2008
CONTENIDO DE SOLIDOS Y CONTENIDO DE ARENA 4TO LABORATORIO DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN CURSO: FLUIDOS DE PERFORACIÓN PROFESOR: ING. DANIEL CANTO
Héctor Enriq! L!i"# E$t!%#n &''(')(*I )'+',+&''*
OBJETIVO •
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Mostrar la importancia de que al tener un buen sistema de control de sólidos se logra una mayor eficiencia de remoción de sólidos perforados tratando de reducir al máximo la perdida de los líquidos, con esto los desechos de la perf perfora oraci ción ón de un pozo pozo de petró petróle leo o son son prim primera erame ment nte e alma almace cena nado dos, s, trat tratad ados os y disp dispue uest stos os fina finalm lmen ente te al me medi dio o ambi ambien ente te con con pará paráme metro tros s establecidos en la industria Conocer el efecto abrasivo que puede tener un lodo por la alta concentración de arenas, lo cual dañará las bombas, tuberías y brocas de perforación
CONTENIDO TEÓRICO CONTROL DE SOLIDOS !a tecnología pionera del control de sólidos fue un proceso evolutivo lento a trav"s de muchos años !os primeros intentos fueron básicamente a #prueba y error$, utilizando m"todos rudimentarios para resolver problemas de perforación conforme estos se presentaban, tales como la utilización de fosas de sedimentación de lodo para para el contro controll de sólido sólidos s %oster %osterior iormen mente te la indust industria ria de per perfor foraci ación ón petrol petrolera era comenz comenzó ó a adopta adoptarr y modifi modificar car la tecnol tecnologí ogía a de separa separació ción n proven provenien iente te de las indust industria rias s del carbón carbón y minera minera Confor Conforme me las grande grandes s compañ compañías ías petrol petroleras eras comenzaron a ver los beneficios de la remoción de sólidos del fluido de perforación, estas estas crearo crearon n labora laborator torios ios de invest investiga igaci ción ón para para estudi estudiar ar las soluci solucione ones s a las comunes aplicaciones de perforación de pozos y entonces comenzaron a me&orar los m"todo m"todos s dispon disponibl ibles es para para la indust industria ria Confor Conforme me los fluido fluidos s de per perfor foraci ación ón llegaron a incrementarse tanto en comple&idad como en costo, los requerimientos de sistemas de control de sólidos más eficientes llegaron a ser evidentes !as principales compañías petroleras, &unto con los proveedores de servicios, unieron fuerzas para desarrollar me&ores equipos y m"todos de control de sólidos con el fin de reducir los costos de perforación y minimizar problemas en el pozo relacionados con con la cont contam amin inac ació ión n de sóli sólido dos s 'ste 'ste cicl ciclo o de perf perfora oraci ción ón más más prof profun unda da,, requeriente requeriente de fluidos fluidos de perforación perforación más sofistica sofisticados, dos, mayores velocidade velocidades s de penetra penetració ción n y un aument aumento o en los costos costos de perfora perforació ción, n, contin contin(a (a dando dando una tendencia sobre los equipos de control de sólidos y tecnología disponibles )n factor principal que afecta a la industria de perforación a nivel mundial, es la creciente deman demanda da de la red reduc ucci ción ón y even eventu tual al elim elimin inac ació ión n de toda toda la cont contam amin inac ació ión n ambiental asociada con estas operaciones *ctualmente, este (nico factor ha sido la mayor fuerza conductora en el desarrollo de me&ores sistemas, prácticas y equipos de control de sólidos *l utilizar el m"todo de sistema para maximizar todo el proceso, se hace más evidente la diferencia entre un pozo exitoso, perforado dentro o ba&o presupuesto, o uno que es forzado por problemas y sufre de excesivos costos 'sta presentación expone la evolución de las prácticas del control de sólidos, la tecnología y los sistemas actuales, y proporciona una idea de las demandas de las operaciones futuras *demás, se expone la necesidad de evaluar los requerimientos de control de sólidos caso por caso +o pozo por pozo, debido a la magnitud de las diferencias de un proyecto al siguiente 'stas variaciones, en los tipos de pozos perforados a nivel mundial, requerirán de soluciones a la medida, tanto del control de sólidos como de las cuestiones de su mane&o y disposición
%or consiguiente, los me&ores sistemas de control de sólidos y-o mane&o de sólidos, llegan a ser aquellos que son los adecuados al proyecto, en lugar de un sistema universal (nico !os tipos y las cantidades de sólidos presentes en los sistemas de lodo determinan la densidad del fluido, la viscosidad, los esfuerzos de gel, la calidad del revoque y el control de filtración, así como otras propiedades químicas y mecánicas !os sólidos y sus vol(menes tambi"n afectan los costos del lodo y del pozo, incluyendo factores como la .elocidad de %enetración +/0%, la hidráulica, las tasas de dilución, el torque y el arrastre, las presiones de surgencia y pistoneo, la pegadura por presión diferencial, la p"rdida de circulación, la estabilidad del pozo, y el embolamiento de la barrena y del con&unto con&unto de fondo fondo * su vez, estos factores factores afectan la vida (til de las barrenas, bombas y otros equipos mecánicos %roductos químicos, arcillas y materiales densificantes son agregados al lodo de perfora perforació ción n para para lograr lograr varias varias propie propiedad dades es deseab deseables les !os sólido sólidos s perfora perforados dos,, compuestos de rocas y arcillas de ba&o rendimiento, se incorporan en el lodo 'stos sólidos afectan negativamente muchas propiedades del lodo 1in embargo, como no es posible eliminar todos los sólidos perforados 2 ya sea mecánicamente o por otros medios medios 2 "stos "stos deben deben ser consid considerad erados os como como contam contamina inante ntes s consta constante ntes s de un sistema de lodo !a remoción de sólidos es uno de los más importantes aspectos del control del sistema de lodo, ya que tiene un impacto directo sobre la eficacia de la perforación 'l dinero invertido en el control de sólidos y la solución de problemas relacionados con los sólidos perforados representa una porción importante de los costos globales de perforación 'l control de sólidos es un problema constante 2 cada día, en cada pozo
FUNDAMENTOS !os sólidos del lodo de perforación pueden ser separados en dos categorías3 LGS Sólido Sólidos s de Baja Baja Graved Gravedad ad Especí Específic fica a ( LGS ), ), con una 4raved 4ravedad ad 'specí 'specífic fica a +14 +14 comprendida en el rango de 5,6 a 5,7, y los Sólidos de Alta Gravedad Específica ( HGS ), ), con una 14 de 8,5 o más !os materiales materiales densificant densificantes es como la barita barita o la HGS hemati hem atita ta compon componen en la catego categoría ría de 941 y son usados usados para para lograr lograr densid densidade ades s superiores a :;,; lb-gal +14<:,5 !os sólidos perforados, las arcillas y la mayoría de los los demás demás adit aditiv ivos os de lodo lodo está están n incl inclui uidos dos en la cate categor goría ía de !41 !41 y son son frecuentemente los (nicos sólidos usados para obtener densidades de hasta :;,; lb-gal +14=:,5 !a figura muestra el rango recomendado de contenido total de sólidos para los lodos base agua
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Rango recomendado de sólidos en los lodos base agua
'l control de sólidos se logra usando uno o varios de los m"todos básicos de separación de sólidos3 > 1edimentación > ?aranda > 9idrociclones > Centrífugas rotativas !os hidrociclones y las centrífugas usan la fuerza centrífuga para lograr tasas de separación más altas que las que se pueden obtener mediante la sedimentación gravitacional 'stos m"todos son similares a la sedimentación y están gobernados por las leyes de la física 1i se mantiene el lodo en circulación para romper los esfuerzos de gel, entonces la sedimentación de las partículas está gobernada por la ley de 1to@es, la cual es3
Aonde3
Vs B .elocidad de caída o sedimentación +pie-seg gc B Constante de gravedad +pie-seg5 DsB Aiámetro del sólido +pie ρs B Aensidad del sólido +lb-pie6 ρL B Aensidad del líquido +lb-pie6 µ B .iscosidad del líquido +c% 'sta ecuación es una representación matemática de los hechos que se observan com(nmente ie, cuanto más grande sea la diferencia entre la densidad del sólido y la densidad densidad del líquido líquido +Ds 2 D!, más rápida rápida será la sedimentaci sedimentación ón del sólido sólido cuanto más grande sea una partícula +A 1, más rápida será su sedimentación y cuanto cuanto más ba&a sea la viscosidad viscosidad del líquido líquido +E, más rápida rápida será la velocidad de sedimentación *demás, si se puede aumentar mecánicamente la fuerza que act(a sobre las partículas +g C, la vel veloci ocidad dad de sedi sedime ment nta ación ción aume aument nta ará proporcionalmente %ara un movimiento centrífugo como el que se observa en los hidrociclones y las centrífugas, la fuerza de separación es proporcional al diámetro
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del movimiento circular, multiplicado por el cuadrado de la velocidad rotacional +/%M, multiplicado por la masa de la partícula !as observaciones realizadas en el campo verifican que la ba&a viscosidad del lodo, sumada a un caudal ba&o del lodo, favorecen la sedimentación de los sólidos más grandes y más pesados %or lo tanto, la remoción de la arena y de los recortes mediante la sedimentación o la fuerza centrífuga resulta práctica y beneficiosa 1in embargo, si el lodo contiene barita, "sta tambi"n puede sedimentarse !a (nica manera de que todos los recortes puedan ser separados de toda la barita sería que todos los recortes fuesen del mismo tamaño y que toda la barita tenga un tamaño y una masa totalmente diferentes !a ley de 1to@es demuestra que partículas de diferentes densidades y tamaños, con masas id"nticas +densidad multiplicada por el volumen, tienen exactamente la misma velocidad de sedimentación %or e&emplo, una partícula de arena o lutita +14 5,F que es aproximadamente : :-5 veces más grande que una partícula determinada de barita +14 8,5 se sedimentará más o menos a la misma velocidad +: :-5 x 5,F B 6,G, dondequiera que est" ubicada 2 tanque de asentamiento, hidrociclón o centrífuga Aesde el punto de vista de la sepa separa raci ción ón de sóli sólido dos, s, serí sería a impo imposi sibl ble e sepa separa rarr un una a part partíc ícul ula a de luti lutita ta de F; micron micrones es de una partícul partícula a de barita barita de 8; micron micrones es utiliz utilizand ando o las t"cnicas t"cnicas de sedimentación !os hidrociclones y-o las centrífugas no son perfectos en lo que se refiere a la separación de los sólidos no deseados del lodo 1in embargo, las venta&as ofrecidas por estos equipos compensan ampliamente sus limitaciones Cada equipo de control de sólidos está diseñado para eliminar una cantidad suficiente de sólidos de manera que se pueda mantener un nivel controlable de sólidos perforados 's importante usar usar la comb combin inac ació ión n corr correc ecta ta de equi equipo pos s para para un una a situ situac ació ión n determ determin inad ada, a, y asegurarse que "stos funcionen y est"n configurados de la manera correcta
CLASIFICACION DE LOS TAMAÑOS DE PARTICULAS 's importante entender la manera en que los tamaños de las partículas contenidas en el lodo de perforación se clasifican y los tipos de sólidos que corresponden a cada categoría !as partículas del lodo de perforación pueden variar de arcillas muy pequeñas +menos de :-5H8;; de pulgada a recortes muy grandes +más de una pulgada Aebido a las partículas extremadamente pequeñas, los tamaños están indicados en micrones )n micrón es una millon"sima de metro +:-:;;;;;; ó : x :;IF m %or lo tanto, : pulgada es igual a 5H8;; micrones !os sólidos del fluido de perforación están clasificados en las siguientes categorías, de conformidad con su tamaño3 !a tabla tabla y las figuras figuras siguie siguiente ntes s relaci relaciona onan n los tamaños tamaños de las partícul partículas as con t"rminos familiares, e&emplos típicos, mallas equivalentes, y con los equipos de control de sólidos que eliminarán partículas que tienen un tamaño determinado !a malla es importante porque determina el tamaño de separación para las zarandas !a Jigu Jigura ra 6 es un dibu dibu&o &o ampl amplia iado do para para most mostra rarr los los tama tamaño ños s de mall malla a que que aumentan de malla 5; a 65H y el tamaño equivalente de partícula +en micrones que pasará a trav"s de cada malla 1e usa una malla 5;; para la %rueba de *rena de *%K, en la cual todas las partículas que no pasan a trav"s de la malla +
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Clasificación de los sólidos de acuerdo al tamaño
Tamaños de malla vs. micrones de aertura. !a agrupación agrupación de los sólidos sólidos en base al tamaño no toma en cuenta la composición composición física del material que se está midiendo, aunque se usen los t"rminos #limo$ y #arena$ %or e&emplo, las partículas de tamaño de limo pueden incluir partículas de lutita, arena fina, carbonatos finos y barita !as partículas de tamaño de arena pueden pueden inclui incluirr partíc partícula ulas s de arena, arena, lutita lutita,, carbon carbonato atos, s, recorte recortes s y materi materiale ales s de p"rdida de circulación, agentes puenteantes y barita gruesa !os sólidos coloidales incluyen la bentonita y otras arcillas sólidos perforados muy finos +lutita, arena y carbonatos y barita fina 'n general, el t"rmino #arcilla$ se usa para describir los minerales arcillosos molidos de alta calidad, como la bentonita de Oyoming, que son agregados para aumentar la viscosidad del lodo y me&orar el revoque 1in embargo, los recortes, la barita y otros sólidos tambi"n aumentan la viscosidad, especialmente si el tamaño de las partículas se degrada dentro del rango de tamaños coloidales !a Jigura 8 ilustra la
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manera en que el tamaño de las partículas afecta el área superficial para un sólido de volume volumen n determ determina inado do 1i un sólido sólido perforado perforado original original fuera un cubo cubo de 8; micrones, su área superficial sería de GF;; micrones cuadrados 1i se permite que este cubo de 8; micrones se degrade en cubos individuales de : micrón, el n(mero de partículas será F8;;; y el área superficial aumentará a 678;;; micrones cuadrados, es decir 8; veces el valor original 'l volumen de sólidos perforados no cambió durante esta degradación del tamaño de las partículas 1e debe tener en cuenta que el espesor de una sola laminilla de arcilla sólo es de :; angstroms )n angstrom es igual a :-:;;;; micrones o : x :;I:; m 1i se permite que el cubo de 8; micrones se degrade en secciones de espesor de laminilla de arcilla de 8; micrones por 8; micrones, el n(mero de partículas sólo será 8;;;; sin embargo, el área superficial aumentará a :57;;F8;; micrones cuadrados, o :6668 veces el área superficial original 'n un lodo lodo de perfora perforació ción, n, la viscos viscosida idad d aument aumenta a propor proporcio cional nalmen mente te al área área super superfi fici cial al de los los sóli sólido dos s 'l área área supe superf rfic icia iall de todo todos s los los sóli sólido dos s debe debe esta estarr humectada * medida que la cantidad de líquido disminuye debido al aumento del área superficial, superficial, la viscosida viscosidad d del fluido aumenta aumenta y la eficiencia eficiencia disminuye disminuye !os sólidos coloidales producen la mayoría de la viscosidad en los lodos de perforación, debido a este aumento del área superficial %or este motivo, el volumen de los sólidos coloidales contenidos en el lodo de perforación debe ser controlado por razones de economía y eficacia
Efecto del tamaño de las partículas sobre el área superficial.
EQUIPO Y MATERIALES • • •
)n cedazo de malla 5;; )n embudo que se a&usta sobre el soporte del cedazo )n tubo de vidrio vidrio calibr calibrado ado donde donde se lee directame directamente nte el porcenta porcenta&e &e de arena en volumen
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)na malla 5;; +LH micrones )na malla 65H +8H micrones
PROCEDIMIENTO a) 11! g" B#$%&$'% B#$%&$'%a a ( ** g" Ba"'%'$a Ba"'%'$a ( * g" g" B'&g#+ ( ,!* cc cc -O .) ! g" B#$%&$' B#$%&$'%a %a ( 11! g" g" Ba"'%'$a Ba"'%'$a ( ,!* ,!* cc -O
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CONTENIDO DE ARENA •
%repar %reparamo amos s las respec respectiv tivas as muestras muestras de lodo seguir con procedimiento
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y una vez reci"n reci"n agitada agitada
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9acemos pasar todo el lodo por el cedazo de malla 5;; del equipo a un recipiente de vidrio, obteni"ndose la arena en la malla y el resto del líquido del lodo en el recipiente
!avamos la arena retenida en el cedazo hasta eliminar las trazas de lodo Colocamos el embudo sobre el cedazo y lo invertimos lentamente Con agua hacemos caer la arena del cedazo al tubo 'sperando que se asiente la arena
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'n las graduaciones del tubo leemos el porcenta&e de arena en volumen
CONTENIDO DE SOLIDOS •
%esamos :;; gr de Paritina, 5 muestras para cada malla 5;; y 65H Con ayuda de agua separamos el sólido en e n cada malla
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*quí en la foto se puede apreciar los sólidos que quedaron despu"s de lavar nuestra muestra
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Colocamos Colocamos ambas mallas mallas al horno alrededor alrededor de 6; minutos para obtener la arena seca
)na vez seca la arena de cada malla, la pesamos
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CALCULOS Y RESULTADOS CONTENIDO DE ARENA a) 11! g" B#$%&$'% B#$%&$'%a a ( ** g" Ba"'%'$a Ba"'%'$a ( * g" g" B'&g#+ ( ,!* cc cc -O .olumen total de muestra B 6; cc 'n el tubo calibrado en porcenta&e Jann B 6 'n volumen B ;G cc
.) ! g" B#$%&$' B#$%&$'%a %a ( 11! g" g" Ba"'%'$a Ba"'%'$a ( ,!* ,!* cc -O .olumen total de muestra B 6; cc 'n el tubo calibrado en porcenta&e Jann B 5 'n volumen B ;F cc
CONTENIDO DE SOLIDO /"0& A2 Masa baritina Masa baritina
B :;; gr 65H B :;; gr 5;;
!el "orno# Masa baritina Masa baritina
B ::G8L gr 65H B HH87L gr 5;;
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"allando el porcentaje en masa# 5;; B +::G8L-:; x :;; B ::G8L 65H B +HH87L-:; x :;; B HH87L
/"0& B2 Masa baritina Masa baritina
B :;; gr 65H B :;; gr 5;;
!el "orno# Masa baritina Masa baritina
B :675; gr 65H B 5F6GH gr 5;;
"allando el porcentaje en masa# 5;; B +:675;-:; x :;; B :675; 65H B +5F6GH-:; x :;; B 5F6GH
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES •
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'n el contenido de arena notamos que el biogel se adhiere a la bentonita y esto origina un líquido viscoso que no permite que ba&e el sólido )na buena bentonita es cuando tiene una concentración de G; gr-bbl y su Eap B :H c% 'n un control preciso de lodo de perforación requiere que se hagan algunas mediciones sobre el porcenta&e de arcillas y bentonitas presentes 'ste es un m"todo que ayuda a ver el rendimiento de los equipos de control de sólidos y si estos están traba&ando bien, como son la zaranda vibratoria y los hidrociclones !os sólidos aumentan en el lodo por causa de perforar formaciones suaves donde puede haber derrumbamientos de paredes, los que generan mayor contenido de sólidos 'l alto contenido de sólidos tiene un efecto muy per&udicial en la viscosidad, pues pues el increm increment ento o de sólido sólidos s produc produce e un increm increment ento o expone exponenci ncial al de la viscosidad Qodo aumento aumento en la superficie total expuesta expuesta de los sólidos se refle&ará en una viscosidad plástica aumentada 1i una partícula sólida se parte parte por la mitad, mitad, se obtendr obtendrán án dos porcion porciones es cuyas cuyas superfici superficie e total total expuesta será mayor a la de la partícula original )na partícula plana plana tiene más superficie expuesta que una partícula esf"rica del mismo volumen !a mayoría de las las veces, sin embargo, un aumento de la viscosidad viscosidad plástica es la consecuencia consecuencia de un aumento en el porcenta&e de sólidos )n alto contenido contenido de sólidos sólidos produce produce una disminución disminución en el avance avance de la perforación
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* mayor contenido de sólidos, mayor es el peligro de pegamiento de la sarta de perforación a las paredes del pozo, ya que es mayor la cantidad de sólidos que quedan pegados a las paredes del pozo durante la circulación 1i hay un alto contenido de sólidos disminuye la vida de la broca pues cuan cuanto to mayo mayorr es el cont conten enid ido o de sóli sólidos dos,, mayo mayorr es la proba probabi bili lida dad d de existencia de partículas abrasivas, las cuales a la vez de disminuir la vida de la broca, producen tambi"n un desgaste prematuro de las diferentes partes del sistema circulante )n buen control de sólidos no presenta beneficios como3 Me&ora torta de filtrado, Puenas propiedades del lodo, *lta eficiencia de perforación, Me&ora la vida vida (til (til de equipo equipos, s, /educe /educe costos costos de dispos disposici ición, ón, Pa&os Pa&os costos costos de proyectos, /educe problemas del pozo y /educe costos de lodo
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