímero extendedor de bentonita o cal o soda ash. El pH esta entre 8,0 y 9,5, el cual se mantiene con soda cáustica. Como regla empírica podemos decir que 20 a 25 lb/bbl de bentonita en agua dulce, producirán un lodo con una viscosidad de embudo de 35 a 40 seg/qt. 2.1.4. Lodos de Lignito/Lignosulfonato (Desfloculado) Estos lodos pueden ser usados para perforar una variedad de formaciones, pueden ser densificados hasta 18 o 19 lb/gal. El rango de pH esta entre 9,5 a 10,5. El lignito y el lignosulfonato son térmicamente estables hasta temperaturas aproximadas de 325 ºF, lo cual depende también del valor del pH.
3
Aditivos Principales de un Lodo de Lignito/Lignosulfonato Aditivo
Concentración (lb/bbl)
Bentonita
10 – 25
Lignosulfonato
0,25 – 8
Soda Cáustica
pH = 9,5 10,5
Soda Ash
Viscosificador Control de Filtrado Desfloculante Control de Filtrado Control de Alcalinidad
0,25 – 1
Remoción de Calcio
Lignito
1–4
Barita
Según densidad requerida
PAC/CMC
Función
Control de Filtrado Agente Densificante
0,25 – 1,0
Control de Filtrado
2-8
Control de Filtrado
Gilsonita
Propiedades Típicas de un Lodo de Lignito/Lignosulfonato Densidad (lb/gal)
Viscosidad Plástica (cPs)
Punto Cedente (lb/100 pies2)
9
8 – 12
6 - 10
2-4
4 - 10
8 - 12
12
15 – 20
10 - 14
2-4
4 - 10
4-8
Geles 10’’/10’ (lb/100 pies2)
Filtrado API (cc/30 min)
Ventajas y Desventajas de un Lodo de Lignito/Lignosulfonato Ventajas
Desventajas
Recortes dispersos, hacen difícil la remoción mecánica. Se requieren velocidades anulares Buen control de filtrado con un altas para una adecuada limpieza del revoque de baja permeabilidad pozo – baja reología Simple de elaborar y fácil de Problemas de pozo en formaciones mantener arcillosas Fácil de densificar hasta 18 lb/gal
Consideraciones en la descarga de efluentes – (Oxigeno Biologico)
Buena protección a la corrosión Económico de preparar mantener hasta los 325 ºF
y Disposición de sólidos que contienen metales pesados o Cr+++
Efectivo en rangos de salinidad de agua fresca a agua salada Fácil de convertir a un lodo calcio o yeso (lodo inhibido)
de
4
Se deteriora a temperaturas mayores a 325 ºF
2.2. FLUIDOS INHIBIDOS Los fluidos inhibidos no causan apreciables cambios en la formación. Estos fluidos retardan apreciablemente la hinchazón de las arcillas y logran la inhibición a través de la presencia de cationes como Sodio (Na +), Calcio (Ca++) y Potasio (K+). Estos sistemas son usados para perforar arcillas hidratables y arenas con arcillas hidratables, sin embargo también son usados en áreas donde con problemas de contaminación. Los Lodos Inhibidos son clasificados de la siguiente manera:
Lodos Base Calcio. Lodos Base Salado. Lodos Base Potasio.
2.2.1. Lodos Base Calcio Los lodos base calcio son principalmente usados para perforar intervalos con elevadas arcillas reactivas. Contemplan una mayor inhibición que los lodos base sodio a través de la reducción de la hidratación de las arcillas. Los lodos base calcio son altamente resistentes a los contaminantes. Los principales lodos de calcio son: Lodos de Cal, Lodos de Yeso y Lodos de Cloruro de Calcio. a) Lodos de Cal Los lodos de cal son usados en lugares donde se desea un lodo inhibido y donde las temperaturas no exceden los 300 a 350 ºF. Son particularmente usados por su alta tolerancia a los sólidos. Estos lodos varían en un amplio rango de alcalinidades y contenidos de cal y son agrupados en tres categorías. Clasificación de los Lodos Base Cal sobre el rango de alcalinidad
PF
Bajo Cal
Intermedio
Alto Cal
0,8 –2
2-5
5 - 10
El valor del pH de un lodo base Cal varia entre 10,5 a 12,5. Los aditivos principales que conforman un lodo base cal se muestran a continuación.
5
Aditivos Principales de un Lodo de Cal Aditivo
Concentración (lb/bbl)
Bentonita
Función Viscosificador Control de Filtrado
22 – 26
Lignosulfonato
2–6
Cal
2 - 10
Desfloculante
Lignito
2–4
Inhibición Control de Alcalinidad Control de Alcalinidad Inhibición Control de Filtrado
Almidón
3–4
Control de Filtrado
0,25 – 1,5
Control de Filtrado
Soda Cáustica
pH = 10,5 - 12,5
PAC
Propiedades Típicas de un Lodo de Cal Densidad (lb/gal)
Viscosidad Plástica (cPs)
Punto Cedente (lb/100 pies2)
Bajo Cal 10.0
8 – 12
6 - 10
2-4
Alto Cal 10.0
15 – 20
10 - 14
2-4
Geles 10’’/10’ (lb/100 pies2)
PM
PF
4 - 10
5 – 10
1-2
4 - 10
12 - 18
12 – 12,5
pH
Exceso de Cal (lb/bbl)
Filtrado API (cc/30 min)
10,5 – 12,5
1-2
6 – 12
12,0 – 12,5
5 - 15
6 - 12
Conversión de un lodo tratado con Cal Un lodo de cal puede prepararse a partir de cualquier lodo de base agua. La conversión de un lodo tratado con cal puede hacerse de varios métodos, sin embargo el método más común puede realizarse primeramente reduciendo la viscosidad de embudo de 30 – 35 seg/qt con agua. El agua debe ser añadida antes de agregar los químicos restantes. Mantener una adecuada agitación en las piletas de succión. Añada primeramente la soda cáustica, luego adicione los desfloculantes y la cal juntos. Hacer esto en dos circulaciones, en la primera añada toda la soda cáustica en la primera circulación y el desfloculante y la cal, durante las dos circulaciones. Cuando se añade la cal el lodo flocula y se hace viscoso. Esto se conoce como el “pico” de la cal. El grado de aumento de la viscosidad depende de la concentración de sólidos. Si el lodo se hace demasiado viscoso se debe aumentar mas dispersante y/o agua, o ambos.
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Ventajas y Desventajas de un Lodo de Cal Ventajas
Desventajas
Baja Viscosidad y Buenos Geles Alta tolerancia a los sólidos
Valores altos de ECD durante la conversión que pueden causar daño al pozo La gelificación puede ocurrir a temperaturas excesivas de 300 ºF
Fácil de densificar hasta 18 lb/gal Inhibe la hidratación de las esquistos y arenas arcillosas
Un Alto pH puede causar problemas de seguridad
Resistente a los contaminantes como cemento, anhidrita y sal
Estabilización de las paredes del pozo.
b) Lodos de Yeso Originalmente los lodos base yeso fueron usados para perforar secciones masivas de formaciones de anhidrita o yeso. La falta de un desfloculante eficaz redujo su empleo a los lodos de baja densidad que poseían normalmente alta viscosidad y altas resistencias de gel, hasta la introducción del lignosulfonato de cromo como un desfloculante. Los lodos de yeso son menos susceptibles a la solidificación a altas temperaturas que otros lodos de cal, debido a su bajo valor de alcalinidad. Si se mantienen el PF bajo (0,1 – 0,4) un lodo de yeso puede tolerar temperaturas de hasta 350 ºF. Sin embargo estos lodos tienen mayor perdida de filtrado que los lodos de cal y requieren el uso adicional de desfloculantes. Los principales aditivos de un lodo de yeso son similares a los lodos de cal, con la excepción de que las concentraciones de desfloculantes y aditivos para la perdida de filtrado son altos.
7
Aditivos Principales de un Lodo de Yeso Aditivo
Concentración (lb/bbl)
Bentonita
Función Viscosificador Control de Filtrado Desfloculante Inhibición Control de Alcalinidad Control de Alcalinidad
20 – 24
Lignosulfonato
4–8
Yeso
4-8
Soda Cáustica Tanino (Quebraco + Lignito)
pH = 9,5 - 11,0 2–3
Desfloculante
2–6
Control de Filtrado
PAC
0,25 – 1,5
Control de Filtrado Viscosificador
Barita
Según densidad requerida
Agente densificante
Almidón
Propiedades Típicas de un Lodo de Yeso Densidad (lb/gal)
Viscosidad Plástica (cPs)
Punto Cedente (lb/100 pies2)
9
12 – 15
6 - 10
2-4
12
15 – 20
2 - 15
0-5
Geles 10’’/10’ (lb/100 pies2)
Yeso lb/bbl
PF
8 - 12
10 - 15
0,2 – 0,7
2 - 15
10 - 15
2–3
pH
Exceso de Cal (lb/bbl)
Filtrado API (cc/30 min)
9,5 – 11,0
1-2
8 – 12
11,0 – 12,0
5 - 15
6-8
Ventajas y Desventajas de un Lodo de Yeso Ventajas
Desventajas
Baja Viscosidad y Buenos Geles. Alta tolerancia a los sólidos. Fácil de densificar hasta 18 lb/gal Inhibe la hidratación de esquistos y arenas arcillosas.
los
Resistente a los contaminantes como cemento, anhidrita y sal. 8
Valores altos de ECD durante la conversión que pueden causar daño al pozo. La gelificación puede ocurrir a temperaturas excesivas de 350 ºF
2.2.2. Lodos Base Salado Los lodos base sal son lodos que contienen una cantidad de cloruro de sodio en el rango de los 10000 mg/L a 315000 mg/L de saturación. Los lodos saturados de sal se emplean para perforar secciones masivas de sal, para evitar el lavado de estas secciones o debido a que el agua salada llega a ser la fuente preponderante de fase continúa del lodo. Los efectos de la sal sobre el lodo dependen de la cantidad de sal en el fluido y del tipo y calidad de los sólidos. La sal actúa como contaminante en un sistema de lodo base agua dulce. La sal puede causar el incremento en la viscosidad, los valores de gel y las perdidas por filtrado. Existen básicamente 3 tipos de lodos salados: a. Lodo Saturado de Sal.- Con un contenido de cloruro de sodio mayor a 315000 mg/L, pueden ser preparados intencionalmente o por la perforación de formaciones de sal. b. Lodos de Salmuera.- Con un contenido de cloruro de sodio entre 25000 a 35000 mg/L, estos lodos son mas el resultado de usar agua de mar o también por la incorporación de sal encontrada durante la perforación. c. Lodos de Salmuera.- Con un contenido de cloruro de sodio entre 10000 a 25000 mg/L, estos lodos son el resultado de usar agua proveniente de bahías, canales de islas o agua pantanos y ciénagas.
Aditivos Principales de un Lodo Base Salado Aditivo
Concentración (lb/bbl)
Bentonita Prehidratada
15 – 25
Almidón Soda o Potasa Cáustica
4–8
Viscosificador Control de Filtrado Desfloculante
0,5 – 1,5 (pH = 9,0 – 11)
Control de Corrosión Control de Alcalinidad
1-3
Removedor de calcio
Soda Ash PAC
Función
0,25 – 1,5
Control de Filtrado Viscosificador
Lignosulfonato
3-6
Desfloculante
Lignito
2-4
Control de Filtrado HTHP
9
Propiedades Típicas de un Lodo Salado Densidad (lb/gal)
Viscosida d Plástica (cPs)
Punto Cedente 2 (lb/100 pies )
9
16 – 18
12
22 – 24
Geles 10’’/10’ 2 (lb/100 pies )
Cloruros mg/L
Filtrado API (cc/30 min)
10 - 14
2-4
5-8
10000 – 35000
6 – 10
12 - 16
2-4
5-8
10000 35000
6-8
Ventajas y Desventajas de un Lodo Salado Ventajas
Desventajas Incremento en la concentración de aditivos, decrecimiento en la eficiencia.
Promueve la inhibición
Resistente a la contaminantes Control de filtrado difícil, depende de como cemento, anhidrita, sal y los polímeros y/o el almidón. flujos de agua salada Tendencia a espumar o contener Bajo contenido de sólidos cortes de aire Buena capacidad de limpieza del Requiere bentonita prehidratada pozo Se vuelve corrosivo si la saturación de agua desciende.
Buena estabilización del pozo 2.2.3. Lodos Base Potasio
Los lodos base potasio son usados en áreas donde la inhibición se requiere limitando la alteración químicas de las arcillas. El desarrollo de estos fluidos se basa en el intercambio catiónico de potasio por iones de sodio o calcio de las esméctitas o arcillas estratificadas. Básicamente existen 4 tipos de lodos base potasio.
KCl-Polímero (KCL-PHPA) Lodo KOH – Lignito. Lodo KOH – Cal. Lodos KCl – Polímero Cationico.
10
2.3. FLUIDOS POLIMÉRICOS Los lodos poliméricos contienen polímeros para generar viscosidad, para el control del filtrado, polímeros desfloculantes, polímeros que ofrecen estabilización a alta temperatura, encapsuladotes de sólidos, etc. Están compuestas por macromoléculas, con o sin interacción de arcillas (bentonita), para proveer las propiedades al lodo en una diversidad de aplicaciones. Estos fluidos pueden ser inhibidos o no-inhibidos. La estabilidad térmica de los sistemas poliméricos puede tener rangos arriba de los 400 ºF. Los lodos poliméricos se dividen en dos categorías.
Lodos Poliméricos No-Dispersos. Lodos Poliméricos Desfloculados de Alta Temperatura.
2.3.1. Lodos Poliméricos No-Dispersos En muchas áreas el agua pura no puede ser usada como fluido de perforación debido a sus efectos sobre las formaciones y la deficiencia en una apropiada viscosidad para limpiar el pozo. Los lodos poliméricos han demostrado una aplicación en áreas con formaciones duras y regímenes de penetración bajos. Estos lodos contienen menos del 5% de sólidos de baja gravedad y a veces son referidos como “Lodos de Bajo Contenidos de Sólidos No Dispersos (LSND). Estos lodos no tienen un buen desempeño en áreas con largos intervalos de arcillas reactivas, por su intolerancia a la contaminación por sólidos. También la sal, flujos de agua de mar, yeso/anhidrita y contaminación por cemento limitan seriamente el uso de estos lodos. Algunos de los lodos poliméricos no dispersos más usados son: Lodos con Extendedor de Bentonita, Lodos de bajo contenido de sólidos PAC/CMC y Lodos de bajo contenido de sólidos PHPA. Aditivos Principales de un Lodo Polimérico Aditivo
Concentración (lb/bbl)
Función
pH = 9,0 - 9,5
Viscosificador Control de Filtrado Agente densificante Floculante selectivo Control de Filtrado Control de Alcalinidad
Soda Ash
0,25 – 0,75
Removedor de Calcio
Extendedor de Bentonita
0,05 – 0,1
Extender propiedades de bentonita
PAC/CMC
0,5 – 1,5
Control de Filtrado
Bentonita Barita SPA (Poliacrilato de Sodio) Soda Cáustica
PHPA
5 – 14 Según densidad requerida 0,25 – 0,5
1,0
11
Viscosidad, encapsulador de sólidos, estabilidad del pozo
Propiedades Típicas de un Lodo Polimérico Densidad (lb/gal)
Viscosidad Plástica (cPs)
Punto Cedente 2 (lb/100 pies )
9
4–8
8 - 14
4-8
12
8 – 10
10 - 20
6 - 12
Cloruros mg/L
Filtrado API (cc/30 min)
8 - 10
<= 2000
10 – 12
10 - 15
<=2000
6-8
Geles 10’’/10’ (lb/100 2 pies )
Ventajas y Desventajas de un Lodo Plimérico Ventajas
Desventajas
Alta ROP en formaciones altas
Usos limitados
Bajo esfuerzos de corte y bajos ECD
Adsorción irreversible de polímeros sobre las arcillas
Buena limpieza del pozo
Baja estabilidad a la temperatura.
Fácil de correr
Intolerante a los sólidos
los
Fácil de convertir a un sistema Requiere mas dilución que los desfloculado sistemas desfloculados Control de perdida de fluidos no es Bajo contenido de sólidos dispersos muy económico Mas corrosivo que los sistemas desfloculados Sensible a los contaminantes. Difícil incremento de la densidad No inhibido 2.3.2. Lodos Poliméricos Desfloculados de Alta temperatura Fueron desarrollados para extender la estabilidad a la temperatura de los lodos poliméricos convencionales. Se diseñaron para ser más tolerantes a los contaminantes y además de ser inhibidores. Proveen de estabilidad en zonas donde también lo hacen los lodos base aceite, en cuales casos resultan más atractivos por razones de seguridad y medioambiente. A temperaturas sobre los 375 °F sistemas sintéticos son preferidos a muchos sistemas desfloculados de lignito o lignosulfonato por ser rápidamente
12
degradados. Los desfloculantes sintéticos son más caros, pero ofrecen mayores beneficios económicos. Para densidades que exceden las 16 lb/gal, el contenido de bentonita debe ser menos a 10 lb/bbl y este contenido debe de decrecer con el incremento de la densidad. EL Phoebe ser controlado en los rangos de 9 – 11. Algunos de los más comunes sistemas de polímeros desfloculados de alta temperatura son: Therma-Drill, Pyro-Drill, Duretherm y Polytemp. 3. FLUIDOS BASE ACEITE Un fluido base aceite puede ser definido como un fluido de perforación el cual contiene aceite (petróleo, diesel, etc.), como fase continua o externa y agua (si esta presente), como fase discontinua o interna. Los sólidos de un fluido base aceite son petróleos húmedos, todos los aditivos son dispersables en aceite y el filtrado de lodo es aceite. El agua, si esta presente, esta emulsificado en la fase del petróleo. Existen dos clasificaciones básicas para los fluidos base aceite:
Emulsión Inversa.- Son lodos de petróleo que son formulados para contener moderadas a altas concentraciones de agua la cual puede contener sal como cloruro de calcio (CaCO3) o Cloruro de Sodio (ClNa). Una emulsión inversa puede contener como mucho 60% de agua.
Lodos enteros de aceite.- Tienen petróleo como fase continua, pero están diseñados para estar libres de agua. Materiales asfálticos son necesario para el control de la viscosidad y del filtrado. 3.1. APLICACIONES DE LOS FLUIDOS BASE ACEITE El costo de los fluidos base aceite es mayor. Inicialmente el costo por barril de una lodo base aceite es muy alto en comparación con sistemas convencionales base agua. Sin embargo los lodos base aceite pueden ser reacondicionados y rehusados y el costo en programas de pozos multilaterales puede compararse al uso de sistemas de lodo base agua. Estabilidad de las Arcillas.- Son los fluidos mas recomendados para perforar arcillas sensibles al agua, debido a que su formulación con agua salada, previene el movimiento del agua hacia las arcillas. Regimenes de Penetración (ROP).- Usualmente pueden perforar más rápidamente que los fluidos base agua y proveer una excelente estabilidad de las arcillas. Los fluidos base aceite son especialmente usados para perforar con trépanos PDC. Altas Temperaturas.- Tiene la habilidad de perforar formaciones donde las temperaturas del fondo del pozo exceden la tolerancia de los fluidos base agua. Son usados a temperaturas aproximadas de 550ºF. Además toleran la presencia de contaminantes como anhidrita, sal, CO2 y gases ácidos (H2S). 13
Perforación de Domos Salinos.- Los fluidos base aceite proveen un mejor calibre de agujero sin lavar la formación salina. La formulación con agua salada evita la dilución de sal de formación dentro de la fase acuso emulsificada. Lubricación.- Ofrece una alta lubricidad (reduce la fricción entre la pared del pozo y las tuberías). Esto lo hace especial para pozos altamente desviados y horizontales. La alta lubricación reduce el riesgo de pegas por presión diferencial. Control de la Corrosión.- La corrosión de las tuberías es controlada, el fluidos base aceite actúa como escudo sobre las tuberías. Los aditivos de estos fluidos son muy estables térmicamente y no se degradan generando productos corrosivos, además, las bacterias no prosperan en los fluidos base aceite. Re-uso.- Los fluidos base aceite pueden ser reacondicionados para ser usados una y otra vez. Pueden ser guardados por largos periodos de tiempo. Perforación de Formaciones con Baja Presión (Subnormal).- Las densidades de estos fluidos pueden ser bajos hasta 7,5 lb/gal, permitiéndoles perforar formaciones con presiones subnormales. 3.2. DESVENTAJAS DE USAR FLUIDOS BASE ACEITE
El costo inicial de los fluidos base aceite es alto, especialmente en formulaciones basadas en aceites minerales o sintéticos. La capacidad de detección de surgencias o brotes se reduce por el uso de lodo base aceite, debido a que el gas es soluble en el lodo. Estos lodos se hacen aún mas costosos cuando ocurren perdidas de circulación. Hoy en día con el aumento de la preocupación por el cuidado medioambiental hacen que el uso de estos sistemas estén prohibidos en muchas áreas. Además existen áreas que requieren que el lodo y los recortes sean contenidos, manejados y dispuestos en lugares aprobados. Se deben tomar precauciones especiales de cuidado en el contacto con la piel, lo cual puede promover reacciones alérgicas. La inhalación de vapores de hidrocarburos pueden ocasionar irritaciones. Los lodos base aceite pueden dañar las partes de goma del sistema de circulación. Se deben realizar modificaciones especiales a los equipos de perforación para minimizar las perdidas de lodo. Los principales registros eléctricos (SP, Resistividad y Dipmeter), no pueden ser corridos en fluidos base aceite.
3.3. DESCRIPCIÓN DE LOS ADITIVOS DE UN LODO BASE ACEITE Los lodos base aceite requieren de aditivos especiales. Estos aditivo deben de asegurar que la emulsión sea estable y puedan soportar las condiciones de alta temperatura y contaminación. Estos aditivos deben ser dispersables en la fase continua del fluido.
14
Emulsificante Primario.- Están compuestos por jabones de calcio. Son elaborados en la emulsión a través de la reacción de la cal con una cadena larga de ácidos grasos. Emulsificante Secundario.- Son químicos poderosamente humectantes del petróleo. Típicamente están compuestos por Poliamidas. Lignitos Organofílicos.- Usados como aditivos controladores de filtrado a altas temperaturas. También ayudan a la emulsificación del agua especialmente a altas temperaturas. El lignito es tratado con aminas para hacerlo dispersable en petróleo. Este aditivo puede usarse en altas concentraciones sin que cause una elevada viscosidad (+/- 20 lb/bbl) Aditivos Asfálticos para perdidas de Fluidos.- Generalmente consisten de gilsonita o derivados asfálticos. La gilsonita tiene una alta estabilidad a la temperatura (400 ºF), en comparación al asfalto que no es estable por encima de los 350 ºF. Las elevadas concentraciones pueden causar excesiva viscosidad y gelación del lodo, por lo general no se excede de las 15 lb/bbl. Gelantes Organofilicos.- Son constructores de viscosidad hechos de bentonita, hectorita o atapulguita tratados con aminas para hacerlos dispersables en petróleo. Agentes Humectantes.- Aditivos suplementarios que de manera rápida y eficiente humectan con petróleo los sólidos antes de ser humectados con agua. Los aditivos sólidos y densificadores se humectan naturalmente con agua y estos agentes humectantes desplazan el agua y lo reemplazan con una capa de petróleo. Viscosificantes Poliméricos.- Son aditivos que incrementan la viscosidad en los fluidos base aceite en presencia de bentonita organofílica, especialmente cuando su rendimiento se reduce por las altas temperaturas mayores a 400 ºF. El poliestireno sulfonatado de alto peso molecular es efectivo a temperaturas mayores a los 250 ºF. Modificador de la Reología.- Son ácidos grasos de bajo peso molecular. Generan el aumento total de la viscosidad.
3.4. TIPOS DE PETRÓLEOS BASE USADOS A continuación se describen los petróleos base usados en la formulación de los fluidos base aceite: Petróleo Crudo.- Puede ser usado en lugares donde el diesel no esta disponible en suficientes cantidades para formular y mantener un sistema de lodo base aceite. Petróleos Refinados.- Estos son el diesel o kerosén, los cuales son mas comúnmente usados para formular y mantener un fluido base aceite. Aceites Minerales.- Tienen un contenido aromático menor que el diesel y son considerados menos tóxicos que el diesel. Además tienen una viscosidad menor que el petróleo crudo o el diesel. Ambientalmente son mas aceptables que el diesel o el petróleo 15
Aceites Sintéticos.- Son compuestos orgánicos no petroleros, que se comportan como un derivado del petróleo en las operaciones de perforación, pero son fácilmente biodegradables en agua de mar. Son mas caros que los lodos OBM convencionales. No son térmicamente estables. Presentan altas viscosidades a temperatura ambiente, pero esta desciende con la temperatura.
Aditivos Principales de un Lodo Base Aceite (Sistema Versamul - MI) (35% en peso de CaCl2; pureza de sal de 96%) Aditivo
Función
70:30
80:20
90:10
Versamul (lb/bbl)
6–8
8 – 10
8 – 10
Emulsificante Primario
Versacoat (lb/bbl)
1–2
1–2
2–3
Agente Humectante
Cal (lb/bbl)
6–8
8 – 10
8 – 10
Alcalinizante
VG-69 (lb/bbl)
2–4
2–3
1 – 1,5
Arcilla Organofilica
Versatrol (lb/bbl)
4–6
6–8
8 – 10
Controlador de Filtrado
4. FLUIDOS NEUMATICOS Los Fluidos Neumáticos (Base Aire/Gas) son usados en la perforación de zonas depletadas (Perforación Bajo Balanceada) o áreas donde pueden encontrarse formaciones con presiones anormalmente bajas. Una ventaja de los fluidos neumáticos sobre los sistemas de lodos líquidos puede verse en el incremento del régimen de penetración. Los recortes son literalmente soplados de la superficie cortante de la cabeza del trepano como resultado de la enorme presión diferencial. Las altas presiones diferenciales permiten que los fluidos de formación de zonas permeables fluyan dentro del pozo. Los fluidos Base Aire/Gas son ineficientes en áreas donde se encuentran grandes volúmenes de fluido de formación. Un gran influjo de fluidos de la formación requiere convertir el fluido neumático en un sistema de fluidos base líquido, lo que ocasionaría un incremento en las perdidas de circulación o el daño a las zonas productivas. Los fluidos neumáticos no son recomendados para pozos mayores a 10000 pies porque el volumen de aire requerido para levantar los recortes desde el fondo del pozo llega a ser tan grandes que la capacidad de entrega del equipo de superficie no abastece. Para perforar con fluidos neumáticos, se requiere de la implementación de equipos adicionales a los usados con los fluidos de perforación convencionales, como ser: compresores y potenciadores, cabezas rotatorias, bombas de inyección de químicos (para agentes espumantes o inhibidores de corrosión) y generadores de espuma. De todos el compreso es el elemento mas importante y costoso. 16
Los tipos de fluidos de perforación neumáticos son:
Aire Seco (Aire o Gas Natural). Niebla. Espuma. Lodo Aireado (Gasificado)
Las ventajas de usar este tipo de fluidos incluye:
Mayores velocidades de penetración. Mayor Vida del Trepano. Mejor control en áreas de pérdidas de circulación. Daño a la formación mínimo (usualmente) a las zonas productoras. Evaluación inmediata y continua de los hidrocarburos.
4.1. Fluidos de Perforación de Aire Seco Usado para perforar formaciones duras, donde no se espera encontrar flujos de agua o petróleo o en áreas donde la perforación de zonas acuíferas es escaso. Este sistema usa aire seco o gas natural para enfriar y lubricar el trepano, remueve los recortes alrededor del trepano y los acarrea a superficie donde son atrapados en redes especiales al final de la línea de flujo. 4.2. Fluidos de Perforación Tipo Niebla Usados para perforar zonas que producen mas agua y que pueden ser adecuadamente absorbidos a través de la adición de un agente secante. Se inyecta 17
agua en superficie para permitir generar niebla; la cantidad de agua a inyectar dependerá del tamaño del agujero, tipo de formación, régimen de penetración, etc. La intrusión de mayor cantidad de agua, requiere convertir este tipo de lodo en un fluido tipo espuma. 4.3. Fluidos de Perforación Tipo Espuma Se diferencia del fluido tipo niebla en el sentido que la espuma puede contener una mezcla de agua, polímeros, arcillas, surfactantes e inhibidores de la corrosión. Se puede hacer la transición de un fluido tipo niebla a un fluido tipo espuma cuando nos encontremos con problemas de erosión del pozo, inadecuada limpieza del pozo, pérdidas de fluido o influjos de agua. 4.4. Fluidos de Perforación Gasificados o Aireados El aire o gas pueden ser usados para reducir la densidad del lodo y por ende la presión hidrostática del lodo. Este sistema puede ser usado cuando las condiciones del fondo del pozo prohíban el uso de gas seco, niebla o espuma. Los gases que mas se usan para inyectar al lodo son el aire y el nitrógeno.
Ventajas y Desventajas de Perforar con Fluidos Aireados Gas Seco Vs. Lodos Líquidos Ventajas
Desventajas
Alta ROP en formaciones secas
No tolera el agua
Fluido de Bajo Costo
Problemas de ruido y polvo en la locación
Mayor Vida del Trepano
Excesiva erosión en el tope del pozo.
Fácil de correr
Se pueden provocar incendios en el fondo del pozo, al encontrar hidrocarburos
Menores problemas para la disposición La limpieza del pozo dificulta determinar de lo desechos la cantidad de recorte removido Identificación inmediata y continua de Requiere personal con experiencia los hidrocarburos Limita la caracterización del reservorio debido a que los recortes son pulverizados.
Elimina las perdidas de circulación
Requiere de equipo especial adicional en el pozo
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Ventajas y Desventajas de Perforar con Fluidos Aireados Niebla Vs. Aire Seco Ventajas
Desventajas
Todas las ventajas presentadas por lo Requiere mayor volumen de aire fluidos de aire seco Grandes influjos de agua son mas Es corrosivo manejables Mayor interacción entre el agua y las arcillas Aditivos químicos incrementa costo
Ventajas y Desventajas de Perforar con Fluidos Aireados Espuema Vs. Niebla o Aire Seco Ventajas
Desventajas
Potencialmente constructora de revoques
Incrementa los costos del lodo y de químicos. Pierde la capacidad de acarreo de sólidos cuando se encuentran petróleo, gas o contaminación por calcio.
5. FLUIDOS ESPECIALES - FLUIDOS DE EMPAQUE Son lodos diseñados para ser dejados en el espacio anular entre la tubería de producción y el revestimiento. Las funciones primarias de un fluido de empaque incluyen proveer el control de la presión de la formación, prevenir el colapso de la tubería de revestimiento y el reventón de la sarta de producción, así como proteger de la corrosión y facilitar la recuperación de la sarta de producción. Un buen fluido de empaque no debe ser corrosivo, debe ser estable con el tiempo y la temperatura, no debe permitir que los sólidos caigan sobre el packer, además que debe ser económico. Adicionalmente el fluido debe poder ser bombeado y no debe dañar los sellos del empaquetador.
5.1. Propiedades de los Fluidos de Empaque
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Las propiedades más adecuadas para diseñar los fluidos de empaque deben se las siguientes: a) b) c) d) e) f) g)
Estable a condiciones de elevada temperatura y presión. No ser corrosivo. Que evite la formación de Bacterias. Que este libre de sólidos indeseables. Que no cause daños a las formaciones productoras. Que no dañe al medio ambiente. Que facilite la recuperación de la sarta de producción
5.2. Tipos de Fluidos de Empaque Los fluidos de empaque pueden ser base agua y base aceite. Los base aceite presentan una mayor estabilidad que los fluidos preparados con agua. La elección del tipo de fluido depende de la naturaleza del diesel ya que es un solvente no polar. Los fluidos base agua, por su naturaleza química, requieren el empleo de agentes químicos especiales como los inhibidores de corrosión, alcalinizantes, secuestrantes de gases (O 2, CO2 y H2S) y algunos biocidas y viscosificantes como complementos, para cumplir sus funciones como fluidos de empaque de manera eficaz. Las características de los fluidos base aceite y base agua son los siguientes: Base Aceite a) b) c) d)
Emulsiones libres de sólidos, con densidades de 0,84 a 0,94 gr/cc. Diesel o aceite estabilizado, deshidratado, con densidades de 0,84 gr/cc. Son particularmente usados en pozos profundos y con altas temperaturas. Son mínimanente corrosivos y no son susceptibles de degradación bacteriana.
Base Agua a) b) c) d)
Agua tratada con densidad de 1,0 gr/cc. Salmuera Sódica, con densidad de 1,03 a 1,19 gr/cc. Salmuera Cálcica, densidad 1,2 a 1,39 gr/cc. Salmueras mezcladas de 2 o 3 tipos de sales: CaCl2.CaBr2.ZnBr2, que varía su densidad desde 1,31 hasta 2,30 gr/cc.
Una de la ventajas principales de los fluidos de empaque base agua, es que no dañan el medio ambiente y son de menor costo. En la actualidad son los de mator demanda.
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