Informacion Sobre ORIMATITA

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Estado Actual de la Tecnología ORIMATITA® ARTICLE in

CHEMBIOCHEM · JANUARY 2008

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ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA ORIMATITA® G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

RESUMEN ORIMATITA® es un densificante para fluidos de perforación, manufacturado a partir de una mezcla natural de óxidos e hidróxido de hierro venezolanos, el cual ha sido desarrollado por Intevep y aplicado exitosamente por PDVSA durante los años 20002004, en la perforación de 257 pozos de petróleo, en intervalo de densidades entre 12 y 18 lpg [1-3]. PDVSA, con el propósito de garantizar un producto de alta calidad y a precios competitivos, inició a partir del año 2004, a través del convenio de investigación PDVSACVG, un proyecto para realizar un estudio integral para el mejoramiento de la tecnología ORIMATITA®. El estudio incluyó los siguientes aspectos: identificación, caracterización y evaluación de fuentes potenciales de materia prima, molienda experimental de la materia prima seleccionada, formulación de fluidos de perforación, ensayos de abrasión y erosión, determinación de la demanda de densificante por parte de PDVSA de acuerdo con el plan Siembra Petrolera 2007-2012, identificación y evaluación de empresas de molienda de minerales, y proceso de licitación para la manufactura del producto. Los resultados indican que la versión de ORIMATITA®, manufacturada a partir del mineral de hierro seleccionado, es apta para su uso como densificante de fluidos de perforación, presentando niveles de erosión/abrasión menores que los exhibidos por fluidos similares, formulados con barita, cuando se usa la ORIMATITA® en combinación con aditivos específicos para reducir el desgaste de las partes metálicas y no metálicas que conforman el circuito del fluido de perforación (componentes de bombas, herramientas direccionales). Basado en los resultados obtenidos, PDVSA ha tomado la decisión de masificar el uso del producto ORIMATITA®, con el objetivo de sustituir en el mediano plazo la importación de barita. Para el 2008, se estima iniciar un proceso de licitación, con participación de empresas nacionales y foráneas, para la manufactura del producto.

Palabras Claves: ORIMATITA®, Densificante, Fluidos de perforación, Desgaste, Hematita

ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA ORIMATITA®

INTRODUCCIÓN La barita ha sido predominantemente el material densificante usado en los fluidos de perforación. Ésta consiste en una mezcla de partículas de sílice (SiO 2), sulfato de bario (BaSO4), carbonatos y algunos metales pesados [4-7]. Las minas de barita se encuentran ubicadas lejos de los centros de consumo (China, India, U.S.A, etc.), lo cual, debido a los costos de transporte y la subida de los precios de las materias primas, incrementa el costo final del mineral procesado para su uso como densificante. Adicionalmente, en los últimos años los yacimientos de barita de gravedad específica 4,2 en el mundo se han ido agotando y los actuales poseen una menor calidad (menor densidad y mayor contenido de metales) [8]. Esto ha provocado que diferentes compañías de servicios, suplidoras de minerales y entes gubernamentales, tal como el Instituto Americano del Petróleo (API) realicen esfuerzos por modificar las especificaciones actuales de la barita grado petrolero micronizada a nuevos valores de gravedad específica de 4,1 (como valor mínimo). En Venezuela, dentro de la industria petrolera nacional, como opción al reemplazo de la barita en fluidos de perforación, tomando en cuenta la existencia de grandes reservas de mineral de hierro (200 MMMtm) y la estrategia de promoción del capital local, ha surgido la tecnología ORIMATITA® [1,3]. El densificante ORIMATITA® consiste en una mezcla de partículas sólidas de óxido de hierro (Fe 2O3), hidróxido de hierro o Goetita (FeOOH) y un bajo porcentaje de Gibbsita (Al(OH) 3) y Cuarzita (SiO 2) [3]. La alta gravedad específica de los compuestos de hierro tiene grandes beneficios, fundamentalmente, porque para alcanzar una cierta densidad o peso del fluido de perforación, se necesita menor cantidad de hematita que de barita (ver Tabla 1). Tabla 1. Propiedades físico-químicas de varios densificantes de fluidos de perforación [2-7] Densificante

Fórmula Química

Dureza

Gravedad Específica

(Mohs)

(g/cm3)

Barita

BaSO4

3,0-3,5

4, 2-4,4

Hematita

Fe2O3

5,0-6,0

4,8-5,2

Fer-O-Bar

Fe2O3 (sintética)

5,0-6,0

4,6-4,7

Ilmenita

FeTiO3

5,0-6,0

4,5-4,8

Itabarita

Fe2O3 + Itabira

5,0

4,1-4,2

Lo anterior resulta en una menor concentración de sólidos en el fluido de perforación, aumentando la tasa de penetración y permitiendo un mejor control de las propiedades reológicas con una menor cantidad de aditivos [7]. De igual manera, la hematita posee una alta resistencia a la fractura, reduciéndose el grado de atricción con respecto a la barita, el cual se considera relativamente alto, aspecto que, de no ser controlado G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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rigurosamente durante la perforación, puede generar grandes daños a la formación [9]. La fragilidad o el efecto de atricción que sufren las partículas de barita, se debe básicamente a la diferencia de dureza, densidad y tenacidad de éstas (Tabla 1). Sin embargo, a pesar de que todas estas ventajas pueden traducirse en una reducción de los costos de operación, pudiese ocurrir todo lo contrario si no se controlan ciertos aspectos en la manufactura y control del óxido de hierro como densificante. Pruebas de laboratorio han confirmado que el óxido de hierro puede ser hasta 10 veces más erosivo que la barita, siendo el tamaño y forma de las partículas dentro del sistema de fluido, uno de los causantes principales del efecto erosivo y abrasivo de la hematita [7]. Generalmente, la hematita grado API muestra un tamaño de partícula promedio (D (v,0.5)) entre 20 y 30 µm, del 5 al 15% (m/m) de menor que 6 µm, y de 0 a 3% en masa mayor que 100 µm. Los análisis de la barita comercial muestran que el tamaño promedio de partícula es 20 µm y de un 20 a 30% es menor a 6 µm [7]. Así, procesos de separación granulométrica, para remover fracciones de partículas no deseadas, han sido empleados para obtener tasas de desgaste similares a las registradas con el uso de barita. Por otro lado, las experiencias iniciales con el producto ORIMATITA®, hasta el año 2000, no se diferenciaron de las ya conocidas a escala mundial (frecuentes problemas de abrasividad y erosividad) [1,4-7,9]. Sin embargo, PDVSA Intevep impulsó mejoras en la tecnología entre los años 2000 y 2004. Mediante el establecimiento de un equipo de trabajo multidisciplinario se logró obtener una versión mejorada del producto, la cual fue aplicada en operaciones de campo a condiciones de alto caudal y alta densidad del fluido de perforación [2,3], teniéndose que para junio de 2004 un total de 257 pozos de petróleo fueron perforados con este densificante [10]. En ese mismo año en el marco del convenio de investigación conjunta establecido entre los presidentes de PDVSA y C.V.G., la Ferrominera Orinoco (FMO, Filial de C.V.G.) sugirió el reemplazo de la materia prima original (MPO) para la manufactura de la ORIMATITA® por una mezcla de óxidos de hierro más comercial y con mayores reservas probadas [11]. En función de esto PDVSA Intevep, en conjunto con personal técnico de FMO comenzó una serie de ensayos de laboratorio para identificar, caracterizar y evaluar estas mezclas de minerales basados en óxido e hidróxidos de hierro para la producción masiva del densificante nacional ORIMATITA®. La presente investigación muestra los principales resultados obtenidos de la selección de la nueva materia prima (NMP) para la elaboración del densificante nacional ORIMATITA®. Adicionalmente, se realizaron pruebas de molienda a escala real y validación de los G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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métodos de control de calidad (granulométricos y de gravedad específica). Posteriormente, se realizó la evaluación funcional de este densificante mediante pruebas de erosión y abrasión de fluidos de perforación base aceite y base agua densificados con ORIMATITA® producida con esta nueva materia prima y con las especificaciones granulométricas establecidas en la última versión desarrollada en el año 2002 (ORIMATITA® versión O38).

IDENTIFICACIÓN,

CARACTERIZACIÓN

Y

EVALUACIÓN

DE

FUENTES

POTENCIALES DE MATERIA PRIMA La identificación de una nueva materia prima se llevó a cabo mediante la evaluación y caracterización de muestras extraídas de los yacimientos de mineral de hierro ubicados en el Estado Bolívar. Se identificaron 5 yacimientos activos de los cuales se extraen y preparan mezclas de minerales para diferentes aplicaciones siderúrgicas. En la Tabla 2, se muestra la caracterización mineralógica y las reservas probadas de cada yacimiento identificado. Tabla 2. Características químicas y reservas probadas de mineral de hierro en el Edo. Bolívar [11] Reservas

Fe Total

SiO2

Al2O3

PPC

P

(Mtm)

(%)

(%)

(%)

(%)

(%)

Yacimiento 1 (Y1)

75000

68,42

0,59

0,38

1,22

0,033

Yacimiento 2 (Y2)

59503

67,43

0,51

0,35

2,71

0,050

Yacimiento 3 (Y3)

33444

67,19

0,87

0,59

2,49

0,043

Yacimiento 4 (Y4)

26813

67,60

0,72

0,49

2,14

0,051

Yacimiento 5 (Y5)

6720

67,31

0,62

0,54

2,32

0,051

201408

67,78

0,63

0,43

2,03

0,043

Fuente Potencial

Total

De los yacimientos identificados se caracterizaron y evaluaron un total de 15 muestras. La caracterización de la muestras se realizó mediante las técnicas de Difracción de Rayos X (identificación cualitativa), determinación de la gravedad específica bajo la norma ASTM C128-04a [12], calcio total, carbonatos solubles y solubilidad en ácido clorhídrico al 18% v/v según el método API RP13B [13]. Los resultados obtenidos de la caracterización de las muestras seleccionadas se observan en la Tabla 3, donde puede verse que las tres primeras muestras, las cuales fueron seleccionadas de las yacimientos N°1, 2 y 3, (M1, M2 y M3) estaban constituidas principalmente de la fase Goetita (FeOOH); esto dio como resultado una gravedad específica y solubilidad al ácido baja, por lo que éstas se descartaron para su uso como materia prima. G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

4


Por otro lado, el análisis obtenido de las muestras M4 a la M15, demostró que estás estaban constituidas en su mayoría de la fase Hematita (Fe 2O3), con presencia minoritaria de otras fases (SiO 2, Al(OH)3, FeOOH). Éstas presentaron una gravedad específica entre 4,78 y 4,95 g/cm 3, variando el valor en función del contenido relativo de las fases que componían esta mezcla de minerales. Adicionalmente, la solubilidad en ácido y los valores de calcio total y carbonatos solubles se encontraron dentro del intervalo establecido en el protocolo de manufactura de la ORIMATITA®, por lo que se estableció que éstas mezclan podrían ser utilizadas para su producción. Tabla 3. Características químicas en muestras de mineral de hi erro del Edo. Bolívar [11] Muestra

Mineral

Fase

Fase

Gravedad

Mayoritaria

Minoritarias

específica

(DRX)

(DRX)

(60/60°F)

Calcio (ppm)

Carbonatos Solubilidad Solubles (ppm)

HCl 18% (%)

M1

Y1

FeOOH

Fe2O3

3,56

12

750

20

M2

Y2

FeOOH

Fe2O3

3,30

20

75

18

M3

Y3

FeOOH

Fe2O3

3,38

0

75

23

M4

Mezcla 1

Fe2O3

SiO2, Al(OH)3, FeOOH

4,78

92

0

85

M5

Mezcla 1

Fe2O3


4,80

95

0

M6

Mezcla 1

Fe2O3


4,80

82

0

M7

Mezcla 1

Fe2O3


4,83

64

0

M8

Mezcla 1

Fe2O3


4,78

97

0

M9

Mezcla 1

Fe2O3


4,80

58

0

80

M10

Mezcla 2

Fe2O3


4,90

47

0

72

M11

Mezcla 2

Fe2O3


4,87

100

0

M12

Mezcla 2

Fe2O3


4,90

50

0

M13

Mezcla 2

Fe2O3


4,95

120

0

M14

Mezcla 2

Fe2O3


4,90

95

0

M15

Mezcla 2

FeOOH

SiO2, Al(OH)3, Fe2O3

4,92

47

0

76

94

35

De las muestras analizadas con anterioridad se procedió a seleccionar algunas de ellas extraídas del grupo entre M4 y M15, para realizar estudios complementarios. Estos análisis consistieron de determinar el intervalo de variación de dureza Vickers de este nuevo mineral mediante el uso de un microdurómetro adaptado a un microscopio óptico, caracterizar el contenido de material magnético cuantitativamente y las propiedades magnéticas de las mezclas en comparación con la materia prima original utilizada para la manufactura de la ORIMATITA®. En la Figura 1 se muestran fotomicrografías ópticas de la superficie pulida de muestras de mineral y la microdureza Vickers obtenida en función de su opacidad a la luz. Estos resultados se compararon con la dureza Vickers de otros minerales (Tabla 4) donde puede verse que la dureza de está nueva materia prima se

G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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ubica en el rango establecido y referenciado para las hematitas naturales y es comparable a las obtenidas en caracterizaciones pasadas de hematita [14,15].

200 +/- 57

M13

911 +/- 250

M12

911 +/- 250

685 +/- 83HV M1

M3

Figura 1. Fotomicrografías ópticas de secciones pulidas de las muestras M1, M3, M12 y M13, donde se observa la Microdureza Vickers HV0.1 promedio de las fases microestructurales Tabla 4. Valores de Microdureza Vickers de distintos minerales naturales [14,15] Mineral Calcita (CaCO3)

Dureza Vickers (kg/mm2) 190

Magnetita (Fe3O4)

500-700

Magnetita Sintética (Fe3O4)

250-1500

Hematita (Fe2O3)

250-1500

Granito

800-900

Arenisca (SiO2)

1200

Cuarzo (α-SiO2)

1000-1400

MPO (ORIMATITA® O48) (Fe 2O3)*

650-1100

Barita (BaSO4)*

250-650

Rango Mezclas M4-M15 (Fe 2O3)*

150-1160

* Calculadas a HV 0.1

La caracterización de las propiedades magnéticas se realizó determinando la susceptibilidad en aire de las muestras de interés. Este ensayo permitió determinar la remanencia magnética que es posible inducir sobre una muestra de material sólido cuando es sometido a un campo magnético externo H . Los resultados mostrados en la Figura 2, evidenciaron el comportamiento antiferromagnético de la barita y ferromagnetismo débil que muestra la hematita natural [16].


6

ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA ORIMATITA® 140000

6000 6

0 1 x ) c c 5000 / u m e ( a c i r 4000 t é m u l o v a 3000 c i t e n g a m2000 d a d i l i b i t p 1000 e c s u S

X m ≈

M H

≈

µ

−1

µ 0

m= Susceptibilidad Magnética M= Magnetización H= Campo Magnético auxiliar m= Permeabilidad magnética m= Permeabilidad magnética del vacío 

1500 1232 1000

1034

800 568 48

146

608

264

0

t a i r B a

3 M

2 M

8 5 t a a r 1 i t B O 3 a 4 m M ® O e r A s r H T l a I c F e T A e z M M I R O 1 M

P O M

t a i e n l m I

t a i t n e a g M

Figura 2. Susceptibilidad Magnética ( X m) de las muestras estudiadas y su comparación con valores teóricos de los densificantes más utilizados

A pesar de obtener valores superiores a los de barita, éstos no influirían directamente sobre los dispositivos de geonavegación y registros de las herramientas de fondo, pues los mismos representan casi el 1% del producido por la magnetita (140000x10 6 emu/cm3) de la cual se conoce que produce interferencia [4]. También estos valores son inferiores a los reportados para la ilmenita (1500x10 6 emu/cm3), la cual para no producir interferencias es necesario realizar una correcta calibración de las herramientas de registro [17]. Cuando se comparan los valores obtenidos entre la MPO (1232x10 6 emu/cm3) y la NMP (1034x106 emu/cm3) se tiene que esta última, muestra valores menores de susceptibilidad magnética que la materia prima original para la producción de ORIMATITA® (MPO), por lo cual no se espera gran incidencia en el comportamiento de las herramientas direccionales y de registro por el uso de estas mezclas de óxidos de hierro como materia prima en la producción de ORIMATITA®. También es importante resaltar que la susceptibilidad tiende a ser menor cuando se micronizan las partículas de hematita; esto al comparar los valores de la materia prima cruda (1232x10 6 emu/cm3) con los valores de la misma cuando se muele a las especificaciones de la O38 (608x10 6 emu/cm3), lo cual es esperado pues al tener menos dominios magnéticos por la reducción de tamaño, parte de los espines no pueden alinearse reduciendo la magnetización remanente [16]. Adicionalmente, estos valores de susceptibilidad magnética coincidieron con la composición cuantitativa determinada por espectroscopía Mössbauer . Ésta es una técnica de muy alta resolución en energía basada en el efecto Mössbauer , y consiste en someter la muestra a una radiación produciendo la absorción y emisión resonantes, de rayos gamma por núcleos G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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atómicos, libres de retroceso. Esto permite determinar su adsorción en función de los estados de oxidación y la estructura electrónica, logrando diferenciar el contenido de óxidos de hierro en porcentaje en función de sus espectros (Figura 3). + +++ ++++++++++++++++ ++++ ++ ++++++++++ ++++++++++ ++ ++ ++++ ++ + + + + + + + + + + + +++ + +++++ + + + + + + + + ++ + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + +

++

+ ++ +

++ +

(A (B EspectroTeór co

SUBESPECTRO

(A) (B)

D.I.(mm/s)

[ ? 0,01] 0,37 0,36

+EspectroExper mental

Parámetros Mössbauer Q.S.(mm/s) C.H.( kG) Proporción (%) [ ? 0,01] [ ? 3] -0,26 378 13 -0,19 521 87

INTERPRETACION

Goetita Hematita

Figura 3. Ejemplo de un espectro determinado por Mössbauer (muestra M4)

Ésta técnica permitió confirmar la no existencia de magnetita en las muestras a utilizar para la producción de ORIMATITA®. En función de estos resultados puede verse que a mayor contenido de hematita se obtiene una mayor susceptibilidad ya que los óxidos e hidróxidos de hierro normalmente son no estequiométricos y pueden presentar variedad de estados de oxidación y defectos atómicos [18] que varían en cierta manera el valor determinado en la presente investigación. En la Tabla 5 se muestran los valores cuantitativos y los óxidos detectados mediante la técnica de Espectroscopia Mössbauer de las muestras seleccionadas para su caracterización. En esta tabla puede verse que las muestras M1, M2 y M3 poseen mayor proporción de FeOOH, lo cual es esperado en función de los resultados obtenidos por difracción de rayos X (DRX) y solubilidad en ácido (HCl al 18% v/v). Sin embrago, esta técnica permitió determinar que hay que realizar ensayos complementarios a los de DRX para poder caracterizar las muestras con mayor exactitud. Adicionalmente, las muestras conformadas de mezclas presentaron un contenido de hematita que varió entre 80 y 100%, factor importante en la materia prima para la producción efectiva del densificante nacional ORIMATITA®. En función de los resultados de caracterización de las muestras extraídas de los yacimientos de mineral de hierro nacionales, se decidió seleccionar la materia prima G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

8


constituida de las mezclas comerciales M4-M15 como materia alternativa, ya que ésta mostró la mayor densidad (4,95 g/cm 3), el mayor contenido de óxidos de hierro (80-100% Fe2O3), ausencia total de magnetita y un contenido de SiO 2 menor al 1%. Tabla 5. Resultados de la caracterización cuantitativa de las muestras en estudio mediante la técnica de Espectroscopía Mössbauer Número de muestras

Nombre de la muestra

1

M3

Goetita Hematita

31 69

2

M2

Goetita Hematita

29 71

3

M1

Goetita Hematita

34 66

4

M4

Goetita Hematita

13 87

5

M5

Goetita Hematita

12 88

6

M10

Goetita Hematita

16 84

7

M11

Hematita

100

8

M14

Goetita Hematita

11 89

9

M15

Goetita Hematita

20 80

Interpretación

Proporción (%)

MOLIENDA EXPERIMENTAL NUEVA MATERIA PRIMA Una vez seleccionada la nueva materia prima (NMP) para la producción de ORIMATITA® O38, se procedió a realizar una molienda experimental a escala industrial para evaluar la molturación y el rendimiento de micronización de ésta bajo las especificaciones establecidas en el protocolo de manufactura de la ORIMATITA® versión O38. La molienda experimental también tenía como objetivo producir un lote de prueba para realizar ensayos de laboratorio que permitirían determinar el poder abrasivo y erosivo de fluidos de perforación densificados con ORIMATITA® O38 manufacturada a partir de la NMP. La molienda se llevó a cabo con un sistema de micronización de ciclo cerrado, caracterizada por un molino pendular de tres brazos marca POINTEMILLER ® acoplado a un clasificador dinámico y dos clasificadores estáticos que permitieron la adecuación granulométrica del producto. En total se procesaron 10 tm de mezcla de mineral de hierro seleccionada, para producir dos lotes de ORIMATITA® versión O38. Para producir el G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

9


primer lote experimental se procedió a realizar la purga y adecuación del sistema de molienda con una hematita sin especificación que se encontraba en la planta, hasta llegar a las especificaciones de D (v,0.9) establecidas para la O38 (Figura 4). Posteriormente se procedió a alimentar el sistema con la NMP y a ajustar los parámetros de molienda hasta obtener los valores especificados de D (v,0.9), controlando éste dentro de lo patrones de calidad que exige la producción de ORIMATITA®. De este primer lote se produjeron un total de 25 sacos con un rendimiento de 1,2 tm/h y con las siguientes especificaciones: DTP con un D(v, 0.9) de 36,81±0,87 µm, un porcentaje de sólidos por debajo de 6 µm de 19,35% v/v y una densidad específica de 4,63 ±0,20 g/cm3 determinada por el personal del laboratorio de control de calidad de la empresa de molienda con un picnométro de aire. 41,50 Hematita Micra (Purga y adecuación)

41,00

Materia prima seleccionada

Materia prima selec. Adecuación finos

40,50 40,00

E+ E

39,50 39,00

) 38,50 m ( 38,00 ) 9 . 37,50 0 , v 37,00 ( D 36,50 E- E

36,00 35,50 35,00 34,50 34,00 33,50 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Promedio estadistico: 36,81 micrones Desviación estándar de la media: 0,87 micrones

9 10 11 12 1 3 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

N° Medida

Figura 4. Control del parámetro D (v,0.9) durante la molienda experimental de la materia prima seleccionada (NMP) para la producción de ORIMATITA® O38

En el segundo lote experimental de ORIMATITA® O38 se redujo el contenido de finos por debajo de 6 µm en un rango que oscilara entre 10 y 15% v/v. Esto con la finalidad de validar si era posible producir una ORIMATITA® O38 con menor cantidad de finos, la cual sería beneficiosa para minimizar cualquier potencial invasión dichos sólidos hacia zonas productoras. De este segundo lote se produjeron un total de 5 sacos con un rendimiento de 0,9 tm/h y con las siguientes especificaciones: DTP con un D (v, 0.9) de 36,11±1,49 µm, un porcentaje de sólidos por debajo de 6 µm de 12,57% v/v y una densidad específica de 4,81±0,03 g/cm3. El aumento en la densidad específica se debió principalmente al cambio en el factor de empaquetamiento de las partículas y a la disminución relativa de sólidos finos de baja gravedad los cuales son fácilmente molidos y separados por el flujo de aire G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

10


de los ciclones. Con estas moliendas experimentales se demostró la factibilidad de producir la ORIMATITA® O38 mediante el uso de la NMP, la cual mostró una molienda efectiva y fácil de controlar de manera industrial. En la Figura 5, se muestra un resumen de los principales factores granulométricos logrados en la producción experimental de ORIMATITA® O38 manufactura con la NMP. 85 80 75

) % ( s a l u c í t r a p e d n ó i c a l b o P

X>75u

70

40u
65 60

6u
Hematita Micra (Purga y adecuación)

55

Materia prima seleccionada

X<6u

50 45 Adecuación finos menores a 6 micras

40 35 30

Máximo 25%

25 20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5

N° Medida

Figura 5. Control granulométrico durante la molienda e xperimental de la materia prima seleccionada (NMP) para la producción de ORIMATITA® O38

ENSAYOS DE ABRASIVIDAD Y EROSIÓN Una vez obtenido un lote suficiente de ORIMATITA® O38 producida con la NMP se procedió a realizar pruebas de laboratorio para determinar el poder abrasivo y erosivo que podrían producir los fluidos densificados con ésta y compararla con los estudios de optimización ejecutados entre el 2000 y el 2004 [4]. Para ello se realizó la evaluación de fluidos de perforación base aceite y base agua densificados con ORIMATITA® producida en la molienda experimental descrita con anterioridad. La determinación de la abrasión de los fluidos fue evaluada en laboratorio siguiendo la metodología modificada API RP 13I [19], ajustada para la evaluación del Índice de Abrasividad Relativa (IAR) de fluidos de perforación completamente formulados y la cual es descrita en detalle en [20,21]. Los resultados de la evaluación del IAR de fluidos de perforación base aceite de 16,5 lpg puede verse en la Figura 6. En esta figura pueden observarse los IAR determinados para una serie de fluidos base aceite densificados con ORIMATITA® O38 producida con la NMP, y se compara con el fluido de referencia (Barita) y la versión O48 de la ORIMATITA®. G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA ORIMATITA® ) 1,8000 n i m / g 1,6000 m ( a 1,4000 v i t a l e 1,2000 R d 1,0000 a d i v i s 0,8000 a r b A 0,6000 e d e 0,4000 c i d n 0,2000 I

Propiedades Reológicas: ORIMATITA® O38 NMP

1,5500

12,5 lpg: Vp (17), Pc (7)

16,5 lpg: Vp (34), Pc (17) ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo 16,5 lpg: Vp (44), Pc (16) ORIMATITA® O38 PLUS NMP 16,5 lpg: Vp (35), Pc (15) ORIMATITA® O38 PLUS NM P+Aditivo 16,5 lpg: Vp (43), Pc (22) BARITA STD: 12,5 lpg: Vp (21), Pc (7) 16,5 lpg: Vp (30), Pc (14)

1,0495 0,9300

0,4905

0,1290

0,1435

0,0000

ORIMATITA® ORIMATITA® O38 O38 plus NMP+AditivoNMP+Aditivo

Barita

ORI MATITA® ORIMATITA® ORIMATITA® O38 NMP O38 plus O48 MPO NMP

Figura 6. Comparación del Índice de Abrasividad Relativa (IAR) de fluidos base aceite de 16,5 lpg formulados con diferentes densificantes y materias primas [21]

Como puede verse en esta Figura 6, el IAR obtenido con la NMP es menor que el presentado por la ORIMATITA® O48 producida con la MPO, ya que ésta presenta una granulometría optimizada que produce una disminución del IAR de 40%. Sin embargo, éste sigue siendo mayor que el de la barita, lo cual es de esperarse pues es el mismo resultado obtenido en estudios anteriores. Es de hacer notar que el IAR entre la O38 y la O38 plus (menor contenido de finos) producidas con NMP, son similares teniéndose ligeras diferencias, producto de la menor cantidad de finos, lo que produce una mayor movilidad local de las partículas de hematita en el fluido dando como consecuencia un ligero incremente en el IAR. Este efecto se debe principalmente a que el desgaste erosivo/abrasivo depende de la velocidad (potencialmente) y del ángulo de impacto de las partículas sobre la superficie del aspa de prueba [22-24] por lo que a mayor tamaño de partícula mayor es el impacto. Por otro lado, cuando a estos sistemas base aceite se les adiciona un aditivo reductor de desgaste (polímero tipo SBR) a una concentración de 3,5 lpb, se obtienen valores del IAR inferiores a los de la barita (74% menos) y producen una disminución del 92% cuando se compara con el IAR de la ORIMATITA® O48. Este aditivo recubre las partículas de hematita por un mecanismo de adsorción e incrementa la viscosidad de la fase líquida del fluido de perforación, generando una modificación de la velocidad local de las partículas y un efecto amortiguador cuando éstas impactan las superficies metálicas; sin embargo, estos mecanismos de acción actualmente están en estudio para su validación.


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Para complementar los estudios de abrasividad de los fluidos base aceite se realizaron pruebas del IAR de fluidos con densidad de entre 12,5 y 16,5 lpg, para determinar el efecto del incremento de densidad y la comparación del potencial de abrasión de éstos con el fluido de perforación densificado con barita. Estos resultados se muestran en la Figura 7, donde puede verse el comportamiento esperado, en el cual el IAR aumenta con la cantidad de sólidos, siendo este efecto más marcado en los fluidos densificados con ORIMATTITA® O38 sin aditivo, debido a las diferencias en dureza, densidad y tenacidad de fractura [23]. 0,8000

) n i m / g m ( a v i t a l e R d a d i v i s a r b A e d e c i d n I

0,7000

0,6000

0,5000

0,4000

Propiedades ORIMATITA® O38 NMP 12,5 lpg: Vp (17), Pc (7) 14,5 lpg: Vp (31), Pc (17) 16,5 lpg: Vp (34), Pc (17) ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo 12,5 lpg: Vp (29), Pc (15) 14,5 lpg: Vp (41), Pc (31) 16,5 lpg: Vp (44), Pc (16) BARITA STD 12,5 lpg: Vp: (21), Pc (7) 14,5 lpg: Vp (31), Pc (23) 16,5 lpg: Vp (30), Pc (14)

0,6575

0,3883

0,3000 0,2008 0,1675

0,2000

0,1717

0,1181

0,1000

0,0133

0,0167

0,0121

0,0000

12,5

14,5

16,5

Densidad fluido base aceite (lpg)

Figura 7. Comparación del Índice de Abrasividad Relativa (IAR) de fluidos base aceite de densidad variada formulados con Barita y ORIMATITA® O38 NMP más aditivo reductor

Es importante destacar que para el caso de los fluidos base aceite de 12,5 lpg la diferencia en el IAR es similar, llegando a pensarse que podrían ser utilizados estos fluidos sin el uso de un aditivo reductor de desgaste; sin embargo, a densidades mayores, los fluidos densificados con ORIMATITA® O38 producida con NMP presentan IAR superiores a los de la barita. Debido a este efecto se les adicionó 3,5 lpb, a cada fluido, para logra IAR menores, obteniéndose un comportamiento lineal en el IAR el cual se muestra independiente de la densidad utilizada. Inclusive se encontró con un IAR menor a mayor cantidad de sólido lo cual no es esperado desde las teoría clásicas de desgaste [22-24]. Es importante destacar que en la tecnología desarrollada para el uso de densificantes en base de hematita natural en fluidos base aceite, es necesaria la combinación de una granulometría optimizada y el uso de aditivos poliméricos que interaccionen con la superficie activa del densificante. En función de este comportamiento encontrado, se podría optimizar la concentración del aditivo polimérico a valores menores G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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que 3,5 lpb cuando se esté en presencia de fluidos de perforación de densidad menor que 14,5 lpg. Adicional a la evaluación del IAR de los fluidos base aceite se realizó un estudio similar pero con fluidos de perforación base agua con densidad de 12,5 lpg; esto para poder validar el desgaste que podrían producir estos tipos de fluidos densificados con ORIMATITA® O38 y estudiar su comportamiento en condiciones que simulen las encontradas fuera de la ventana operacional probada. 0,2000 0,1800

) n i m0,1600 / g m ( a 0,1400 v i t a l e 0,1200 R d a 0,1000 d i v i s 0,0800 a r b A 0,0600 e d e c 0,0400 i d n I

Propiedades ORIMATITA® O38 NMP A lpg: Vp (27), Pc (20) B lpg: Vp (22), Pc (14) C lpg: Vp (28), Pc (22) ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo A lpg: Vp (30), Pc (22) B lpg: Vp (34), Pc (16) BARITA STD A lpg: Vp (29), : Pc (16) B lpg: Vp (31), Pc (23) C lpg: Vp (22), Pc (18) 0,0833 0,0833

0,0537 0,0592 0,0542

0,0450

0,0342

0,0371

0,0246

0,0200 0,0000 Empresa A

Empresa B

Empresa C

Figura 8. Comparación del Índice de Abrasividad Relativa (IAR) de fluidos base agua de 12,5 lpg formulados con Barita y ORIMATITA® O38 NMP más aditivo reductor [21]

En este caso se evaluaron tres formulaciones de distintas empresas encontrándose que el IAR de estos fluidos dependió marcadamente del tipo de formulación y los aditivos utilizados por cada empresa (Figura 8), las cuales incluían ciertos polímeros que funcionan como reductores de desgaste indirectos debido a efectos viscosificantes de la fase acuosa (modificadores reológicos y lubricantes). Esto permitió obtener valores de la ORIMATITA® O38 con esta NMP similares e inferiores a los densificados con barita. Lo anterior permitiría el uso de la ORIMATITA® en fluidos base agua para secciones superficiales. Sin embargo, para condiciones de caudales elevados (mayores a 650 gpm), se evaluaron formulaciones adicionándoles reductores de desgaste base agua tipo Poliacrilamidas (a 1,5 lpb), con lo cual se obtienen valores de IAR muy inferiores a los encontrados en fluidos densificados con barita (Figura 8). Una vez determinados los IAR de estos fluidos se procedió a realizar pruebas de erosión, que simularan a escala de banco, las condiciones de erosión más severas sufridas por las partes metálicas del sistema de circulación de fluidos de perforación en campo. Para ello G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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se utilizó un circuito de circulación cerrado provisto de tres toberas donde el fluido es proyectado o impactado sobre probetas metálicas (acero AISI1020 ) a diferentes velocidades por un tiempo determinado de 3 horas, para luego ser pesadas y calcular la tasa de erosión sufrida, en mg/h. Esta metodología fue establecida con anterioridad y es descrita en detalle en [2,3]. Los resultados encontrados para fluidos de perforación base aceite de 16,5 lpg se muestran en la Figura 9. 1000 Propiedades PropiedadesReologícas: Reologícas: ORIMATITA® O48 MPO ORIMATITA® MPO Vp(42-46), (42-46),Pc Pc (29-37) (29-37) Vp BARITA ESTANDAR BARITA ESTANDAR Vp(44-46), (44-46),Pc Pc (20-23) (20-23) Vp ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo Vp (53-55), Pc (21-25) Vp (53-55), Pc (21-25) ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo MP O38 NMO+Aditivo VpORIMATITA® (45-47), Pc (14-16) Vp (45-47), Pc (14-16)

100 ) h / g m ( n ó i s o r e e d a s a T

Acero AISI 1020 Angulo: 30°

10

1 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0

Velocidad del fluido (m/seg)

Figura 9. Comparación de la tasa de erosión de fluidos base aceite de 16,5 lpg [21]

En la figura anterior puede apreciarse que los fluidos de perforación densificados con ORIMATITA® producidos con NMP, MPO y aditivados con reductor de desgaste (polímero tipo SBR) muestran valores o tasas de erosión menores a los encontrados por fluidos densificados con una barita comercial, apreciándose una diferencia pequeña entre ambas materias primas, por lo cual se puede afirmar que el cambio de ésta para la manufactura de la ORIMATITA® no tiene incidencias importantes en la erosividad producida por estos fluidos de perforación. Al igual que en el caso de la determinación del IAR los fluidos de perforación optimizados granulométricamente y usados en conjunto con un reductor de desgaste presentan tasas de erosión casi 20 veces menores a las encontradas en fluidos densificados con la versión del año 2000 de la ORIMATITA® (O48) e inclusive menores a las presentadas por la barita. Este efecto es importante ya que la erosión de los fluidos de perforación depende de la velocidad de las partículas en su seno (caudal), concentración de sólidos (densidad del fluido) y propiedades físicas de las mismas (dureza, densidad y tenacidad de fractura de partículas densificantes)[23]. El efecto de la densidad del fluido base aceite se puede apreciar en la Figura 10, donde se G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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aprecia que la tasa de erosión encontrada es función de los parámetros descritos con anterioridad. Al igual que en el caso de la determinación de IAR se evaluó en el circuito de erosión, bajo las mismas condiciones a los fluidos base aceite, una formulación de un fluido base agua, sin aditivo reductor, densificada hasta 12,5 lpg (Figura 11). Se encontró que estos fluidos presentaron una tasa de erosión ligeramente menor a los obtenidos con barita, reproduciéndose y validándose lo evaluado con anterioridad para este tipo de fluidos formulados con los aditivos de la empresa C en el ensayo de IAR. 10,0 Propiedades Reologícas: 16,5 lpg (ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo) Vp (53-55), Pc (21-31) 14,5 lpg (ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo) Vp (40-42), Pc (29-33) 12,5 lpg (ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo) Vp (29-30), Pc (14-16)

) h / g m ( n ó i s 1,0 o r e e d a s a T


Densidad

9

10

11

0,1

12

13

14

15

16

17


Figura 10. Variación de la tasa de erosión con la densidad, fluidos base aceite con ORIMATITA® O38 NMP+Aditivo [21] 100 Propiedades Reologícas: ORIMATITA® O38 NMP Vp (27-32), Pc (11-20) BARITA ESTANDAR Vp (26-32), Pc (8-13)

) h / g 10 m ( n ó i s o r e e d a s a 1 T

9

10


11

12

13

14

15

0


Figura 11. Comparación de la tasa de erosión de fluidos base agua de 12,5 lpg formulados por la empresa C [21] G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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DEMANDA 2007-2012 Y PROPUESTA DE IMPLANTACIÓN Una vez seleccionada la nueva materia prima (NMP) para la manufactura de la ORIMATITA® se procedió a establecer la demanda de densificante por parte de PDVSA de acuerdo con el Plan Siembra Petrolera 2007-2012, así como, la demanda total de densificante por año en Venezuela para lo cual se contó con el aporte de información por parte de representantes de los distritos operacionales, específicamente de las gerencias de construcción y mantenimiento de pozos. Adicionalmente, se realizó la estimación del potencial de exportación del densificante en Latinoamérica y el Caribe. La posible demanda de densificante (en este caso barita) dentro de los planes de incremento de producción se estimó en 150 Mtm promedio anual (Figura 12). Sin embargo, esta cifra no contemplaba las operaciones en costa afuera y de las empresas mixtas. Una vez visto el panorama general se llegó a una estimación en la demanda de aproximadamente 208 Mtm/año (Figura 12). Por otro lado en una revisión de la información encontrada en la base de datos en línea de la Sociedad Geológica de Estados Unidos [25] y en la publicación Oil&Gas Journal [26], se tiene un potencial mercado en la región latinoamericana de aproximadamente 350 Mtm/año de densificante, lo que estimularía la formación de empresas de molienda nacionales con posibilidad de exportación para suplir dicho mercado a largo plazo. Una vez establecido el mercado potencial de densificante se procedió a identificar el número de empresas de molienda que podrían producir la ORIMATITA® bajo las especificaciones establecidas por PDVSA Intevep, S.A. y que poseen capacidad inmediata o a largo plazo. En total se identificaron más de 15 empresas con capacidad variada y ubicadas estratégicamente cerca de los centros de producción, por lo que se estableció una propuesta de sustitución parcial de la demanda de densificante en función de la capacidad de molienda de hematita a instalarse por año y la ventana operacional establecida para la ORIMATITA® O38 en el 2001. Este plan permitió estimar que para el año 2012 se logre una sustitución del 80% de la demanda nacional, la cual generaría una sustitución estimada de divisas de alrededor de 196MMMUS$ en 5 años (calculado a 18$/saco de barita precio F.O.B. 2007 [27]) y ahorros de 43MMMUS$ (92 MMMBs.F) por disminución de costos de adquisición de densificante (saco de ORIMATITA® estimado a 14$/saco precio F.O.B. 2007 [28]). El plan de implantación se espera desarrollar en conjunto con las empresas de molienda identificadas, empresas de servicios, Ferrominera del Orinoco y las Gerencias de PDVSA de Empresas de Producción Social, Bariven, Perforación e Intevep. G. Quercia, D. Pernía, R. Rengifo, F. Quiroga, M. Mas, PDVSA Intevep, S.A.- Venezuela.

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ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA ORIMATITA® 300000

90 ORIMATITA®

275000

Barita 256657

Plan siembra 250000 225000

) o 200000 a / m 175000 t M ( 150000 e t n a 125000 c i f i s 100000 n e D 75000

Demanda Total Venezuela

80

233324

70

% de sustitución 212113 192830

60

175300 159364

50 35060

57849

40

84845 116662 153994

30 159364 140240

134981

127268

20 116662

) % ( a d n a m e d e d n ó i c u t i t s u S

102663

50000

10 25000 0

0 2007

2008

2009

2010

2011

2012

Figura 12. Demanda de densificante y estrategia de sustitución de barita por ORIMATITA® plan 2007-2012

CONCLUSIONES En función de los estudios realizados en la presente investigación para la selección de la materia prima, caracterización y evaluación de la misma en fluidos de perforación base aceite y base agua, se pueden establecer las siguientes conclusiones y consideraciones finales con respecto al estado actual de la Tecnología ORIMATITA®: 1. Se logró identificar y caracterizar una nueva materia prima (NMP) grado comercial constituida de una mezcla de minerales (Fe 2O3, FeOOH, trazas de SiO 2 y Al(OH)3), la cual cumple con las características necesarias para su utilización en la manufactura del densificante nacional ORIMATITA®, con reservas probadas de 2 00 MMMtm. 2. La caracterización fisico-química de la materia prima seleccionada mostró valores de densidad, dureza, solubilidad y susceptibilidad magnética similares a la materia prima original utilizada para la manufactura de la ORIMATITA®. 3. Se demostró experimentalmente y a escala industrial la factibilidad de producir el densificante nacional ORIMATITA® mediante el uso de la NMP, obteniéndose valores de densidad y rangos granulométricos dentro de las especificaciones técnicas del producto. 4. Se determinó en función de los ensayos de abrasividad (IAR) y erosión en fluidos de perforación base aceite y base agua que la nueva materia prima (NMP) produce desgaste similares e inferiores a la materia prima original (MPO) utilizada para la elaboración del densificante ORIMATITA®.


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5. Para fluidos de perforación base aceite por encima de 12,5 lpg es necesario el uso de reductores de desgaste para obtener un IAR y tasas de erosión similares e inferiores a los obtenidos en fluidos densificados con barita. 6. El desgaste que producen los fluidos de perforación base agua densificados con ORIMATITA® O38 depende de la formulación y el tipo de aditivos poliméricos utilizados, teniéndose en algunos casos la no necesidad de adicionar reductores de desgaste para obtener IAR y tasas de erosión similares a la barita. 7. Se estableció la demanda nacional de densificante y se generó una propuesta de implantación progresiva para el uso del densificante nacional ORIMATITA® en las operaciones de perforación en Venezuela en los próximos 5 años, mostrando efectivamente un potencial de ahorro de divisas y disminución de costos en la adquisición de densificante.

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Informacion Sobre ORIMATITA

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