Universidad Nacional de Colombia Laboratorio de fluidos de perforación Informe de lectura Práctica No. 5 Grupo 1
Siendo la explotación de petróleo una mezcla de diferentes procesos en pro de extraer el tan preciado hidrocarburo, es entonces la perforación, eje de importancia para lograr tal fin; por lo tanto, en ella es relevante el correcto diseño del lodo de perforación, pues finalmente es el componente primordial durante todo ese proceso, por lo que se busca de esta forma, hacer un máximo aprovechamiento de las propiedades de este, para mantener las características del fluido de yacimiento u hacer una optimización en caso de eventualidades según la formación atravesada.
Dicho lo anterior, lo que se pretende durante una perforación es obtener y mantener condiciones ideales para así reducir costes operarios, por esto, los ingenieros están encargados de seleccionar y crear un fluido de perforación que otorgue las características óptimas que permita llevar a cabo la perforación en las mejores condiciones. Sin embargo en el día a día de la vida ingenieril, se presentan desafíos que dificultan los procesos, un énfasis en los lodos de perforación muestra la presencia de contaminantes de los mismos, los cuales traen consigo variedad de alteraciones a las condiciones esperadas para la perforación, que resultan de diferentes medios y su efecto obstaculiza la extracción del crudo. Un contaminante puede ser líquido, gaseoso o sólido y se denomina de esta forma porque su efecto es perjudicial por la alteración de las propiedades físicas y químicas del fluido de perforación, su origen puede ser diferentes tipos, se puede tratar de contaminación por presencia de solidos aportados por la formación, los cuales tienen a ser más comunes, como también los gases ácidos, cemento o cal producto de errores operacionales y yeso que se da por error operacional pero adicional puede darse por errores de diseño, es de resaltar hasta este punto que un exceso de alguno de estos o ausencia en caso contrario en algún lodo, no representa automáticamente la definición de contaminante, se le denomina así cuando existe incidencia negativa sobre las propiedades, dicho de otra forma, el que en un lodo “x” sustancia (en cualquier estado) se catalogue como contaminante no quiere decir que lo sea en otro tipo de fluido. Para este informe e realizado una recopilación de varias referencias bibliográficas para conocer cómo actúan los ingenieros según el caso, para compensar los efectos de los contaminantes, explicando para cada situación el por qué de la decisión de efectuar un tratamiento especial y dando mi punto de vista sobre cual sería el procedimiento a seguir cuando se presente una eventualidad causada por la contaminación del lodo de perforación, puntualizando lo diferente que resulta optimizar un lodo que es contaminado por “x” contaminante, del análisis a realizar en un lodo contaminado por un contaminante totalmente distinto, que por supuesto incurre de manera desemejante (en algunas ocasiones con semejante), sobre las propiedades del lodo de perforación a usar.
Uno de los documentos referentes, “Shale problems and water-based drilling fluid optimisation in the Hassi Messaoud Algerian oil field” expresa una situación de contaminación del lodo de perforación a causa de minerales de arcilla presentes en la formación, principalmente lutitas que inciden creando un tapón durante la perforación, el cual conlleva además a la alteración de las propiedades reológicas del lodo que fue diseñado al iniciar la operación en ese pozo, por lo que en busca de solución, el lodo que es a base de agua se somete a diferentes pruebas principalmente de filtrado y de caracterización reológica usando aditivos de origen polimérico aniónico para proponer un sistema de fluido de perforación optimizado, tuviese en cuenta la investigación de la zona a perforar simultáneamente con los estudios del fluido, pues se encontró que la variación en los valores de concentración y los cambios abruptos de propiedades físicas y químicas eran responsabilidad de la heterogeneidad de formación atravesada, pues bien es de resaltar que aunque los minerales de arcilla se comportan inicialmente como un adyuvante para las condiciones físicas y reologicas deseadas, pero esto no sucede con los aportados por las formaciones, pues son arcillas hidrófilas. El problema general: La operación de perforación de 100 pozos argelinos localizados en la Campo Hassi Messaoud (HMD) se compararon y de allí se expone que las principales complicaciones ocurren 700-950 m de profundidad es decir una profundidad intermedia, como consecuencia de una tasa variable de penetración (ROP), que iba de 8 a 24 m / h. El estudio en los pozos Turoniano y Salt Senoniano evidencian las pérdidas de circulación, especialmente en formaciones de esquisto, inestabilidades, problemas de limpieza de cada pozo debido a una reducción de las velocidades anulares en las secciones de los huecos y un indudable colapso. Las pruebas realizadas siguieron orden a continuación: pruebas de dispersión convencionales con muestras de cortes originales, observación de pellets de esquisto confinados de diferentes tamaños en contacto con el lodo, de filtración a través de esquisto compactado en la celda API usando diferentes rangos de presión y ensayos de filtración a través de esquisto para finalmente realizar muestras de núcleo bajo condiciones reales de campo (presión y temperatura). De los estudios obtuvieron que el uso de ciertos aditivos, una exhaustiva y completa comparación entre ellos, proporcionó las condiciones esperadas, pero hubo que proponer un método diferente de filtrado y hacer un uso de modelos reológicos de Waele. Tras diferentes pruebas obtuvieron que al adicionar concentraciones de sal a una combinación de polímeros llamados PAC y Xantano, para tratar la viscosidad (lograr un aumento de esta), a su vez al utilizar un sistema PAHA como inhibidor de la hinchazón para la filtración junto a una clásica prueba de dispersión, los resultados fueron positivos para el campo. Se logró pues una formulación que simulara la interacción sólido-líquido, para observar que en pro de corregir los problemas por disminución de viscosidad a causa de contaminantes y el evidente hinchamiento de las arcillas, lo mejor era diseñar un lodo a base de silicatos, ya que el efecto iónico de silicato, confiere una reología, filtración y propiedades inhibidoras a los fluidos de perforación absolutamente favorables según las circunstancias de los dos pozos estudiados a fondo, y que además no solo facilita la parte operativa sino los costos que esta genera.
Algo que resalta el documento y es de gran importancia para los lodos en general, es la aparente solución que dan lo polímeros a problemas principalmente de costo ambiental, los fluidos de perforación con sulfatos como el del artículo, son amigables con el medioambiente, su pequeño tamaño de molécula le da esta característica, y aunque ofrece una adecuado efecto sobre la viscosidad, no se recomienda su uso para nivel de reservorio, es adecuado el capas superiores de la formación, pues como aspecto negativo es la alta tasa de daño que causa. El artículo siguiente que estudié hace parte de una guía de laboratorio propuesta por la universidad Industrial de Santander en la cual se propone la preparación de un lodo bentónico al que se realizan las pruebas reológicas, y es comparación con un lodo contaminado, para de esta forma, hacer estudio del efecto que trae consigo el adicionar sal (NaCl) con bicarbonato (CaCO3) a un lodo en condiciones consideradas óptimas. Los procedimientos realizados incluyen: determinación de densidad, viscosidad fann, pH, velocidad de corte para simular el efecto sarta-pared de hueco, control de solidos, fuerza gel y prueba de filtrado, para ambos lodos. El lodo base consistía de una mezcla de agua, lignosulfonato, bentonita, hidróxido de sodio para establecer las condiciones reológicas adecuadas. Los aniones aportados por el lignosulfonato ayudan a reducir la viscosidad y mejoran las propiedades tixotrópicas, sin embargo tienen un efecto negativo como adelgazante ya que tiende a reducir el pH, es por este motivo que se adiciona el hidróxido de sodio que ayuda a compensar la reducción de pH y la restablece a condiciones óptimas. La práctica realizada por los estudiantes de la UIS reporta un uso de un polímero, pero no explica la razón de esa decisión, así que puedo inferir que lo hicieron pensando en la obtención de un revoque más fino y ayuda al control del filtrado. Como bien mencioné anteriormente, el lodo fue sometido a contaminación con bicarbonato y sal, de donde se esperaría que la sal al aportar masa de sodio aumente los iones cloruro, resultando en un espesamiento del fluído de perforación e incrementando la pérdida por filtrado, dada la floculación de las arcillas en presencia del cloruro. Ahora bien, en la experiencia, los estudiantes obtuvieron disminución de pH de 12 a 10,5, una variación por reducción de viscosidad plástica y dada la floculación; un aumento de la fuerza gel y punto de cedencia. Del uso de bicarbonato las expectativas de cambio del lodo base, dada la contaminación se enfocan en un comportamiento similar a la contaminación por sal, pues el intercambio de iones Na a Ca2, cambia la base de las arcillas y las convierte en arcillas base calcio, las cuales actúan deshidratándose y contribuyendo a la floculación, y por supuesto altera las propiedades como la fuerza gel y punto cedente aumentándolos; sin embargo debo decir que su efecto sobre la viscosidad es gradual comparado con la disminución abrupta responsabilidad de las sales contaminantes. Cuando se analizó el antes y el después de las pruebas de filtrado lo más relevante fue el aumento del ión Cl- en seis veces su valor original; esto, aportado por la sal. El Bicarbonato por su lado dio lugar a un aumento en la alcalinidad por su aporte de
hidroxilos. Las pruebas que realizaron para la obtención de esos datos fueron una combinación del MBT test y Naranja de metilo. Habiendo hecho el planteamiento del problema, se trabajó en la búsqueda de tratamiento más adecuado para afrontar los cambios por contaminantes, la preocupación principal en campo cuando se atraviesan formaciones como la halita (las mas comunes en aporte de NaCl), es precisamente la disminución de pH, pues para pH bajos los desfloculantes de tipo ácido pierden efectividad. Es así como se define aumentar la cantidad de agua, con el fin de disminuir el cloruro y así ayudar a la disminución de su negativo efecto sobre la floculación para compensar, la dilución ayuda a disminuir las propiedades reológicas en general y permite conservar condiciones de lodo óptimos para operar. Es el tratamiento mas conocido para enfrentar la presencia de sal que no se puede extraer por procesos químicos pues intentar precipitarla resultaría muy costoso, como ingenieros debemos siempre buscar la optimización en resultados a partir mínimo costo, otra solución que propondría es cambiar la base del lodo a salado al diseñarlo, aunque para el lodo base usado por los estudiantes, basta con la dilución pues el lignosulfato presente en el lodo base tolera un alto número de concentración de sal, de ser muy grande ese número se podría aumentar el valor de este sin permitir alteración de otras propiedades ya corregidas. Con el fin de incluir en este informe diferentes tipos de contaminantes, propuse analizar el efecto de CO2 en un fluido de perforación, el documento al que hago referencia es “Alteration of oil-based drilling mud properties due to contact with CO2 gas kick during drilling” donde a partir de diferentes pruebas muestran como lo dice el título una cuantificación de las propiedades del lodo antes y después de la contaminación, sin embargo en este no proponen un tratamiento al problema, por lo que a partir de referencias bibliográficas adicionales, propondré una solución que ayude a mitigar los efectos negativos que ocurren cuando un lodo en general es contaminado por un gas. El problema que se llevo a cabo en este artículo es interesante con respecto a los otros ya que permite analizar una situación diferente, pues no solo cambia el tipo de contaminante sino que además plantea una posible situación de kick en operación de perforación; realizar el diseño de lodo inicial resulta más tedioso es decir, que hay más variables para tener en cuenta. La situación es la que sigue: hay una elevada posibilidad de fuga de bióxido de carbono desde el depósito de almacenamiento de carbono durante una estimulación cíclica por vapor de agua, la cual puede conducir a una patada del pozo. Sucede entonces que al entrar en contacto el bióxido de carbono con el lodo de perforación, este genera una modificación a las propiedades lo cual hace que por supuesto se tema un fracaso en el programa de perforación. Cuando se realizo el diseño de lodo para operar, se pensó en un lodo de perforación a base aceite, o de tipo emulsión inversa que son esencialmente formulaciones con base de aceite mineral con salmuera de cloruro de calcio emulsionada en proporción desde 5 a 50% de la fase líquida, pues es este uno de los más empleados para atravesar formaciones con presencia de gases ácidos, aunque estas se puedan perforar usando un
lodo base agua siempre y cuando las condiciones de temperatura y presión sean favorables para su empleo. Al suceder la contaminación por presencia del gas, los resultados de variación de las propiedades reológicas fueron dadas en porcentajes equivalentes a un incremento de 3,45% en la densidad ocho días después de el contacto de este con el lodo, situación absolutamente esperada, pues al ser un lodo de emulsión inversa, la contaminación con gas a produce, disminución de la densidad, aumento del nivel en tanques y rara, continuo flujo del lodo al parar las bombas. En el documento hablan sobre los síntomas que fueron evidencia para entender la expansión del gas, es decir para detectarla, pues las líneas de flujo expelían el olor a gas leve pese a que no se trata de H2S el cual su olor se asemeja a un huevo podrido. L a contaminación también llevó a un aumento 82,79% en la viscosidad del lodo dentro de los primeros cinco días de contaminación y se elevó 18,55% más en los próximos tres días de contaminación. Pasados el octavo día y el día dieciséis hubo una mayor aumento de la densidad, la viscosidad y el límite elástico. Estos últimos datos demuestran que la etapa crítica de la contaminación fue la primera semana, es ahí donde se evidenció un efecto negativo principalmente sobre la densidad del lodo, aunque resaltaré que pese a haber existido aumento de densidad semanas después no es tan significativa, es decir, no podemos hablar de un restablecimiento de condiciones óptimas según el diseño de lodo. Si a esto le sumamos un aumento significativo y drástico en la viscosidad y rendimiento, se es clara la necesidad de tratar este lodo, utilizando diferentes aditivos. Si bien dije, quienes desarrollaron esté artículo se enfocaron más en hablar sobre el daño (contaminación) con el paso de los días, más no sobre la solución a este, la propuesta que hago para tratar de estabilizar las condiciones del lodo y tener una operación de perforación exitosa, suponiendo que en vez de ser un lodo base aceite fuese base agua, comienza por realizar un tratamiento químico, que ayude a romper las emulsiones formadas por el evidente aumento de fuerza gel y de las demás propiedades reológicas diferentes de la densidad, para esto es necesario detener la circulación en el pozo, con el fin de estabilizarlo y ayudar a que el volumen en las presas sea el esperado, tras realizar el tratamiento, retomar la circulación, o a partir de pruebas experimentales establecer la cantidad de cal o barita que podría usarse de aditivo para sin incidir en el aumento de valores de viscosidad, que ayude a disminuir la floculación gracias a la remoción de los gases. Pues bien, la decisión de diseñar el lodo de perforación tipo emulsión inversa contiene implícita una justificación y es que además de permitir perforar a condiciones de presión y temperatura elevada y una densidad baja, actúan contra el efecto corrosivo que tiene la presencia de gas ácido y además es indiscutible que los lodos base aceite son más estables mientras menos agua contengan. El agua emulsionada en pequeñas gotas produce viscosidad, da mejor capacidad de suspensión y permite un mejor control del filtrado. Lo que si pude observar de diferentes artículos es la suspensión de su uso a raíz de la iniquidad al medio ambiente, así que hay que realizar diseños de perforación usando
lodos mas inocuos disponibles, que nos sigan permitiendo las características que necesitamos para enfrentar las formaciones. Adicional quisiera decir que una alternativa que encuentro viable para tratar el lodo del árticulo, es desgacificar y agitar, adicionando aditivos al lodo con el fin de aumentar la densidad sin que se altere el pH y lograr reducir la viscosidad de forma tal que resulte práctico el fluido para bombearse, que a su vez sea lo suficientemente viscoso para contribuir en la remoción de cortes, sin olvidarnos de encontrar el valor de fuerza gel que no permita un asentamiento de los cortes. La realidad es que me resulta dificil opinar que tipo de aditivo o tratamiento efectuar sobre un lodo que no reporta cuantificación exacta de la variación del lodo base con respecto al lodo contaminado. Realmente del lodo base desconozco el valor propuesto de densidad óptima por el programa de lodos, los reportes de la viscosidad se dan en porcentajes sin reporte de el tipo de prueba usada y que no me permiten saber el valor basal en unidades de cada propiedad, por lo que entender a que quieren llegar o que es lo más viable para ese pozo en específico es inútil si no se proporciona una información adecuada. Para finalizar este corto análisis de tres casos de contaminación diferentes en los lodos de perforación de dos tipos, quiero expresar a nivel general que realmente el diseño del lodo de perforación es una combinación de muchos factores pero más que eso es una gran responsabilidad, pues por eventualidades como las tratadas en este documento, día a día se deben detener operaciones en campo, que representan significativas pérdidas por coste operario y que si el personal no está capacitado para accionar correctamente puede acarrear incluso a la pérdida de un pozo. Como mencioné al comienzo del documento, el fluido de perforación es el plus de la perforación ya que otorga muchas ayudas que lo hacen importante y absolutamente necesario, pero este no es constante, es decir no funciona igual para todo tipo de formaciones, por eso, el diseño de este depende de cada objetivo que se requiera y de buscar el que se ajuste de la mejor forma las condiciones que otorga la formación. cuando hay una alteración de tipo contaminación, se debe buscar el restablecimiento de las propiedades teniendo claro que es un proceso que no aplica igual para cualquier fluido de perforación y cualquier formación, que la optimización es un trabajo conjunto de chequeo de la variación de cada propiedad al usar un aditivo o realizar un tratamiento de otro origen y que el hecho que una solución haya funcionado en un caso, no hace que este conserve su efecto para el problema que se quiere enfrentar. Karen Dayana Delvasto Sánchez Estudiante de Ingeniería de Petróleos
