BOLILLA N°8 USO DE MINERALES EN PERFORACIONES Introducción. Las perforaciones se pueden definir en forma general como la realización de un pozo, sondeo u orificio en el subsuelo por medio de alguna herramienta o sistema perforante, con una finalidad determinada. Existen distintos tipos de perforaciones: petroleras, mineras, hídricas, geotécnicas, geotérmicas e ingenieriles, cada una para un propósito definido, utilizando equipos de dive divers rsa a enve enverg rgad adur ura, a, con con cara caract cter erís ístic ticas as prop propia ias. s. Por Por su magn magnititud ud,, los los equi equipo poss perforantes mas grandes y costosos son los que se utilizan en la actividad petrolera, exceptuando por supuesto, las tuneleras especiales que se emplean excepcionalmente en la construcción de túneles atravesando, ríos estrechos o montañas.
Cabina de control
Las perforadoras de túneles taladran la roca con un cabezal de corte. El cabezal giratorio, que puede tener más de 5,5 m de diámetro, está dotado de varias cuchillas diamantadas en forma de disco. A medida que la máquina va perforando la roca, unas cintas transportadoras alejan los fragmentos del cabezal. Según avanza la perforadora se cons constr truy uyen en nuev nuevos os segm segmen ento toss de horm hormig igón ón para para reve revest stir ir y sost sosten ener er el túne túnel.l. Los Los segmentos ofrecen además una superficie firme para que se apoye la perforadora, que a veces avanza a más de 5 m por hora. Por Por la impo import rtan anci cia a espe especí cífifica ca que que tien tiene e el uso uso de algu alguno noss mine minera rale less en las las perf perfor orac acio ione ness petr petrol oler eras as,, en esta esta opor oportu tuni nida dad d se trat tratar arán án sola solame ment nte e las las mism mismas as,, prescindiendo de los otros tipos de perforaciones anteriormente señaladas. Las perforaciones petroleras perforan normalmente para encontrar petróleo o gas, dos dos recu recurs rsos os del del rein reino o mine minera ral.l. Se pued pueden en dist distin ingu guir ir dist distin into toss tipo tiposs de equi equipo poss perforantes, los que perforan o sondean en tierra o costa afuera, en el mar. Los mismos pueden ser grandes, que perforan pozos profundos (7.000 m. o más), o relativamente pequeños, que perforan pozos menos profundos (1.500 – 3.000 m. Se distinguen 6 tipos de torre torress de perf perfor orac ació ión: n: terr terres estre tres, s, auto autoel elev evad adiz izas as,, plat plataf afor orma mas, s, sume sumerg rgib ible les, s,
semisumergibles y buque de perforación, todas ellas con características particulares y otras en común.
Perfoforación terrestre. Pozo Guadalupe X 1001 – Prof. Salvador Mazza. Entre las características comunes que poseen estos equipos están sus principios de funcionamiento, sarta de herramientas y circuitos de los lodos de inyección. Se presenta a continuación un esquema generalizado de los componentes básicos de un equipo perforante:
Sistema de Circulación 11. Tanques de lodo 2. Bombas de lodo 3. Tubo vertical 14. Manguera de perforación 5. Almacenamiento Almacenamiento de lodo a granel 16. Línea de retorno de lodo 7. Zaranda 18. Deslimador1 Deslimador 19. Desarenador 10. Desgasificador 11. Tanques de reserva
Equipo Rotatorio 12. Unión giratoria 13. Kelly 14. Buje de junta Kelly 15. Mesa rotatoria
Sistema de Levantamiento 16. Bloque de corona 17. Plataforma del torrero 18. Bloque viajero 19. Gancho 20. Malacate 21. Subestructura 22. Cable de perforación
Equipo de Control de Pozo 23. Preventor anular 24. Preventores de reventones de ariete 25. Unidad de acumulación 26. Múltiple de estrangulamiento estrangulamiento 27. Separador de lodo-gas
Sistema de Energía 28. Generadores
Tuberías y Equipo de Manejo de Tuberías 29. Tarimas para tuberías 30. Planchada 31. Puerta central 32. Ratonera
Varios 33. Caseta 34. Sótano 35. Cable de levantamiento
Perspectiva esquemática de un equipo de perforación rotatoria (según Petex).
Las Las funcio funciones nes del fluido fluido de perfor perforaci ación ón descri describen ben las tareas tareas que que el fluido fluido de perforación es capaz de desempeñar, aunque algunas de éstas no sean esenciales en cada pozo. La remoción de los recortes del pozo y el control de las presiones de la formación son funciones sumamente importantes. Aunque el orden de importancia sea determinado por las condiciones del pozo y las operaciones en curso, las funciones más comunes del fluido de perforación son las siguientes: 1. Retirar los recortes del pozo. 2. Controlar las presiones de la formación. 3. Suspender y descargar los recortes. 4. Obturar las formaciones permeables. 5. Mantener la estabilidad del agujero. 6. Minimizar los daños al yacimiento. 7. Enfriar, lubricar y apoyar la barrena y el conjunto de perforación. 8. Transmitir la energía hidráulica a las herramientas y a la barrena. 9. Asegurar una evaluación adecuada de la formación. 10. Controlar la corrosión. 11. Facilitar la cementación y la terminación. 12. Minimizar el impacto al ambiente. Para enfriar y lubricar continuamente la barrena y retirar los recortes del agujero, se bombea un fluido de perforación (lodo) dentro de la columna de perforación. Al alcanzar la barrena, barrena, este lodo pasa a través través de las toberas de la barrena, barrena, choca contra el fondo fondo del agujero y luego sube en el espacio anular (el espacio entre la columna de perforación y la pared del pozo), acarreando los recortes que están suspendidos en él. En la superficie, se filtra el lodo con zarandas y otros dispositivos que eliminan los recortes, y luego se bombea de nuevo dentro del pozo. Los lodos pueden ser de dos tipos distintos: en base de agua (inyección directa), o en base de gas oil (inyección inversa). Los lodos no están constituidos solamente por cualquiera de estos dos líquidos sino que llevan consigo, además de los recortes del terreno que el trépano en su avance va liberando (cutting), una serie de compuestos líquid líquidos os y/o sólido sólidoss (aditiv (aditivos os de la inyecc inyección ión), ), inorgá inorgánic nicos os u orgáni orgánicos cos,, natura naturales les o sintéticos. Algunos de estos aditivos de la inyección, son minerales o rocas, compuestos inorgánicos formados por procesos naturales. El desarrollo del tema de esta clase se limitará principalmente a tratar algunos de los los comp compon onen ente tess mine minera rale less más más comu comune ness de util utiliz izar ar o enco encont ntra rarr en los los lodo lodoss de perforaciones petroleras.
Uso de algunos minerales y recursos minerales en las perforaciones. Mineral Composición Clase Uso Características Diamante
C
Wolframita
FeMn(WO)4
I – Elementos nativos VII – Sulfatos (cromatos wolframatos y molibdatos)
Como insertos en brocas Como insertos en brocas y aleaciones o revestimientos en barras de perforación.
Dureza 10 abrasivo Es muy duro y abrasivo. Fabricación de carburo de tungsteno y aplicación en herramientas duras.
En lodo de inyección de emulsión directa es la fase continua.
Es el medio dispersante en la inyección en base agua. Refrigerante. Como un viscosificante suave en las inyecciones inversas.
Agua
H2 O
Recurso natural
Gas oil
HC
Recurso natural
Bentonita
(AlMg)8(Si4O10)4(OH)8.12H2O
Calcita
CaCO3
Bariritina
BaSO4
Galena
SPb
En lodo de Es el medio inyección de dispersante en la emulsión inversa, inyección en base es la fase gas oil. Es un continua. lubricante en la Combustible. inyección en base En limpieza. agua. Ceniza vo volcánica En lodos de Aumenta su alterada inyección como volumen varias compuesta viscocificante. veces al principalm. por sumergirse en montmorillonita agua. (IX – Silicatos) V - Carbonatos En lodos de G: 2,71 inyección como Soluble en HCl y un densificante ácido cítrico. suave No es tan (Muy usado) contaminante para la formación. VII - Sulfatos En lodos de G: 4,5 es muy inyección como contaminante para un densificante la formación por medio. que disminuye la porosidad de la misma, ya que no se disuelve fácilmente. II - Sulfuros
En lodos de inyección como un densificante alto.
G: 7,4 -7,6 Nombre comercial: Piedra galena. Es muy contaminante para la formación por Que disminuye la porosidad de la misma, ya que no
se disuelve fácilmente. Hematita
Halita
Silvita
Moscovita
Cuarzo
Cloro radiactivo
Cal
Puzolana
Yeso
Otro Otross
Fe2O3
IV - Óxidos
En lodos de G: 5,26 inyección como Nombre comercial: un densificante Densimax o medio. Fer - Ox ClNa III -Halogenuros. Para saturar la Soluble en agua. inyección al perforar formaciones salinas. También en fluidos de terminación de pozos como inhibidor. ClK III -Halogenuros. En fluidos de terminación de pozos como inhibidor, quitándole corrosión y peso. KAl2 AlSi AlSi3O10(OH)2 IX- Silicatos En lodos de Exfoliación perfecta perforación como y hábito hojoso. material obturante. SiO2 IX- Silicatos En cementación, G: 2,65 para darle dureza H:7 al tapón de Resistente al cemento. ataque físico y También para químico. fracturar las formaciones, como elemento sostén. Cl III - Halogenuros Como elemento trazador para determinar pérdidas de circulación. CaO Producto Como reductor Soluble en ácido. derivado de la de filtrado. Reacciona con CaCO3 880°C CaO + CO2 Calc Calcin inac ació ión n de Como inhibidor al agua en las rocas perforar inyecciones carbonatadas formaciones directas. Caliza y dolomía. calcáreas. Rocas ricas en sílice. Tobas, tierra de Se utilizan apara También mejoran diatomeas, alivianar o bajar las propiedades de harina fósil, la densidad de fragüe del gaize. las lechadas de cemento. cemento cuando exísten formacio nes que no soportan altas densidades. CaSO4.2H2O VII-Sulfatos. Como material de Mezclado con cementación en l agua, fragua perforaciones endureciendo mineras. rápidamente. Exis Existe ten n muc mucho hoss com compu pues esto toss ino inorg rgán ániicos cos si sintét ntétiicos cos y tambi ambié én org orgán ániicos cos que que se se uti utililiza zan n en en las perforaciones (cascara de arróz, cascara de nuez, celofán, celulosa como obturantes, Linosulfonato (a temperaturas < a 200°C) y cromolinosulfonato soporta temperaturas > a 200°C pero es muy contaminante) como dispersantes, etc.
Ejemplos de usos de algunos minerales. Barrenas: diamante y carburo de tungsteno. Al girar bajo el peso de la columna de perforación, la barrena rompe o raspa la roca que está por debajo. Cuando se hace referencia a las barrenas en base a los tipos de dientes que tienen, se usan los siguientes términos: (1) dientes de inserto y (2) barrenas de carburo de tungsteno (TCI -Tungsten Carbide Insert). Las barrenas de dientes fresados, tienen dientes que son maquinados a partir del mismo lingote metálico que el cono (ver la Figura 4c). En algunos casos, los dientes son revestidos con metal duro para aumentar la vida útil. Este tipo está diseñado para formaciones suaves a medianamente duras donde los dientes largos pueden ranurar la roca. Los dientes de las barrenas de dientes de insertos son en realidad espárragos de carburo de tungsteno insertados en agujeros perforados dentro de los conos (ver la Figura 4a). Las barrenas TCI perforan generando una acción de trituración para formaciones más duras y más abrasivas. Algunas barrenas de dientes de insertos son mejoradas con insertos especiales caracterizados por la aplicación de una capa de diamante policristalino sobre el carburo de tungsteno. Esto les proporciona una vida útil aún más larga que el carburo de tungsteno solo.
Barrenas de diamante y PDC. Las barrenas de cortadores fijos con superficies cortantes de diamante son usadas para la perforación de formaciones medianamente duras a duras, cuando se requiere una vida útil extra larga de la barrena, o para operaciones especiales de extracción de núcleos. Las barrenas de cortadores fijos de una pieza usan fragmentos de diamante natural o pastillas de diamante sintético como cortadores. Las barren barrenas as de diaman diamante te natura naturall usan usan diaman diamantes tes natura naturales les de cal calida idad d indust industria riall dispuestos en una matriz de acero, de la manera indicada en la barrena sacanúcleos de diamantes naturales de la Figura 4d. Durante la rotación, los diamantes naturales expuestos raspan y trituran el pozo. Los cortadores de diamantes sintéticos, llamados Cortadores de Diamantes Policristalinos (PDC), (PDC) , están configurados de manera que los cortadores rompan por esfuerzo cortante la roca que está por debajo de la barrena, produciendo recortes de gran tamaño y grandes velocidades de penetración (ver la Figura 4b). Las barrenas de PDC tienen gran demanda para perforar en muchos tipos de rocas, pero especialmente en largas secciones de formaciones medianamente duras a duras. Las barrenas de PDC son muy durables y eficaces, ofreciendo mayores velocidades de penetración y una larga vida útil. Se fabrican barrenas de PDC de distintos diseños para optimizar la perforación en formaciones particulares. Típicamente, las barrenas de PDC perforan con mayor rapidez en las lutitas que en las areniscas, y se usan con mayor frecuencia para perforar largas secciones de lutita. Ambos tipos de barrenas de diamante funcionan de una manera similar a las antiguas barrenas de arrastre “cola de pescado”, porque perforan raspando la roca.
4a: Barrena para rocas (tipo TCI).
4b: Barrena de PDC.
4c: Barrena para rocas de dientes fresados.
4d: Barrena sacanúcleos de diamantes naturales.
Refuerzo de diamantes sintéticos policristalinos
Cuerpo de carburo de tungsteno
Broca fija con PDC. Policristalino.
Detalle de un Cortador Compacto de Diamante
Densificante: hematita El FER-OX es un material densificante, de óxido de hierro pulverizado (hematita), con gravedad específica de 5 o más alta. A causa de la elevada gravedad específica, los lodos que se espesan con FER-OX contienen menos sólidos y frecuentemente rinden regímenes de penetración (RP) más altos que los de barita. El FER-OX se puede usar en cualquier sistema del lodo en vez de la barita o mezclado con ella. El FER-OX se muele, e procesa para removerle las impurezas y seguidamente se clasifica para lograr la distribución deseada de los tamaños de las partículas. Propiedades físicas típicas. Aspecto físico Seco: polvo rojo a pardo. Mojado: gris a negro. Lodo: rojizo-pardo obscuro Dureza de las partículas . . . . . . . . . . 5 – 6, escala MOHS (1-10) Densidad a granel . . . . . . . . . . . . . . 2.291 Kg/m3 (143 lbs/pie3) Especificaciones Gravedad específica . . . . . . . . . . . . . 5,0 Tamaño de las partículas . . . . . . . . . <1,5% en peso, malla >200 (>75 micrones) <15% en peso, malla ~325 (>45 micrones) <15% en peso <6 micrones Dureza en solución (calcio) . . . . . . . <100 mg/Kg
PROPIEDADES
Aplicaciones.
El FER-OX se puede usar en cualquier clase de lodos de perforación y de terminación de pozos, incluso los de agua dulce, de agua salada y a base de aceite, para aumentarles hasta 3,0 la gravedad específica (25 lbs/gal). El FER-OX se usa más frecuentemente en lodos pesados a base de aceite. Los lodos que se espesan con FER-OX contienen menos sólidos por volumen que los densificados con baritina, hecho que facilita la preparación de fluidos más pesados, especialmente efectivos para matar pozos.
Densificante: baritina El M-I BAR es un material densificador de alta calidad, grado perforación (sulfato de bario), que se usa para aumentar el peso de los lodos de perforación. Este material, de alta gravedad específica, es el que más se usa para espesar (densificar) el lodo y se puede usar en cualquier sistema de fluidos de perforación. El M-I BAR satisface las especificaciones del API para barita.
Propiedades físicas típicas. Aspecto físico . . . . . . . . . . . . . . . . . Polvo de varios colores claros: gris, rosado y canelado Densidad a granel . . . . . . . . . . . . . . . 1.714 – 2.162 Kg/m3 (107 – 135 lbs/pie3) Especificaciones Especificaciones API Gravedad específica . . . . . . . . . . . Mínima de 420 gr/cm3 Solubilidad de material duro (calcio) . . . . . . . . …Máxima de 250 mg/Kg Partículas >75 micras (malla mojada) . . . . . . . . . . . . …… Máximo de 3% en peso Partículas de <6 micras (sedimentación) . . . . . . . . . …… . . Máximo de 30% en peso
A
El M-I BAR se usa para aumentar la densidad de cualquier sistema de lodo. En casi todos los fluidos de perforación se pueden alcanzar pesos de hasta 20 lbs/gal (gr esp de 2,40) sin afectar su aptitud para fluir bien. El M-I BAR es también excelente en operaciones de control de pozos para formular fluidos de matar pozos y tapones de barita cuyo peso puede puede llegar llegar a 22 lbs/gal lbs/gal (gr esp de 2,64). 2,64). Al agregar agregar M-I BAR, el volume volumen n aument aumenta a aproximadamente 0,25 m3/ton. mét.(1,4 bls/ton). El aumento de densidad puede requerir suficiente dilución con agua o con el fluido de base para mojar debidamente la barita que se agrega.
Control de Filtración - Obturante: moscovita Una de las funciones básicas del fluido de perforación es sellar las formaciones permea permeable bless y contro controlar lar la filtrac filtración ión (pérdid (pérdida a de filtra filtrado) do).. Los proble problemas mas poten potencia ciales les relacionados con los revoques gruesos y la filtración excesiva incluyen las condiciones de pozo pozo redu reduci cido do,, el aume aument nto o del del torq torque ue y arra arrast stre re,, tube tuberí rías as pega pegada das, s, la pérd pérdid ida a de circulación, la calidad inferior de los registros y daños a la formación. Con frecuencia se requiere un control adecuado de la filtración y la deposición de un revoque delgado de baja permeabilidad para evitar los problemas de perforación y producción. Uno de los obturantes minerales usados es la moscovita, la que por su hábito hojoso actúa en forma de tapón obturando las zonas de filtrado. fi ltrado. Se utilizan también otros compuestos. Bentonita, polímeros, almidón, celulosa, resinas, diluyentes químicos, etc.
Estimulación de pozo por fracturación hidráulica: cuarzo Objetivo Incrementar la productividad del pozo creando una fractura de elevada conductividad, luego se coloca dentro del canal creado un agente de sostén (CUARZO, BAUXITA o BOLITAS DE VIDRIO) que impide que este se cierre.
Perforación fracturada
PRESION
Arena de cuarzo como agente de sostén
Roca sin fracturar
Agentes de sostén: Los agentes de sostén son utilizados para mantener la fractura abierta y proporcionar conductividad una vez finalizado el tratamiento. Requisitos de los agentes de sostén: • Tenga una permeabilidad superior a la permeabilidad de la formación, siendo para ello uniforme en tamaño y redondeado. redondeado.
•
Sea de una resistencia suficiente a la compresión, como para que no se rompa con la presión de confinamiento.
•
Sea inerte a los fluidos de formación, fracturación y/o de eventuales tratamientos químicos.
•
Sea de un bajo costo.
Tipos de agentes de sostén:
•
Arena (Sílice (Sílice – Cuarzo)
•
Bolitas de vidrio
•
Bauxita (Roca mezcla de diásporo, gibbsita y bohemita – Óxidos de aluminio hidratados – En agregados pisolíticos.)
Selección del agente de sostén: la generación de una grieta de dimensiones adecuadas sin dañar la formación, el transporte del entibador y su distribución optima son aspectos importantes del diseño. No obstante el agente de sostén es el único elemento que queda en la fractura y es el responsable del incremento de la productividad. Tipo de agente de sostén: la selección de un determinado agente de sostén esta influenciad influenciado o principalmente principalmente por las elevadas elevadas presiones presiones de confinamie confinamiento, nto, el tipo de formación y por ultimo el costo. La arena limpia y de buena calidad es una alternativa muy económica y disponible en casi todos los yacimientos del mundo. La bauxita sintetizada tiene densidad mayor mayor a la arena y su costo es varias varias veces superior a este. Arena (Cuarzo) •
ventajas: - todo tipo de reservorio. - barata. - fácil disponibilidad.
•
limitaciones: - rotura. - empotramiento.
•
alternativas: - entibadores de alta resistencia. - multicapa.
Uso de dos agentes de sostén. Conductividad mejora mejora cuanto mas uniforme sean los granos del entibador . Por lo tanto no es recomendable la mezcla de entibadores.
•
Cuando se emplean dos agentes de sostén de tamaño distinto estos no se inyectan simultáneamente si no uno después del otro. Comenzando por el de menor tamaño y secundado por el de mayor tamaño que mejora la conductividad.
•
Proporción de viscosidad, estructura de gel y control de filtrado al lodo: arcillas Un entendimiento riguroso de las arcillas puede ser la herramienta más valiosa del ingeniero de lodos. La arcilla puede ser añadida intencionalmente, tal como en el caso de M-I M-I GEL® GEL®,, o pued puede e entr entrar ar en el lodo lodo como como cont contam amin inan ante te impo importa rtant nte e medi median ante te la dispersión de los sólidos de perforación. En cualquier caso, la arcilla se convierte en una parte activa del sistema. Por este motivo, es necesario entender la química básica de las
arcillas para controlar correctamente los lodos base agua. La química de las arcillas también es importante en lo que se refiere a las interacciones entre los lodos base agua y las lutitas que afectan la estabilidad del pozo. Los minerales arcillosos son minerales de silicato alumínico de granos finos que tienen microestructuras bien definidas. En la clasificación mineralógica, los minerales arcillosos están clasificados como silicatos estratificados porque la estructura dominante se compone de camas formadas por capas de sílice y alúmina. Cada capa consta de una estructura laminar y delgada, llamada capa unitaria. unitaria. Por ejemplo, un mineral de silicato estratificado típico sería la mica o la vermiculita, las cuales pueden separarse en capas finas a lo largo de los planos de clivaje. La mayoría de los minerales arcillosos tienen una morfología laminar. Según las unidades repetidas de la estructura, los minerales arcillosos también se pueden clasificar de acuerdo a la relación de capas desílice a capas de alúmina, tal como 1:1,2:1 y 2:2, además de si estos minerales arcillosos son estratificados o en forma de aguja.
En la industria de fluidos de perforación, ciertos minerales arcillosos tales como la esmectita, uno de los principales componentes de la bentonita, son usados para proporcionar viscosidad, estructura de gel y control de filtrado. Las arcillas de la formación se incorporan inevitablemente en el sistema de fluido de perforación durante las operaciones de perforación y pueden causar varios problemas. Por lo tanto, los minerales arcillosos pueden ser beneficiosos o dañinos para el sistema de fluido. El término bentonita se usa para describir la montmorillonita sódica explotada comercialmente (la cual constituye una forma de esmectita) que se usa como aditivo para el lodo de perforación (por ej.: M-I GEL o M-I GEL SUPREME™). Geológicamente, la bentonita es una capa de ceniza volcánica alterada . Debido a sus pequeños tamaños de partículas, las arcillas y los minerales arcillosos son analizados con técnicas especiales tales como la difracción de rayos X, la absorción infrarroja y la microscopia electrónica. La Capacidad de Intercambio Catiónico (CEC), la adsorción de agua y el área superficial son algunas de las propiedades de los minerales arcillosos que suelen ser determinadas para lograr una mejor caracterización de los minerales arcillosos y minimizar los problemas de perforación. Existe un gran número de minerales arcillosos, pero los que nos interesan en relación con los fluidos de perforación pueden ser clasificados en tres tipos. El primer tipo consta de arcillas en forma de aguja no hinchables como la atapulguita o la sepiolita. sepiolita. Se cree que la forma de las partículas es responsable de la capacidad que la arcilla tiene para aumentar la viscosidad. “El tamaño natural de cristales finos y la forma de aguja hacen que la arcilla desarrolle una estructura de “escobillas amontonadas” en suspensión, demost demostran rando do así una una alta alta estabi estabilid lidad ad coloid coloidal, al, inclus incluso o en la presen presencia cia de una alta alta concentración de electrolitos. Debido a su forma y a sus características no hinchables, esta estass arci arcilla llass demu demues estr tran an un cont contro roll de filt filtra raci ción ón muy muy débi débil.l. Por Por este este motiv motivo, o, la atapulguita se usa principalmente como mejorador de viscosidad en los lodos base agua salada, salada, mientras que la sepiolita se usa generalmente como viscosificador suplementario para los fluidos geotérmicos y de alta temperatura.” temperatura.” Estas arcillas no están casi nunca presentes en las lutitas de las formaciones. M-I vende la atapulguita bajo el nombre SALT GEL®‚ y la sepiolitabajo el nombre DUROGEL®‚. El segundo tipo son las arcillas laminares no hinchables (o ligeramente hinchables): ilita, clorita y kaolinita y kaolinita.. El tercer tipo son las montmorillonitas laminares muy hinchables.
El segundo y el tercer tipo de minerales arcillosos se encuentran en las lutitas de las formaciones, en el orden siguiente y en cantidades decrecientes: (1) ilita, (2) clorita, (3) montmorillonita y (4) kaolinita. Como están presentes en las formaciones perforadas, estas arcillas se dispersan en cantidades variables dentro del sistema de fluido de perforación. La montmorillonita presente en las lutitas es generalmente la montmorillonita cálcica, porque está en equilibrio con el agua de la formación, la cual es generalmente rica en calcio. La montmorillonita sódica (bentonita de Wyoming, M-I GEL y M-I GEL SUPREME) también se añade normalmente a un lodo para aumentar la viscosidad y reducir el filtrado. Las propiedades de filtración y reológicas del lodo dependen de las cantidades de las diferentes arcillas contenidas en el lodo. Como la montmorillonita es añadida intencionalmente a un lodo para controlar estas propiedades, los otros tipos de arcillas pueden ser considerados como contaminantes, visto que no son tan eficaces como una arcilla comercial. La arcilla que existe naturalmente tiene una estructura apilada o estratificada, en la cual cada capa unitaria tiene un espesor de aproximadamente 10 angstroms (Å). Esto significa que cada milímetro de espesor consta de aproximadamente un millón de capas de arcilla. Cada capa de arcillas es altamente flexible, muy fina, y tiene un área superficial enorme. En agua dulce, las capas adsorben el agua y se hinchan hasta el punto en que las fuerza fuerzass que las mantie mantiene nen n unidas unidas se debili debilitan tan y las capas capas indivi individua duales les pueden pueden separarse de los paquetes. La separación de estos paquetes en múltiples capas se llama dispersión. Este aumento del número de partículas, junto con el aumento resultante del área superficial, causa el espesamiento de la suspensión. La Figura 1 es una fotomicrografía real de una partícula de bentonita. Nótese quese parece a una baraja de cartas abiertaen abanico. Se puede observar que varias de las partículas laminares se traslapan. Esta forma característica de las partículas es lo que produce el llamado efecto de “cinglado” que es tan importante para el control de filtrado.
Las arcillas pueden ser eléctricamente neutras o estar cargadas negativamente. Por ejemplo, la pirofilita [Al2Si4O10 – (OH)2], una arcilla neutra, es similar a la montmorillonita cargada negativamente. La hidratación y la dispersión de la arcilla seca son muy afectadas si el agua de preparació preparación n contiene contiene sal o varios iones metálicos. metálicos. En general, general, se puede decir que la hidratación de las arcillas a base de agua dulce disminuye rápidamente a medida que las concentraciones de estos iones aumentan . Este fenómeno es más obvio en las figuras siguientes. Estos ejemplos demuestran la hidratación de dos cubos idénticos de bentonita, el primero en agua dulce y el segundo en agua salada. Inicial
después de 72 hs.
Inicial
después de 72 hs.
Hidratación de la bentonita en agua dulce.
Hidratación de la bentonita en agua salada.
Cuando el agua de preparación es salada, se puede usar SALT GEL (atapulguita) para lograr la viscosidad. La atapulguita es un mineral único. Su estructura cristalina es en forma de aguja, aguja, como lo indica la figura figura Su capacidad capacidad para aumenta aumentarr la viscosidad viscosidad es inde indepe pend ndie ient nte e del del agua agua de prep prepar arac ació ión. n. A la mism misma a conc concen entr trac ació ión, n, SALT SALT GEL GEL en cualquier tipo de agua produciría la misma viscosidad que M-I GEL en agua dulce. La capacidad de aumentar la viscosidad no depende de la hidratación, sino de la medida en que los paquetes de agujas son sometidos al esfuerzo de corte. La viscosidad resultante es creada por dos elementos: 1. La formación de estructuras de escobillas amontonadas por los esfuerzos de corte. Esto presenta una simple analogía con la agitación de paja en agua. 2. Las fuerzas de atracción entre partículas, creadas por cargas de enlaces rotos en los bordes de agujas rotos por los esfuerzos de corte. Como la arcilla de atapulguita desarrolla una viscosidad similar en cualquier tipo de agua de preparación, se podría preguntar “¿por qué no se usa siempre la atapulguita?”. La respuesta sería (1) mayor costo, (2) falta de control de filtración debido a la forma de las partículas y (3) características reológicas más difíciles de controlar.
Fotomicrografía de partículas de atapulguita.
Viscosificante: bentonita El viscosificador GEL SUPREME es una bentonita Wyoming de primera calidad (arcilla de montmorillonita de sodio) sin tratamiento químico. Se usa como aditivo para generar el revoque primario en la pared del pozo, controlar el filtrado y la suspensión en sistemas de lodos de agua dulce, y tiene aplicación en todos los lodos a base de agua. El GEL SUPREME es un producto de alta calidad que satisface las especificaciones API para bentonita sin tratar. Propiedades físicas comunes Aspecto físico . . . . . . . . . . . . . . . . . Polvo de color gris verdoso claro
Gravedad específica . . . . . . . . . . . . . 2,3 – 2,6 Densidad a granel . . . . . . . . . . . . . . 769 – 833 Kg/m3 (48 – 52 lbs/pie3) Especificaciones API Propiedades de suspensión Suspensión de 25 gramos de bentonita sin tratar en 350 cm3 de agua desionizada). Viscosidad plástica dispersa . . . . . mín. de 10 cP Relación punto cedente/visc. plástica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . máx. de 1,5 Volumen API de filtrado dispersado . . . . . . . . . . . . . . . . . máx. de 12,5 cm3
PROPIEDADES
El GEL SUPREME se usa para incrementar la viscosidad y disminuir el filtrado de lodos de perforación a base de agua. Es un producto económico para lograr la viscosidad adecuada, controlar el filtrado y mantener la calidad del revoque de lodos a base de agua dulce y de mar. Las concentraciones típicas de GEL SUPREME varían de 14,3 a 100 Kg/m3 (5 a 35 lbs/bl). Al igual que con los demás productos de bentonita, el rendimiento del del GEL GEL SUPR SUPREM EME E dism dismin inuy uye e a medi medida da que que aume aument nta a la salin salinid idad ad.. En lodo lodoss que que contien contienen en más de 10.000 10.000 miligr miligramo amoss por litro litro de clorur cloruros, os, el rendim rendimien iento to del del GEL GEL SUPREME disminuye notablemente, a menos que antes de agregarlo al lodo se hidrate con agua dulce.
Contaminación y Tratamiento Un contaminante es cualquier tipo de material (sólido, líquido o gas) que tiene un efecto perjudicial sobre las características físicas o químicas de un fluido de perforación. “Lo que en un tipo de fluido de perforación constituye un contaminante, en otro no será nece necesa sari riam amen ente te un cont contam amin inan ante te”. ”. Los Los sólid sólidos os reac reactitivo voss de baja baja dens densid idad ad son son contaminantes comunes en todos los fluidos de perforación. Estos sólidos se componen de sólidos perforados que se han incorporado dentro del sistema oque resultan del tratamiento excesivo con arcillas comerciales. Desde el punto de vista económico, los sólidos perforados y los problemas relacionados con su control tienen un mayor impacto sobre el costo del lodo que los otros tipos de contaminación. Sin embargo, en este apartado se citarán los siguientes contaminantes químicos comunes de los lodos base agua: 1. Anhidrita (CaSO 4) o yeso (CaSO 4•2H2O). 2. Cemento (silicato complejo de Ca(OH) 2). 3. Sal (sal de roca, agua de preparación, agua salada, magnesio, calcio y cloruro de sodio, y agua irreductible). 4. Gases ácidos, incluyendo el dióxido de carbono (CO 2) y el sulfuro de hidrógeno (H 2S).
Con Con exce excepc pció ión n de los los gase gasess ácid ácidos os,, esto estoss cont contam amin inan ante tess quím químic icos os está están n directamente relacionados a las reacciones de intercambio de iones con las arcillas. Por lo tant tanto, o, la conc concen entr trac ació ión n de sóli sólido doss de tipo tipo arci arcillllos oso o en un lodo lodo bas base agua agua está está directamente relacionada con la severidad con la cual el contaminante químico afecta las propiedades del lodo .
Referencia Rápida para Reconocer y Tratar los Contaminantes CONTAMINACIÓN DE MAGNESIO Síntomas 1. Punto cedente inestable y filtrado. 2. Altos niveles de dureza después de tratar el calcio con carbonato de sodio. Tratamiento OBSERVACIÓN: El siguiente tratamiento es para pequeños niveles de contaminación, tal como la contaminación causada por el agua salada. NO se debe usar soda cáustica para tratar una contaminación masiva de magnesio (como la que causa la carnalita). 1. Aumentar el pH del lodo hasta 11 con soda cáustica o potasa cáustica (KOH) para eliminar el magnesio 2. Mantener el pH a este nivel para evitar que el magnesio se solubilice de nuevo a partir de Mg(OH)2. CONTAMINACIÓN DE YESO O ANHIDRITA Síntomas 1. Aumento de la viscosidad y de los esfuerzos de gel. 2. Aumento del filtrado. 3. Aumento de la cantidad de calcio soluble. 4. Posible disminución de Pf y pH. Tratamiento 1. Precipitar o secuestrar el calcio soluble con fosfatos o carbonato de sodio (ver las Tablas 2 y 3). Reducir la viscosidad con tratamientos de lignosulfonatos y soda cáustica. Reducir el filtrado con tratamientos de bentonita, POLYPAC o RESINEX. 2. Dejar que el yeso o la anhidrita permanezca en el sistema para obtener un nivel de calcio soluble mayor de 600 mg/l. Controlar la viscosidad con el tratamiento de lignosulfonato, el pH con soda cáustica, y el filtrado con bentonita y POLYPAC. CONTAMINACIÓN DE SAL Síntomas 1. Aumento de la viscosidad. 2. Aumento del filtrado. 3. Aumento de la cantidad de cloruro soluble y calcio. 4. Reducción del pH y Pf. Tratamiento 1. Diluir la concentración de NaCl con agua, si la formación de sal debe ser entubada poco después de terminar la perforación. Tratar el fluido con lignosulfonatos para controlar la viscosidad; soda cáustica y cal según una proporción de 1:2 para controlar el pH y Pf; POLYPAC UL y bentonita para controlar el filtrado.
2. Si no se entuba la sal y la formación queda expuesta por un largo periodo, saturar el sistema con cloruro de sodio (sal) para impedir el ensanchamiento adicional del pozo. Controlar la viscosidad con tratamientos de lignosulfonatos, además de soda cáustica y cal. Pequeños tratamientos de POLYPAC son eficaces para controlar la viscosidad si los sólido sólidoss están están contr controla olados dos dentro dentro del rango rango aprop apropiad iado. o. Contro Controlar lar el filtrad filtrado o media mediante nte adiciones de almidón y/o POLYPAC, y adiciones de bentonita prehidratada. Si se usa almidón para controlar el filtrado, mantener una concentración de NaCl de 190.000 mg/l para evitar la fermentación del almidón, o usar un biocida.
CONT CONTAM AMIN INA ACIÓN CIÓN PROD PRODU UCIDA CIDA POR EL FLUJO LUJO DE AGUA AGUA SALA ALADA Y LA ARREMETIDA DE GAS Síntomas 1. Aumento del nivel del tanque de lodo. 2. Aumento de la velocidad de retorno del pozo. Tratamiento 1. Parar la bomba. 2. Subir el conjunto de fondo para despejar el buje de junta kelly. 3. Cerrar el pozo con un BOP (preventor de reventones). 4. Medir la presión de la tubería de perf perfor orac ació ión n y calc calcul ular ar la dens densid idad ad de lodo lodo adic adicio iona nall requ requer erid ida a para para comp compen ensa sarr la arremetida. 5. Aumentar el peso del lodo hasta obtener la densidad requerida, haciendo circular la arremetida hacia afuera, a una velocidad de bombeo reducida. 6. Si se trata de una arremetida de gas, eliminar el gas del sistema usando el equipo de circulación superficial y los desgasificadores. 7. Si se trata de un flujo de agua salada, descargar el agua salada en la superficie (si es posible), y acondicionar el fluido con cantidades adic adicio iona nale less de desf desflo locu cula lant ntes es y soda soda cáus cáustic tica. a. Pued Puede e que que sea sea nece necesa sari rio o dilu diluir ir la concentración de iones NaCl con agua dulce. Pequeños tratamientos de cal y soda cáustica también pueden requerirse para controlar el pH y Pf.
CONTAMINACIÓN DE CARBONATOS Síntomas 1. Altos esfuerzos de gel. 2. Aumento de Pf con un Ph constante. 3. Mayor diferencia entre Pf y Mf. 4. Aumento de los niveles niveles de carbonatos o bicarbonatos. bicarbonatos. Tratamiento 1. Aumentar el pH hasta un valor comprendido entre 10,3 y 11,3. 2. Añadir cal y/o yeso, dos fuentes solubles de Ca, para eliminar los l os carbonatos como CaCO3 . CONTAMINACIÓN DE SULFURO DE HIDRÓGENO Síntomas 1. Reducción de las alcalinidades. 2. Ligero olor fétido (huevo podrido) en la línea l ínea de flujo. 3. El lodo o la tubería adquiere un color negro. Tratamiento 1. Aumentar el pH hasta un nivel comprendido entre 11 y 11,5 con soda cáustica. 2. Amortiguar con cal. 3. Añadir óxido de cinc. Conclusiones. Existe una diversa diversa gama de compuestos compuestos sólidos y líquidos, naturales y sintéticos, org orgánic ánico os e inor inorg gánic ánicos os que se utili tilizzan en las las perfo erfora raccione ioness petr petro olífe lífera ras, s, fundamentalmente utilizados utilizados en los lodos de perforación. perforación. Algunos minerales y rocas rocas son de uso común en la industria petrolera, conocer los mismos, sus propiedades específicas
y su posible aplicación, son de suma importancia, para el desarrollo exitoso de una perforación. El tema presentado en esta clase solo pretende ser una introducción al estudio de los los mismo mismos, s, el deta detalle lle de sus sus comp compor orta tami mien ento toss y sus sus aplic aplicac acio ione ness en situ situac acio ione ness específicas son conocimientos que se estudiarán en otra asignatura: Perforaciones II y son tan importantes en el desarrollo de la perforación que existe toda una rama de trabajo relacionados con la inyección: la ingeniería de lodos.
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…………………………………………. Geol.. Mabel R. Bartoloni Prof. Adj. Cátedra Mineralogía
