UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE MONAGAS ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO LABORATORIO DE PERFORACIÓN MATURÍN / MONAGAS / VENEZUELA
(INFORME 4° Y 5°)
Maturín, Julio de 2008
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Maturín, Julio de 2008
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Índice Introducción............................................................................................................................4 Marco Teórico.........................................................................................................................5 LODOS DE LIGNOSULFONATO....................................................................................7 Aplicaciones de los lodos de Lignosulfonato..........................................................................7 Conversión .............................................................................................................................8 Ventajas de utilizar lodos de lignosulfonato ........................................................................10 CONTAMINANTES DE LODOS....................................................................................17 Contaminación con sal común (NaCl)..................................................................................17 Fuentes de contaminación con sal.........................................................................................17 Propiedades del lodo que se ven afectadas por la contaminación con sal:...........................18 Agentes químicos empleados en el tratamiento de lodos contaminados con sal. ................18 Procedimientos y Equipos Utilizados...................................................................................20 Resultados y Análisis............................................................................................................26 Parte I: Lodo de Lignosulfonato...........................................................................................26 Parte II: Lodo de Lignosulfonato Contaminado con Sal.......................................................29 Por teoría sabemos que a mayor cantidad de aditivos agregados habrá mayor cantidad de sólidos y esto se comprueba con estos experimentos ya que en el caso I los resultados obtenidos muestran mayor cantidad de sólidos que el caso II lo que es lógico ya que en los caso I se aplico mayor cantidad de aditivos que en los caso II y muestra clara de esto es el aumento en la viscosidad plástica en el caso I con respecto al caso II, al igual que el porcentaje de sólidos es mayor en el caso I. Con la cantidad de aditivos agregados se puede p uede esperar que la viscosidad plástica hubiese sido mucho mayor en ambos caso, sin embargo, el lodo lignosulfonato tiene como propiedad el de dispersar los sólidos y por tanto la viscosidad plástica se vera reducida......................................................................................32 Conclusiones.........................................................................................................................33 Recomendaciones..................................................................................................................34 Bibliografía...........................................................................................................................36
Introducción
Los lignosulfonatos ferrocrómicos fueron empleados por primera vez en el año 1956, para reducir la viscosidad y las resistencias de geles en lodos de yeso. Estos dispersantes mostraron su eficacia en tal grado que se les ensayó en lodos de otros tipos y se comprobó su utilidad en lodos simples, en lodos salinos y en lodos tratados con calcio. El empleo de estos productos, los lignosulfonatos de cromo, como acondicionadores universales de lodos fue ampliamente aceptado hacia 1960. Los lodos de tipo lignosulfonato son de gran importancia en la perforación de pozos, debido a que generalmente se obtienen mayores velocidades de perforación mediante su uso, especialmente cuando se mantienen bajas concentraciones de sólidos. El aumento de la velocidad de perforación trae como resultado un aumento de la estabilidad de las paredes del pozo, debido principalmente al mejoramiento en las propiedades de flujo, lo que a su vez origina que se puedan perforar pozos en menor tiempo, aumentando de esta manera la rentabilidad de los proyectos. Durante el proceso de perforación se atraviesan muchas zonas que contaminan el lodo, causando que muchas de sus propiedades se vean alteradas, las contaminaciones con sal pueden estar presentes en los domos salinos y los flujos de agua salada. Este informe tiene como finalidad estudiar el comportamiento reológico de un lodo tratado con lignosulfonato y analizar la variación de sus propiedades al enfrentarse con una contaminación con sal, lo cual es un evento muy común durante la perforación de un pozo.
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Marco Teórico
A fin de comprender los términos utilizados durante la realización del informe se presentan una serie de términos frecuentemente utilizados al hablar de lodos o fluidos de perforación, los cuales son:
Densidad: Se define como el peso del lodo por unidad de volumen y depende de la cantidad y gravedad especifica del líquido dispersante y de los sólidos en suspensión. Es el principal factor para el control de lodo en la perforación, por medio de esta, se controla la presión de la formación y controla también el derrumbe en áreas que han sido tectónicamente activadas.
Viscosidad: Es la resistencia interna que ofrece un fluido. Una suspensión coloidal, como un lodo de perforación no tiene viscosidad constante a una temperatura y presión dada. Esta en la perforación ejerce el control de la reología ajustándolo mediante el control de sólidos, el contenido de agua y la adición de aditivos químicos.
Viscosidad Plástica: Es aquella parte de la resistencia a fluir causada por la fricción mecánica. Para reducir la fricción se utilizan aditivos conocidos como lubricantes.
Punto Cedente: Es la resistencia al flujo causada por las fuerzas de atracción entre las partículas sólidas del lodo. Esta fuerza es consecuencia de las cargas eléctricas sobre las superficies de las partículas dispersas en la fase fluida. En la perforación es importante por ser responsable del acarreo de los ripios de perforación.
Resistencia de Gel: Es una medición de la fuerza mínima o tensión de corte, necesaria para producir un deslizamiento en un fluido, después de que este ha estado en reposo durante un determinado periodo de tiempo, y representa la calidad o condición de tixotropía. En la perforación hay que tener cuidado con esta al detener la perforación porque de reiniciarse el bombeo bruscamente puede ocasionarse daño a la formación.
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Filtración: La filtración es un proceso que consiste en separar la fase sólida de un lodo de la fase líquida, en donde los sólidos están suspendidos y al hacerlos pasar a través de un medio poroso, por el cual el líquido puede penetrar fácilmente. Esto ocurre cuando se somete al lodo a un diferencial de presión positivo. El líquido a filtrar se denomina suspensión; el líquido que se filtra, el filtrado, y la capa de material sólido que se deposita en el filtro se conoce como revoque.
Filtrado: La perdida de filtrado depende de las propiedades de la roca perforada, es decir de la permeabilidad de la formación, composición y temperatura del lodo. En la perforación es importante controlarlo mediante aditivos especiales que permitan regularlo y obtener un revoque fino y delgado que no dañe la formación.
Ph: Es una medida que indica el grado de acidez o basicidad de una solución acuosa. Indica que tan ácido o básico es un lodo, pero no determina el ion o los iones de esa acidez o alcalinidad. Por lo tanto, acidez y alcalinidad no es lo mismo a pesar de estar estrechamente relacionadas. El conocimiento del Ph es importante, porque al relacionarse con la alcalinidad genera un factor primordial en la determinación de los diferentes contaminantes de un fluido de perforación.
Dispersión: Cuando la fuerza de atracción entre las partículas se debilita por entrada de agua tendiendo a separarse individualmente. Las caras cargadas de forma negativa se atraen con los bordes de las caras positivas
Dispersante: Es un aditivo que se utiliza para lograr que un soluto tenga distribución y dispersión en un solvente. Una de las principales propiedades de los lignosulfonatos es su capacidad de dispersar partículas sólidas en medio acuoso. Por medio de un mecanismo electrocinético, típico de sus moléculas, cargas negativas son transferidas a las partículas sólidas, resultando en repelencia entre ellas. Así, se consigue obtener suspensiones bastante estables, reducción de la viscosidad y otros efectos tensoactivos
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LODOS DE LIGNOSULFONATO Aplicaciones de los lodos de Lignosulfonato
Se cree que los lignosulfonatos de cromo se fijan sobre las partículas, de arcilla por atracción de valencias del borde del enlace fracturado, reduciendo de esa manera la fuerza atractiva entre las partículas. Este fenómeno explica la habilidad del dispersante para reducir la viscosidad y la resistencia de gel. Se cree también que, en altas concentraciones, el lignosulfonato, por adsorción masiva sobre la estructura de la arcilla, tiene un efecto bloqueante que minimiza la reacción de intercambio de
bases. Este efecto bloqueador y taponador se supone es en parte debido al ión crómico, en razón de su naturaleza trivalente. La adsorción masiva de los cationes de lignosulfonato crómico sobre la partícula de arcilla tiende también a suprimir la hidratación de las partículas de arcilla, por su efecto bloqueante. En consecuencia, los lodos tratados con altas concentraciones de lignosulfonatos crómico poseen cualidades inhibitorias las cuales tienden a mantener las arcillas de la formación en su condición natural.
Los tratamientos con lignosulfonato de cromo proveen un excelente control de la reología del lodo así como estabilidad de las paredes del pozo. El dispersante actúa también como agente efectivo de control de filtrado debido al efecto taponante de las sales ferrocromicas y a la máxima dispersión que se logra. Las sales de metales
pesados en estos lignosulfonatos modificados no se descomponen fácilmente a temperaturas elevadas. Esta característica permite tener buena dispersión a temperatura que provocarían la descomposición de muchos otros reductores orgánicos de la viscosidad. En consecuencia, los lodos de lignosulfonato crómico, al mantener bajo pH y baja concentración de iones calcio, son estables a temperaturas por encima de 400°F.
Los lodos de lignosulfonato son compatibles con diversos aditivos que se pueden añadir, si se considera necesario, para lograr un mejoramiento de las propiedades del
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lodo. Adiciones suplementarias de lignitos naturales y de otras sustancias orgánicas se utilizan a veces para control de filtración. Para una mejor estabilización de la viscosidad y de la resistencia de gel en pozos con alta temperatura se emplean a veces el cromato de sodio (Na2CrO4) o el dicromato de sodio (Na2Cr2O7) como aditivos a los lodos de lignosulfonato.
A menudo se obtienen mayores velocidades de perforación mediante el uso de los lodos de lignosulfonato, especialmente cuando se mantienen bajas concentraciones de sólidos. El aumento de la velocidad de perforación se deber principalmente a mejoramiento en las propiedades de flujo y, como resultado de ello, a una mejor hidráulica y a un aumento de la estabilidad de las paredes del pozo.
Conversión
Los lodos de lignosulfonato de cromo son muy flexibles; los tratamientos se pueden modificar para cumplir con los requerimientos determinados por la variación de las
propiedades del lodo a medida que progresa la perforación. En algunas áreas, en la porción superior del pozo se emplean tratamientos químicos livianos de lignosulfonato caustificado, suplementado con fosfatos. A medida que la perforación progresa, se aumenta el tratamiento de lignosulfonato hasta alcanzar una concentración de 6 a 12 ppb en el sistema de lodo. Las concentraciones mas altas de lignosulfonato (10 a 12ppb) ofrecen muchas ventajas, tales como inhibición, control de filtrado, dispersión máxima, estabilidad térmica y estabilidad de las paredes del pozo, y hacen al lodo relativamente inmune a la contaminación con cemento, cal y yeso. La concentración de sólidos debe mantenerse en el rango apropiado mediante la centrifugación y/o dilución con agua. Debe añadirse diariamente bentonita para el control de filtración en el fondo del pozo, de acuerdo con las mediciones en el filtro prensa HT-HP. Las adiciones de bentonita ayudan a minimizar el riesgo de pegamiento a la pared al lograr una baja pérdida de filtrado en el fondo del pozo y una mejor textura del revoque, y al permitir una baja concentración de sólidos. El pH de los lodos de lignosulfonato es llevado normalmente a 9,0-10,5 con soda cáustica,
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pero se puede variar para cubrir requerimientos específicos. Más importante que el pH es el control del p1 entre 0,2 y 1,0cm3.
Algunos operadores pueden preferir perforar la porción superior del pozo con un tipo diferente de dispersante o tal vez sin ningún tratamiento químico. En ese caso, cuando la perforación ha progresado hasta un punto en que la obtención de las
propiedades deseables en el lodo es mas critica, se convierte a un lodo de lignosulfonato mediante grandes adiciones de lignosulfonato en el curso de una o dos circulaciones. Si se planea realizar este tipo de conversión es necesario que el lodo posea una baja concentración de sólidos. Si los sólidos son demasiado altos, debe añadirse agua al lodo para una dilución adecuada de los mismos. 1. Puede ser deseable, en un lodo no densificado, si no se hace daño a las paredes del pozo, reducir la viscosidad con agua hasta 32 a 35seg/qt. 2. Se añaden entonces, 4 a 8 ppb de lignosulfonato de cromo, junto con la cantidad de soda cáustica para lograr un P1 de 0,2-0,8. 3. Si el pH del lodo al comienzo es de 7,5 a 8,5 aproximadamente, se requerirán de 1 a 2 ppb de soda cáustica. 4. El dispersante y la soda cáustica deben ser mezclados en una sola circulación si es posible; por ejemplo, añadiendo el dispersante por el embudo y la soda cáustica en la pileta de succión a partir de un barril químico. 5. Antes de la adición del lignosulfonato deben añadirse entre 2 y 5 ppb de bentonita. Si se deja la adición de bentonita para después del lignosulfonato, se necesitará más bentonita. 6. Si el agua de preparación es dura o si el lodo contiene calcio, se pueden emplear carbonato de sodio o fosfato para la remoción del calcio. Estas sustancias se pueden
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aplicar en cada turno, pero se deben emplear solamente cuando hay calcio en el lodo. Sin embargo, la practica varia según las localidades. En algunas áreas el calcio es tolerado en el sistema y aparentemente no produce efectos deletéreos sobre las propiedades del lodo, a menos que prevalezcan altas temperaturas. 7. Si se añade diesel al sistema de lodo, generalmente no se necesita otro emulsionante, dado que el lignosulfonato es un excelente emulsionante. El diesel puede añadirse simultáneamente con el lignosulfonato. Si una reducción en la densidad del lodo no es admisible, debe mezclarse barita mientras se añade el diesel. Sin embargo, esto debe hacerse después de haber añadido la bentonita y las sustancias químicas.
Ventajas de utilizar lodos de lignosulfonato
Los lodos de lignosulfonato tienen sobre los lodos tratados con calcio (tales como los lodos de yeso o de cal) la ventaja de no presentar un “pico” de conversión durante la conversión. Esta ventaja permite convertir a mayores
profundidades sin riesgo de daño al pozo, permitiendo así posibles ahorros en el costo del lodo. Esto permite también la conversión de lodos de alta densidad sin necesidad de diluirlos, lo que es una ventaja si se encuentran dificultades en un pozo que empela lodo densificado, como el de tipo de bajo pH, y si se desea la conversión a un lodo de tipo inhibidor.
Los lodos de lignosulfonato son frecuentemente tratados y usados como fluidos de empaque. Estos lodos hacen excelentes fluidos de empaque debido a su estabilidad térmica y su capacidad de mantener en el pozo buenas
propiedades de flujo por periodos prolongados. Para hacer un buen fluido de empaque el lodo de perforación se suele diluir para disminuir la concentración de sólidos; puede añadirse gel nueva (bentonita) y CMC para mejorar las propiedades. Si la temperatura en el fondo del pozo está por encima de 300°F no debe usarse IMCO CMC. Deberá añadirse un tratamiento adicional de
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lignosulfonato (½ a 3 ppb) y opcionalmente de lignito (½ a 2ppb), junto con la cantidad de soda cáustica necesaria para mantener un ph de 9,0 (P1=0,2cm3). La cantidad de dispersante requerido dependerá del tratamiento previo experimentado por el lodo, la concentración de sólidos y la temperatura en el fondo del pozo. Añádase ¼ a ½ ppb de cromato o dicromato de sodio a través del barril químico, en el curso de una circulación completa, o mas circulaciones si fuere necesario. La viscosidad y la densidad deben ser verificadas frecuentemente a la entrada y a la salida, para estar seguros que están en el rango adecuado. Si hay calcio en el lodo (determinar por medio de la prueba cuantitativa con versenato), debe emplearse un agente precipitante para su eliminación (p. Ej., carbonato de sodio o fosfato). La presencia de calcio en un lodo de pH elevado tiende a reaccionar con la sílice en las partículas de arcilla dando origen a cementacion a altos niveles de temperatura (300°F o más).
Los lodos de lignosulfonato de cromo ofrecen la ventaja adicional de ser resistentes a la contaminación normal por iones calcio o por cloruro de sodio. Cuando se perfora cemento, el contaminante puede ser tolerado mediante el tratamiento con lignosulfonato adicional para lograr el control de la viscosidad y la resistencia de gel, o bien eliminado por medio de sustancias químicas, tales como el bicarbonato o el IMCO SAPP. El tratamiento previo evitará la alteración de las propiedades del lodo, y el empleo de bicarbonato de sodio, carbonato de sodio (si el pH no es demasiado alto), o SAPP evitará los aumentos en la pérdida de filtrado. La adición suplementaria de in lignosulfonato junto con el agente precipitante, dará por resultado una mejor dispersión y menor pérdida de filtrado.
Resumen de las ventajas de los lodos de lignosulfonato de cromo: 1. No hay “pico” de conversión como en los lodos de cal o yeso.
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2. Las profundidades de conversión pueden ampliarse; los lodos densificados se pueden convertir sin necesidad de diluirlos. 3. Los lodos de lignosulfonato son ideales cuando prevalecen altas temperaturas en el fondo del pozo. 4. Se trata de sistemas simples y fáciles de mantener. 5. Cuando se mantiene adecuadamente, la tendencia a pegamiento diferencial es minima. 6. Con alta concentración (10 a 12pbb) estos sistemas son buenos inhibidores. 7. Estos sistemas se caracterizan por su buena tolerancia a los contaminantes. 8. Los lodos de lignosulfonato proveen excelente control de pérdida de filtrado en el fondo del pozo. Si bien los lodos de lignosulfonato ofrecen muchas ventajas, hay situaciones en que el empleo de lodos tratados con calcio (lodos de cal o de yeso) puede resultar mas practico. Los lodos de lignosulfonato no ofrecen el mismo grado de cualidades inhibitorias. Por consiguiente, en áreas cuyas formaciones son problemáticas, los lodos tratados con cal pueden ser más aconsejables. Sin embargo, los lignosulfonatos se emplean con mucha frecuencia en lodos tratados con calcio como dispersantes y para control de filtrado.
Potasa cáustica: Es el nombre común dado al hidróxido de potasio (KOH). Se emplea a veces para dar estabilidad al pH y como un inhibidor para las lutitas hidratables.
Enviro-Thin (Adelgazante): Lignosulfonatos de hierro sin cromo, reduce los valores reológicos del fluido y la velocidad de filtración de los fluidos de perforación base agua. La ausencia de cromo hace que este producto resulte ideal para zonas donde las consideraciones ambientales imponen limitaciones a la presencia de cromo en los fluidos de perforación.
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Aplicaciones y Funciones del Enviro-Thin
Reducir las propiedades de flujo en todo tipo de fluidos de perforación base agua
Permitir un control efectivo de las velocidades de filtración en lodos base agua próximos a los 350ºF (177ºC)
Ventajas del Enviro-Thin
Adelgazante libre de cromo de baja toxicidad para zonas con limitaciones ambientales
Es efectivo en presencia de contaminaciones de sólidos, sal, cemento y anhidrita Estable a temperaturas próximas a los 350ºF (177ºC)
Efectivo en rangos de bajo pH (8.0-9.5)
Propiedades Características del Enviro-Thin
Apariencia de polvo color oscuro
pH
(solución acuosa 5%) 3.5
Spersene: El lignosulfonato de cromo SPERSENE* es un desfloculante multiuso, reductor de esfuerzos de gel, estabilizador de temperatura y aditivo de control de filtración cuyo uso está destinado a todos los sistemas base agua. El lignosulfonato de ferrocromo SPERSENE* I es un desfloculante multiuso, reductor de esfuerzos de gel, estabilizador de temperatura, inhibidor y aditivo de control de filtración cuyo uso está destinado a todos los sistemas base agua.
Propiedades Físicas Típicas del Spersene
Apariencia Física: Polvo café
Gravedad Específica: 1.2
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pH
(solución de 1%): 4
Densidad Aparente: 37 lb/pie3 (590 kg/m3)
Aplicaciones del Spersene El producto SPERSENE I ha comprobado ser un excelente desfloculante multiuso y agente de control de filtrado. Es efectivo para el control de la viscosidad y reducción del filtrado de todos los sistemas de lodo base agua, incluyendo los sistemas de agua dulce, agua salobre, agua de mar, cal, yeso y potasio. El producto ha demostrado tener capacidades de desfloculación superiores, incluso ante la presencia de contaminantes y a elevadas temperaturas. Los tratamientos normales del desfloculante SPERSENE I oscilan entre 1 y 12 lb/bbl (2.85 a 34.2 kg/m3). Los tratamientos iniciales están por lo general en un rango de 1 a 6 lb/bbl (2.85 a 17.1 kg/m3), dependiendo del sistema de lodo, las concentraciones de sólidos y los resultados deseados. Los tratamientos pueden agregarse fácilmente al sistema a través de la tolva de lodo. Debido al bajo pH del producto, los tratamientos de SPERSENE I requieren de soda cáustica o un material alcalino alterno para conservar un nivel de pH constante. Una relación normal consiste en 1 saco de soda cáustica por cada 4 sacos de producto SPERSENE I. El lignosulfonato de ferrocromo SPERSENE I es más efectivo en sistemas de lodo con un pH alcalino que oscile entre 9 y 11. Para los sistemas con un pH más bajo, se puede premezclar el producto en una solución de mayor alcalinidad antes de agregarlo al sistema de lodo activo.
Ventajas del Spersene
Desfloculante y estabilizador reológico altamente efectivo
Compatible con todos los sistemas de lodo base agua
Tolerancia de temperatura entre 275° y 325°F (de 135 a 163°C)
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Ayuda a reducir el filtrado sin altas concentraciones de arcilla ni aditivos de control de la filtración.
Inhibe de forma efectiva los recortes de bentonita y/o la hidratación de lutitas cuando se utiliza en suficientes concentraciones.
Tolera y sigue funcionando ante la presencia de contaminantes.
Contiene el estado de valencia de cromo más aceptable Cr+3.
Limitaciones del Spersene
Es más efectivo en sistemas alcalinos con un pH de 9.5 o mayor.
Contiene cromo, el cuál podría no resultar aceptable para todas las aplicaciones, dependiendo de las regulaciones y consideraciones ambientales. Para este tipo de aplicaciones se tiene disponible el lignosulfonato libre de cromo SPERSENE I CF*.
Toxicidad y Manejo del Spersene Debe ser manejado como un producto químico industrial, usando equipo de protección personal y siguiendo las precauciones descritas en la Hoja de Transporte y la Hoja de Datos de Seguridad de los Materiales.
Empaque y Almacenamiento del Spersene El producto SPERSENE I viene en sacos de papel de capas múltiples de 22.7 kg. Se debe almacenar en un área seca, alejado de fuentes de calor o ignición y minimizar la presencia de polvo.
Q-Broxin: El producto Q-Broxin (lignosulfonato modificado), es un aditivo constituido por un cromolignosulfonato de sodio modificado (PH 4,0). El dispersante Q-Broxin contribuye al control de la perdida de filtrado en los lodos de agua dulce, el lodo de calcio (yeso, cal, y cloruro de calcio) y en los lodos de agua salada (entre salobre y saturada). Es efectivo dentro de un amplio rango de (PH 7,0 a 12,0), y es excelente para tratar la contaminación con yeso o anhidrita, cemento o sal.
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Cuando se emplea a concentraciones más altas el Q-Broxin sirve como un lodo inhibidor sin adición de sales de calcio. También elimina o reduce la necesidad de agente de control de filtrados adicionales (el PH se controla usualmente entre 9,0 a 9,5 con soda cáustica). El Q-Broxin es eficaz a altas temperaturas (300 a 400 °F), y es compatible con otros aditivos de lodo. También es un excelente emulsionante de petróleo crudo diesel.
Tratamiento Óptimo Normal del Q-Broxin
Dispersantes para lodos de agua dulce, 1 a 3 ppb.
Tratamiento para contaminación con yeso, sal o cemento, 2 a 4 ppb.
Dispersantes para lodos con cal, 2 a 5 ppb.
Dispersantes para lodos de yeso, 3 a 6 ppb.
Como sistema de lignosulfonato inhibitorio, 6 a 10 ppb.
Dispersantes para lodos salinos, 2 a 6 ppb.
Dispersantes para lodos de agua de mar, 4 a 10 ppb.
Para bajar perdida de filtrado, 4 a 10 ppb.
Para estabilidad térmica (superior a 300°F), 8 a 10 ppb.
Carbonox: Es un lignito procesado (PH 4.5). Su aplicación principal es como dispersante en lodo de agua dulce. Estabiliza emulsiones de petróleo en agua, da un buen control de la velocidad de filtración y es excelente en cuanto a estabilidad térmica. Su rango óptimo del PH está entre 8,5 y 9,5. El lignito procesado es especialmente deseable en lodos de emulsión de bajo PH.
Tratamiento Óptimo Normal del Carbonox
Dispersante para lodos de agua dulce, 1 a 3 ppb.
Estabilizador de emulsión 1 a 2 ppb.
Control de filtración, 2 a 8 ppb.
Estabilidad térmica, 3 a 5 ppb.
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CONTAMINANTES DE LODOS Se entiende por contaminante de lodo cualquier factor o sustancia extraña que cause cambios indeseables en las propiedades físico-químicas del lodo. Los contaminantes pueden ser parte integral de la formación, ser introducido desde la superficie o puede también ser el resultado de un sobre tratamiento.
Contaminación con sal común (NaCl) La sal puede penetrar en el lodo a partir de diversas fuentes. Se ioniza dando Na+ y Cl- en la fase continua. El nivel de sal en el lodo se mide del ensayo de cloruros sin embargo el ión sodio (Na+) es el que ejerce un mayor impacto sobre el lodo. No existe un método químico de tratamiento que sea económico para remover el cloruro de sodio (NaCl). El único recurso práctico es diluir con agua y hacer un nuevo lodo. Otra alternativa es utilizar un lodo que tolere la sal, como los lodos en estado de floculación o un lodo a base de aceite. En algunos casos cuando la concentración de cloruro de sodio es menor de 10.000 ppm se puede tratar con dispersantes orgánicos y fosfatos.
Fuentes de contaminación con sal A medida que se profundiza la perforación se encuentran diferentes tipos de sales minerales que constituyen una fuente de contaminación con sal al lodo de perforación como lo son: halita, Sylvita, Carnalita, etc. otras fuentes de contaminación de sal la constituyen los domos salinos y los flujos de agua salada.
Agua de Formación : Un influjo de agua salada un incremento de volumen en los tanques y, por lo tanto, una disminución en la densidad del lodo.
Domos de sal: Son estratos masivos de sal que al ser perforados se disuelven formando cavernas.
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Propiedades del lodo que se ven afectadas por la contaminación con sal:
Aumento del Punto Cedente: Se produce por la reducción de las cargas eléctricas entre las láminas de la arcilla.
Aumento de la Resistencia de Gel: La acumulación de sólidos se hace más evidente, no hay dispersión de las arcillas.
Aumento del Volumen de Filtrado: Debido a la formación de un revoque grueso que presentan gránulos por la formación de flóculos.
Disminución del Ph: Los iones de sodio (Na+) desplazan a los iones de hidrógeno (H+) en la estructura de las arcillas, teniendo como consecuencia el aumento en la concentración de los iones de hidrógeno y esto determina directamente una disminución del Ph.
Aumento de la Viscosidad Plástica: Todos estos efectos serán menores si el nivel de los sólidos es bajo, si se ha inhibido la hidratación de las arcillas, si hay dispersantes activos en el lodo o si el aumento de sal es gradual.
Agentes químicos empleados en el tratamiento de lodos contaminados con sal. Generalmente los lodos que presentan una elevada contaminación con sal y especialmente los que se caracterizan por presentar una gran perdida de filtrado son tratados con aditivos químicos que permiten minimizar el paso del filtrado hacia la formación, siendo los mas empleados los llamados controladores de filtrado y los adelgazantes, sin embargo el uso de los mismos esta restringido según el motivo o la causa que da origen a tal situación. En el caso de los lodos contaminados con sal la perdida del filtrado puede ser controlada mediante el uso de controladores como el CC-16 el cual es un aditivo que disminuye el efecto de los contaminantes sobre las propiedades de los fluidos, favoreciendo especialmente a la disminución de la velocidad de la perdida de filtrado o también pueden usarse otros controladores como el CARBONOX y el Q-BROXIN ya que 18
estos provocan el mismo efecto que el CC-16. Sin embargo otra forma de tratar esta situación es con el uso de adelgazantes, específicamente mediante el uso del ENVIROTHIN ya que este reduce las propiedades de flujo en los fluidos, principalmente sobre todo en los sistemas de base agua.
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Procedimientos y Equipos Utilizados Densidad o Peso: El fluido de perforación debe tener una densidad tal que la presión hidrostática originada en cualquier punto del hoyo sea mayor que la presión de formación en un punto correspondiente. Para todos los propósitos prácticos, densidad significa peso por unidad de volumen; quiere decir que al realizar un ensayo de Densidad lo que se esta es pesando un volumen de lodo, el cual puede expresarse en: Kg./lt, k.o./m3, Lbs/gal o Lbs/pie3
Equipo Utilizado: Balanza para Lodos
TORNILLO TAPA
O-RING NIVEL
NIVEL 1 7. 0
7. 0 0 / g a l L b s
8. 3 3
0 4 8. 0
9. 0
1 0. 0
1 1. 0 0 4 8. 0
1 3. 0
1 2. 0
0 4 8. 0
1 4. 0 0 4 8. 0
1 6. 0
1 5. 0
0 4 8. 0
0 4 8. 0 BRAZO
t c u. f L b s /
BRAZO
BRAZO
BASE
20
0 4 8. 0
1 9. 0 1 8. 0 0 4 8. 0
2 0. 0
2 1. 0
2 1. 0
0 4 8. 0
PESAS DE AJUSTE
Medición de la Densidad del Lodo: 1. Se quita la tapa del vaso y llenar completamente el vaso con el lodo. 2. Volver a poner la tapa y girar hasta que este firmemente asentada, asegurándose que parte del lodo sea expulsado a través del agujero de la tapa. 3. Limpiar el lodo que esta a fuera del vaso y secar el vaso. 4. colocar el brazo de la balanza sobre la base, con el cuchillo descansando sobre el punto de apoyo. 5. Desplazar el caballero hasta que el nivel de burbuja de aire indique que el brazo graduado esta nivelado. 6. En el borde del caballero más cercano del brazo, leer la densidad o el peso del lodo. 7. Ajustar el resultado a la graduación de la escala mas próxima, en lb/ gal, lb / pies. Luego de cada lectura de densidad, es obligatorio lavar y secar la balanza para lodos con la finalidad de no pierda la calibración y obtener resultados erróneos en próximas experiencias
Equipo Utilizado: Viscosímetro Rotacional Constituido por un rotor exterior que gira dentro de un vaso mediante un motor eléctrico. Una caja de velocidades que actúa mediante un sistema de engranajes, hace girar 21
el rotor a 3-6-100-200-300 y 600 revoluciones por minuto (rpm), (Fig. 2). Al girar, el rotor produce un cierto arrastre de un estator concéntrico al mismo. Este arrastre se mide mediante una balanza de torsión, que indica la fuerza desarrollada en un dial graduado. El instrumento está diseñado en forma tal que se puedan hacer lecturas directas en unidades adecuadas (deflexiones)
Procedimiento: 1. Colocar una muestra recientemente agitada dentro de un vaso térmico y ajustar la superficie del lodo al nivel de la línea trazada en el manguito del rotor. 2. calentar o enfriar la muestra hasta 120º F (49ºF). agitar lentamente mientras se ajusta la temperatura. 3. Se pone en marcha el motor colocando el conmutador en la posición de alta velocidad, con la palanca de cambio de velocidad en la posición mas baja. Esperar que el cuadrante indique un valor constante y registrar la indicación obtenida a 600rpm. Cambiar la velocidades solamente cuando el motor esta en marcha. 22
4. ajustar el conmutador a la velocidad de 300rpm. Esperar que el cuadrante indique un valor constante y registrar el valor indicado para 300rpm. 5. viscosidad plástica en centipoise: indicación a 600 rpm menos la indicación a 300rpm 6. punto cedente en lb/100 pies: indicación a 300rpm menos la viscosidad plástica en centipoise. 7. viscosidad aparente en centipoise: indicación a 600 rpm dividida entre 2. Nota: El cambio de una velocidad a otra se hace por medio de un engranaje (perilla o botón rojo). Para evitar daños en el aparato, se debe efectuar el cambio de velocidad con el motor en funcionamiento
Procedimiento para determinar los esfuerzos de gel 1. Agitar la muestra a 600 rpm durante aproximadamente 15 seg.
y levantar
lentamente el mecanismo de cambio de velocidad hasta la posición neutra. 2. Apagar el motor y esperar 10 segundos 3. Poner el conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima en lb./ 100pies como esfuerzo de gel inicial. Si el indicador del cuadrante no vuelve
a ponerse a cero
con el motor apagado, no se debe
reposicionar el conmutador. 4. Repetir las etapas 1 y 2, pero dejar un tiempo de 10 minutos y luego poner al conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima como esfuerzo de gel a 10 minutos.
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Equipo utilizado: Retorta Para determinar el contenido de sólidos y líquidos se utiliza la retorta. Se coloca lodo en un recipiente de acero y se calienta hasta que los componentes líquidos se hayan vaporizado. Los vapores pasan a través de un condensador y se recogen en forma liquida en un cilindro graduado. Los sólidos se determinan por diferencia.
Procedimiento: 1. Dejar que la muestra de lodo se enfríe a la temperatura ambiente. 2. Desmontar la retorta y lubricar las roscas con silicón. Llenar el vaso de muestra con el fluido a probar casi hasta el nivel máximo .colocar la tapa del vaso de muestra girando firmemente y escurriendo el exceso de fluido para obtener el volumen exacto, se requiere un volumen de 10, 20 o 50ml. Limpiar el fluido derramado sobre la tapa y la rosca . 3. Llenar la cámara de expansión superior con virutas finas de acero y luego atornillar el vaso de muestra a la cámara de expansión. Las virutas de acero deberían atrapar lo sólidos extraído por ebullición. Mantener el montaje vertical para evitar que el lodo fluya dentro del tubo de drenaje.
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4. Introducir o atornillar el tubo de drenaje dentro de orificio en las extremidades del condensador, asentándolo firmemente. el cilindro graduado que esta calibrado para leer en porcentaje debería estar sujetado al condensador con abrazaderas. 5. Enchufar el cable de alimentación en el voltaje correcto y mantener la unidad encendida hasta que termine la destilación, lo cual puede tardar 25 minutos según la característica del contenido. 6. Dejar enfriar el destilado a la temperatura ambiente. 7. Leer el porcentaje de agua, petróleo y sólidos directamente de la probeta graduada. 8. Al final de la prueba, enfriar completamente, limpiar y secar el montaje de retorta. Se determina para saber la cantidad de sólidos que están en el sistema, es decir si se ha incrementado el porcentaje de sólidos del sistema o más bien ha disminuido, es decir que ha entrado agua al sistema si se esta usando un lodo base agua.
Medidor Del pH 1. Limpiar los electrodos, lavarlo con agua destilada y secar. 2. Colocar las sondas dentro de la solución amortiguadora de ph 7,0. 3. Activar el medidor, esperar 60 segundos, para que la indicación se estabilice. 4. Medir la temperatura de la solución amortiguadora de ph 7,0. 5. Si el medidor calibra correctamente, enjuagar y secar los electrodos. Colocar la muestra a probar. Esperar unos 60 segundos para que la indicación se estabilice. 6. Registrar el ph medido, junto con la temperatura de la muestra probada. Indicar si se probó el lodo o el filtrado. 7. Limpiar minuciosamente los electrodos, preparándolo para el próximo uso. 8. Desactivar el medidor y cerrar la tapa para proteger el instrumento.
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Resultados y Análisis Parte I: Lodo de Lignosulfonato Caso I •
•
Preparación:
3 Barriles equivalentes de agua (1050 ml)
90 lb/bbl de Bentonita
12 lb/bbl de Cal
28 lb/bbl de Enviro thim
140 lb/bbl de Barita
Balanza de Lodos:
Densidad obtenida →
ρ = 9,6 LPG
En prácticas anteriores se ha utilizado menor cantidad de barita y sin embargo se obtuvieron mayores densidades en el lodo; en este caso particular se utilizó mayor cantidad de barita (densificante) pero se obtuvo una densidad relativamente baja de 9,6 LPG, la razón para este comportamiento es la adición del lignosulfonato que actúa como un dispersante de sólidos aumentando la distancia entre ellos, viéndose disminuida la densidad. Cabe resaltar que los lignosulfonatos no disminuyen el porcentaje de sólidos, sólo los dispersan disminuyendo así la densidad del lodo.
•
Viscosímetro: L
94
L 200
56
600
26
L
6
16
L
65
L
37
100
L
11
3
300
Viscosidad Aparente:
V a
L600 =
94 =
=
2
2
47cps
Viscosidad Plástica: V P
=
L600
L300
−
=
94
−
65
−
29
=
=
29cps
Punto Cedente: P C
=
L300
−
V P
=
65
36lb / 100 pie
2
Resistencia de Geles: 10 Segundos ---------------------------------- 4 lb/100 pie² 10 Minutos ------------------------------------ 50 lb/100 pie² Existe una apreciable diferencia entre la resistencia de gel obtenida a los 10 segundos y a los 10 minutos, esta diferencia indica que el lodo estudiado posee una resistencia de gel de tipo progresivo lo cual teóricamente indica acumulación de sólidos.
•
Medidor de pH:
pH agua: 4 (solución buffer) Corrección: +3 27
pH lodo corregido : 7,86 El pH obtenido es demasiado bajo, estos lodos se tratan con soda cáustica para poder elevar su pH a 10.5 reduciendo de esta manera la necesidad de usar soda cáustica en la formulación del lodo. Los lignosulfonatos defloculan a los lodos base agua al neutralizar las cargas eléctricas de las arcillas, o sea, se adhieren a las partículas de bentonita incrementando la carga superficial de las mismas a niveles de pH entre 9 y 10, lo cual causa una repulsión entre esas partículas y por lo tanto una defloculación del lodo. El bajo valor de pH obtenido es debido a la no disponibilidad de soda cáustica en el laboratorio, se utilizó cal en reemplazo pero evidentemente no logró alcanzar el pH óptimo para este tipo de lodos, la razón pudo ser que la cal disponible en el laboratorio se encuentre desnaturalizada debido al tiempo que lleva almacenado bajo condiciones poco favorables.
•
Retorta:
Se obtuvieron los siguientes resultados: 18% Sólidos 82% Líquidos
Lo que indica una cantidad de sólidos respetable aunque se esperaba que esta cantidad de sólidos fuera mayor por la cantidad de aditivos añadidos y por el aspecto que mostraba el lodo al ser preparado en el laboratorio pero por la mala calibración y mal uso del equipo no se obtuvo el resultado real del experimento.
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Parte II: Lodo de Lignosulfonato Contaminado con Sal Caso I •
Preparación:
3 Barriles equivalentes de agua (1050 ml)
90 lb/bbl de Bentonita
12 lb/bbl de Cal
28 lb/bbl de Enviro thim
140 lb/bbl de Barita
Contaminado con 12 grs. De sal (NaCl) •
Balanza de Lodos:
Densidad obtenida →
ρ = 9,7 LPG
La densidad, como ya se ha venido estudiando, es la relación de la masa y el volumen de un determinado sistema. La densidad aumenta a medida que aumenta el porcentaje de sólidos. Para este caso en particular, la densidad del lodo se vio ligeramente aumentada por la adición de sal, el aumento en la densidad fue de cierto modo discreto puesto que los lodos tratados con lignosulfonatos son bastantes resistentes a la contaminación con sal.
•
Viscosímetro: L
170
L 200
96
L
6
35
115
L
72
L
3
30
600
L
100
300
Viscosidad Aparente:
29
V a
L600 =
170 =
2
=
2
85cps
Al igual que la viscosidad plástica y el punto cedente, la viscosidad aparente aumenta con la concentración de los sólidos, es notorio el incremento de la viscosidad, obteniendo el comportamiento esperado. El efecto del aumento de la viscosidad aparente es a causa de los intercambios catiónicos, y la floculación de los sistemas al ser contaminados. Viscosidad Plástica: V P
=
L600
L300
−
=
170
115
−
=
55cps
La viscosidad plástica representa la resistencia que el fluido opone a fluir debido al roce y a la velocidad en si, es la resistencia causada por la fricción mecánica. Se observa como la viscosidad plástica es mayor para el lodo contaminado con sal que el lodo original sin contaminar, porque cuando la sal entra al sistema, ésta causa un aumento de las propiedades reológicas debido a que el sodio que posee la sal provoca floculación en el sistema. Las partículas de arcillas que se encuentran negativamente cargadas se agrupan alrededor de los iones de sodio aumentando así la viscosidad, las arcillas experimentan una disminución de la capacidad de hidratación al quedar expuesta con un medio que posee una elevada concentración de sales. Sin embargo los lignosulfonatos resisten un poco más a los cambios de viscosidad en comparación con el sistema agua-gel. Punto Cedente: P C
=
L300
−
V P
=
115
−
55
=
60lb / 100 pie
2
El punto cedente se ve aumentado a causa de la contaminación con sal. La floculación causada por la sal, se debe a que la sal al entrar en contacto con la fase fluida, aumenta la fuerza de atracción entre las partículas, y por ende un incremento del punto cedente.
30
Resistencia de Geles: 10 Segundos ---------------------------------- 40 lb/100 pie² 10 Minutos ------------------------------------ 148 lb/100 pie² Al igual que en el sistema anterior existe una apreciable diferencia entre la resistencia de gel obtenida a los 10 segundos y a los 10 minutos, lo que indica que este lodo también posee una resistencia de gel de tipo progresivo lo cual teóricamente indica acumulación de sólidos.
•
Medidor de pH:
pH agua: 7 Corrección: 0 pH lodo : 7,73 La contaminación con sal apenas provocó una ligera disminución del pH del lodo, esto es debido a que las altas concentraciones de Na+, tienden a reemplazar algunos iones H+ en la superficie de las arcillas y reducen el pH ligeramente o lo mantienen en un valor muy cercano, es por esto que el pH del lodo se mantuvo prácticamente constante con respecto al lodo original sin contaminar. Sin embargo es necesario acotar que el valor de pH es muy bajo para lo acostumbrado y favorable para lodos de lignosulfonato.
•
Retorta:
Se obtuvieron los siguientes resultados: 16% Sólidos 84% Líquidos
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Este experimento además de tener todos los aditivos aplicados al experimento anterior (del lodo de lignosulfonato) tiene adicionalmente una cantidad de sal lo que teóricamente debería indicar una mayor cantidad de sólidos con respeto al sistema anterior, sin embargo, se reporta que la cantidad de sólidos es menor, lo que muestra un resultado equivocado y alejado de la realidad que pudo ser consecuencia de la mala calibración y mal uso del equipo de la retorta.
Otros Valores Obtenidos Caso II
Lodo de Lignosulfonato
Lodo
de
Lignosulfonato
Bentonita (80lb/bl)
Contaminado con Sal
Cal (10lb/bl)
Sal (8gr)
Enviro-Thin (25lb/bl) Densidad Viscosidad Plástica Viscosidad Aparente Punto Cedente Gel 10 seg. Gel 10 min. %Líquidos %Sólidos pH
Barita (120lb/bl) 9,4 LPG 16 cps 25,5 cps 19 lb /100pie² 14 lb /100pie² 23 lb /100pie² 96% 4% 7,23 Adm.
9,0 LPG 22 cps 36,5 cps 29 lb /100pie² 15 lb /100pie² 75 lb /100pie² 92% 8% 7,53 Adm.
Por teoría sabemos que a mayor cantidad de aditivos agregados habrá mayor cantidad de sólidos y esto se comprueba con estos experimentos ya que en el caso I los resultados obtenidos muestran mayor cantidad de sólidos que el caso II lo que es lógico ya que en los caso I se aplico mayor cantidad de aditivos que en los caso II y muestra clara de esto es el aumento en la viscosidad plástica en el caso I con respecto al caso II, al igual que el porcentaje de sólidos es mayor en el caso I. Con la cantidad de aditivos agregados se puede esperar que la viscosidad plástica hubiese sido mucho mayor en ambos caso, sin embargo, el lodo lignosulfonato tiene como propiedad el de dispersar los sólidos y por tanto la viscosidad plástica se vera reducida. 32
Conclusiones
Los lignosulfonatos actúan como dispersantes, reducen la viscosidad y la resistencia de gel de los lodos de perforación. Poseen un efecto bloqueante que minimiza la reacción de intercambio de bases lo cual tiende a reducir la hidratación de las
partículas de arcilla.
Los lodos con lignosulfonatos ofrecen muchas ventajas, tales como inhibición, control de filtrado, dispersión máxima, estabilidad térmica y estabilidad de las paredes del
pozo, y hacen al lodo relativamente inmune a la contaminación con cemento, cal y yeso.
La contaminación de un lodo ocasiona cambios en sus propiedades reológicas. Durante la perforación deben ser chequeadas continuamente las condiciones del lodo a fin de solventar cualquier inconveniente producido por algún contaminante.
La contaminación con sal causa floculación, que produce aumento de las propiedades reológicas y pérdida del filtrado.
Los lodos de lignosulfonato de cromo ofrecen la ventaja adicional de ser resistentes a la contaminación normal por iones calcio o por cloruro de sodio.
El punto cedente es mayor en un lodo contaminado por cemento debido a la atracción de sus partículas.
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Recomendaciones Para futuras realizaciones de esta práctica se recomienda:
Evitar el uso excesivo de recipientes para la manipulación de las muestras de lodo, ya que esto se origina perdidas en el volumen y dificulta y resta credibilidad a ciertas
pruebas.
Efectuar la medición de la reología a la muestra de lodo contaminado inmediatamente después de su preparación para así evitar el efecto del tiempo sobre las mismas.
Añadir los agentes químicos empleados para el tratamiento respetando los tiempos de mezclados establecidos.
Revisar la correcta calibración de los equipos a utilizar a fin de evitar errores de apreciación y por ende resultados equivocados.
Recomendaciones para el Mantenimiento de Lodos de Lignosulfonato:
Los tratamientos en cada turno consistirán generalmente de unas 200lbs de soda cáustica y unas 500lbs de lignosulfonato de cromo. Si emplean aditivos suplementarios, tales como lignito, extracto de cicuta (o modificaciones de esas sustancias orgánicas), el tratamiento será de 100 a 250 lbs por turno. Esas cantidades varían, por supuesto, según el tamaño del pozo, las formaciones que se están perforando, la densidad del lodo y las
propiedades del lodo que se desean. Las cantidades empleadas se incrementarán normalmente en lodos de alta densidad.
El mantenimiento de una concentración adecuada de sólidos coloidales es esencial para el control de la pérdida de filtrado simulada en el fondo del pozo. En cada turno debe añadirse bentonita.
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Los lignosulfonatos de cromo son dispersantes muy eficaces para la contaminación de cloruro de sodio. La inclusión de pequeñas cantidades de sal no alterarán sustancialmente las propiedades del lodo. Si se incorporan en el lodo cantidades grandes de sal en un periodo corto de tiempo, es probable que ello dé por resultado un aumento comprobable de viscosidad, resistencia de gel y pérdida de filtrado. Sin embargo, si se ajusta el P1 entre 0,5 y 0,8cm3 con soda cáustica y se trata con cantidades adicionales de lignosulfonato (1 a 5 ppb), pueden mantenerse buenas propiedades de flujo y un
buen control de filtrado. Los lodos densificados de lignosulfonato han tolerado niveles de sal hasta de 100.000 pm manteniendo baja viscosidad y resistencia de gel, así como buen control de filtrado.
Si un lodo de lignosulfonato es adecuadamente tratado y la concentración de sólidos no es excesiva, la perforación de pequeñas vetas de anhidrita no afectará apreciablemente las propiedades de flujo. Se producirá una reducción en el pH, lo que requerirá el empleo de soda cáustica adicional, y puede producirse un aumento en la pérdida de filtrado. Pueden desarrollarse resistencias de gel moderadas, pero el tratamiento con cantidades adicionales de lignosulfonato compensará el efecto contaminante de la anhidrita.
Si la contaminación se hace excesiva, con la consiguiente producción de elevados geles, viscosidad y pérdida de filtrado, puede ser necesario el tratamiento con un agente
precipitante. Si se deben perforar grandes cantidades de anhidrita, probablemente lo más económico será la conversión a un lodo de yeso. El pH del lodo debe mantenerse entre 9,0 y 10,5 con soda cáustica y, aumentando las adiciones de lignosulfonato se pueden mantener las propiedades de flujo deseadas. Si se requiere una baja pérdida de filtrado, puede ser necesario hacer adiciones suplementarias de IMCO CMC para control de filtración.
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